（水利水电工程专业论文）抽水蓄能电站地下工程施工技术.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：二! 茎固塑至2 。6 年3 月2 5 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 爿， 论文作者( 签名) ：! 兰f 里f 丑! 堡2 0 0 6 年3 月2 5 日 摘要 抽水蓄能电站地下工程主要包括地下厂房系统和输水系统两大部分，均在地质体内 挖筑而成，是典型的地下地质工程，复杂的地质条件与工程条件之间既互相制约又需要 互相适应。 采用“新奥法”进行蓄能电站地下工程施工，可以取得速度快、质量好的施工效果。 施工方案应以工程地质条件和工程设计条件为依据，通过分析工程施工因素对地质条件 因素的适应性，合理进行施工布置和旌工程序、技术工艺选择，避免或减少施工破坏或 恶化岩体结构条件，适时进行加固和支护，并通过现场监测反馈分析围岩的稳定性和施 工效果，进而指导施工。 本文从国内几个大中型抽水蓄能电站的施工实际出发，对蓄能电站地下厂房、斜井、 竖井、高压岔管、充排水试验等典型施工技术作了较为系统的研究和总结，介绍了近几 年在抽水蓄能电站地下工程施工中采用的新工艺、新材料及新设备，并对所采用的“新 奥法”等施工技术原理作了必要的分析和论证。 关键词：地下t 程地质条件施工方案新奥法抽水蓄能电站 a b s t r a c t t h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n go f p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n ( p s p s ) i st h et y p i c a l u n d e r g r o u n dg e o l o g i c a le n g i n e e r i n g i tm a i n l yc o n t a i n su n d e r g r o u n dp o w e r h o u s ea n d c o n v e y a n c es y s t e mt h a tb u i l tu n d e rg e o l o g i c a le n t i t y t h ec o m p l i c a t e ds t a t eo f g e o l o g ya n d p r o j e c tc o n d i t i o nr e s t r i c t e dm u t u a l l yw h i l ea l s oa f f e c t e de a c ho t h e r w i t ht h en e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ( n a t m ) i nt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，n o t o n l yt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t yi se n s u r e d , b u ta l s oe x p e d i t et h ec o n s t r u c t i o ns c h e d u l e t h e c o n s t r u c t i o ns c h e m em u s tb a s e so nt h eg e o l o g i ca n dd e s i g nc o n d i t i o no ft h ep r o j e c ta n d a n a l y s e ss u i t a b i l i t yo fc o n s t r u c t i o ns c h e m ec o n t r a s tt og e o l o g i c a ls t a t e c o n s t r u c t i o n a r r a n g e m e n ta n dp r o g r a ma n dt e c h n i q u es e l e c t i o ns h o u l db er e a s o n a b l yc a r r i e do u t ，t h e a n a l y s eo f r o c k ss t a b i l i t ya n dc o n s t r u c t i o ne f f e c ts h o u l db ef e e db a c k e db yl o c a l em o n i t o r t h i st e x te x p a t i a t e sq u i t ei n t e g r a l l ya n ds y s t e m i c a l l yo nt h et y p i c a lc o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n gs u c ha su n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e ，i n c l i n e ds h a f t ，v e r t i c a ls h a f t ，h i g hp r e s s u r e c r o t c hp i p e ，t e s to f w a t e rf i l l i n ga n dd r a i n a g e ，e c t i ti n t r o d u c e ss o m en e wt e c h n i q u e s ，n e w m a t e r i a l sa n dn e we q u i p m e n t so f u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi np a s ts e v e r a ly e a r s ，a n di ta l s o m a k e sn e c e s s a r ya n a l y s e sa n dd e m o n s t r a t i o n so f p r i n c i p l e si nu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ys u c ha sn a t m k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，g e o l o g i cc o n d i t i o n ，c o n s t r u c t i o ns c h e m e ，n e wa u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d ，p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n 河海大学工程碗| j 二学位论文 第一章绪论 1 , 1 抽水蓄能电站的特点 抽水蓄能电站是利用水作为能量载体，通过能量转换向电力系统提供电能的一种特 殊形式的水力发电站。电站枢纽工程一般由上水库、输水系统、房系统、下水库、开 关站及送出系统等建筑物组成。厂房大多为地下式，少数为半地下式或地面式。输水系 统由引水系统和尾水系统组成，主要建筑物有：上下库进出水口、事故检修闸门井、引 水隧洞、高压岔管、压力钢管、调压井、尾水隧洞及尾水渠等。 抽水蓄能电站兼备抽水和发电两类设施。在电力负荷低谷时或丰水期，利用电力系 统提供的富余电能或季节性电能，将下水库的水通过输水系统抽到上水库，以位能形式 储存起来；在电力负荷高峰时或枯水季节，将上水库的水放下，驱动水轮发电机组发电。 可见，抽水蓄能电站既是一个吸收系统低谷电能的电力用户( 抽水工况) ，又是个向 系统提供峰荷电力的水屯站( 发电工况) 。 由于抽水蓄能电站具备输入输出两种工况，其产生的电力损失是常规电源的二倍。 因此抽水蓄能电站选址一般都着眼于电力负荷中心附近，此外还要有充足的水源、较大 的地形落差和较好的地质条件。 抽水蓄能电站与常规水电站相比有其明显的特点： 抽水蓄能电站本身虽不能生产电能，但在电力系统中起到了一种能量储存转换 和改善优化的功能，其调峰能力是常规水电的二倍； 抽水蓄能电站具有快速、灵活的机组启停特性，它的黑启动能力可以保证在紧 急事故情况下拉动系统的快速恢复； 电站枢纽工程一般包括上下两座水库和庞大的地下洞室群，上下库之间的山体 一般较单薄，地形陡峭； 抽水蓄能电站需要水但基本上不耗水，电站规模主要取决于卜下水库容积和落 差，取决丁所在电网可提供的低谷时的抽水电量； 电站运行水头一般均在1 0 0 m 以一卜，输水隧洞承受较大的内水压力，由于大多属 臼调节电站，每天均出现正向、反向允水，隧洞的运行工况不稳定； 抽水蓄能电站的水量十分宝贵，对无天然来水的水库库盆防渗有特殊要求。 第一章绪论 1 2 抽水蓄能电站在电网中的作用和地位 国外发展抽水蓄能电站的经验表明，工业的的高速发展及其对能源的巨大需求使核 电得到了大力发展，火电机组也向着高温、高压、大容量方向发展。在我国，随着社会 经济的发展和电网规模的扩大，电网调峰矛盾日益突出，特别是以火电为主的华北、华 东电网，随着大容量火电机组的投入，缺电局面由电量缺乏转为调峰容量缺乏；“两电 东送”工程的实旋，跨地区、远距离送电也已成为现实。抽水蓄能电站的技术经济特性 适应了这种发展，不仅可以解决电网的调峰问题，同时由于填谷的作用，使核电与火电 机组的运行条件得到改善，提高了电网效率，大大降低了电网发电运行成本，并为远距 离跨地区送电提供保安电源，提高了电网供电的可靠性，而且也是电网调节负荷的有效 手段。 抽水蓄能电站在电网中的调峰填谷、紧急事故备用、调频、调相等作用及其静态效 益、动态效益以及技术经济上的优越性，已被世界各国所公认。抽水蓄能电站运行具有 两大特性：一、它既是发电厂、又是用户，它的填谷作用是其他任何类型发电厂所没有 的；二、启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可以作出快速反应，除调峰填 谷外，还适合承担调频、调相、事故备用等任务，其它任何电站都不同时具有这些功能。 目前，已建的抽水蓄能电站在各自的电网中都发挥了重要作用。 由此可见，抽水蓄能电站是现代电力工业中不可缺少的重要组成部分，是社会经济 和电力工业发展到一定阶段的必然产物。 1 3 我国的抽水蓄能电站发展概况 抽水蓄能电站在世界上迅速发展已有三四十年历史，而我国抽水蓄能电站建设起步 较晚，二十世纪6 0 年代后期才开始研究，1 9 6 8 年和1 9 7 3 年先后建成岗南和密云两座小 型混合式抽水蓄能电站，装机容量分别为1 1 m w 和2 2 m w 。此后，国家开始在部分地区 系统的进行抽水蓄能站址的查勘、选点工作。 为解决华北电网调峰问题，1 9 8 4 年华北电网开始建设潘家e l 混合式抽水蓄能电站 ( 装机容量2 7 0 m w ) ，并于1 9 9 3 年建成；北京十三陵抽水蓄能电站是国内第一座高水 头、大容量纯抽水蓄能电站，经过十多年的论证，二十世纪9 0 年代初开工建设，并于 1 9 9 7 年建成，总装机容量8 0 0 m w 。为配合大亚湾核电站的运行，广东电网在1 9 9 4 年建 成了广州抽水蓄能电站一期工程，装机容量1 2 0 0 m w ，随后广州抽水蓄能电站二期工程 ( 1 2 0 0 m w ) 也于2 0 0 0 年3 月全部竣工。为配合秦山核电站的运行和满足华东电网的调 峰要求，总装机容量1 8 0 0 m w 的天荒坪抽水蓄能电站6 台机组于2 0 0 0 年全部建成投产。 河海大学工程硕士学位论文 f 三陵、广蓄、天荒坪是上世纪9 0 年代我国抽水蓄能领域三个最具代表性的1 程。 另外，我国台湾电力系统于上世纪8 0 年代初至9 0 年代中叶先后兴建了明湖和明潭 两座抽水莆能电站，总装机容量2 6 0 2 m w 。 我国早期的抽水蓄能电站建设是单纯从电网安全稳定角度考虑的，般电站容量较 小，水头较低，以混合式丌发居多。从小型蓄能电站起步，主要是从当时电网的现状出 发，受对抽水蓄能的认知深度及当时的设计施工水平所限，同时也是在摸索抽水蓄能电 站的建设经验，检验抽水蓄能电站在系统中的应用效果。 随着核电的发展和“西电东送”工程的启动，我国的电网规模迅速扩大，系统峰谷 差继续拉大，电网调峰要求更为迫切，用户对电能质量的要求越来越高，而美国、加拿 大、俄罗斯等圉的电网崩溃事故使图家对电网安全更加重视。正是在这种历史形势下， 我国的抽水蓄能电站建设从2 0 0 1 年开始进入快速发展期，一大批抽水蓄能项目开始建 设，发展势头正由沿海向内地、东部向中、西部地区呈全面扩展之势。 经过几十年的发展，抽水蓄能电站已开始向着高水头、大容量、快速响应电网要求、 变速机组等方向发展，且基于经济、环保和充分利用资源等原因，抽水蓄能电站扩建增 容和更新改造、地下式抽水蓄能电站和海水抽水蓄能电站也将成为新的发展方向。 目前我国部分已建、在建及拟建的抽水蓄能电站资料见表1 3 1 、表1 3 2 、表1 3 3 。 我国已建的抽水莆能电站 表1 3 - 1 总投资 全部机组 序号电站名称所在电网电站类型装机容量( 台数m w ) ( 亿元) 投产时间 1岗南冀南混合式1 1 1 1 9 6 8 2密云北京混合式2 1 l 1 9 7 5 3 潘家口京津唐混合式 3 9 0 + 1 5 0791 9 9 2 4 广蓄一期广东纯蓄能 4 3 0 02 71 9 9 4 5十三陵北京纯蓄能4 2 0 03 73 2 1 9 9 7 6 午卓雍湖西藏纯蓄能 4 2 2 52 01 41 9 9 7 7 j 、蓄二划r 东纯蓄能 4 3 0 03 02 0 0 0 8 天荒坪 华东 纯蓄能 6 3 0 06 2 182 0 0 0 9 响洪甸安徽混合式2 4 0 4 5 62 0 0 0 1 0 天堂湖北纯蓄能2 x 3 5 3l2 0 0 1 1 1沙河江苏 纯蓄能 2 5 06 0 32 0 0 2 1 2 同龙河南纯蓄能2 6 04 5 l2 0 0 5 第一章绪论 我国正在建设的抽水蓄能电站 表1 ，3 - 2 总投资 序号电站名称所在地区电站类型 装机容茸( 台数m w ) 开工时问 ( 亿元) 1 桐柏 浙江天台县纯蓄能4 x3 0 0 4 2 7 82 0 0 1 1 2 2白山吉林桦甸纯蓄能 2 15 082 0 0 2 7 3琅琊山安徽滁州纯蓄能 4 x l5 02 3 3 3 2 0 0 2 1 2 4 宣兴江苏宜兴纯蓄能 4 x 2 5 0 4 7 6 32 0 0 3 8 5西龙池山西五台县纯蓄能4 x3 0 0 5 12 0 0 3 8 6泰安山东泰安纯薷能4 x 2 5 0 4 72 0 0 3 1 0 7张河湾河北井陉县纯蓄能4 2 5 04 1 2 2 0 0 3 1 2 8 惠州广东惠州纯蓄能8 x3 0 0 8 1 3 42 0 0 5 1 9白莲河 湖北黄吲纯蓄能 4 x3 0 03 5 3 32 0 0 5 3 1 0 宝泉河南辉县纯蓄能4 3 0 0 4 22 6 2 0 0 5 3 1 l 黑麇峰湖南长沙 纯蓄能 4 x3 0 03 02 0 0 5 6 1 2 蒲辐河辽宁宽甸纯蓄能4 3 0 04 2 9 52 0 0 5 9 我国拟建的抽水蓄能电站 表1 3 - 3 装机容量 序号电站名称所在地区电站类型总投资( 亿元) ( 台数m w ) 1荒沟黑龙江海林 纯蓄能 4 3 0 0 3 6 2 仙游 福建仙游纯蓄能 4 3 0 0 3 9 1 2 3丰宁 河北丰宁 纯蓄能 3 6 0 0 1 1 96 4文登 山东文登 纯蓄能 6 3 0 0 6 1 5响水涧安徽繁昌 纯蓄能 4 2 5 0 3 7 6 天荒坪二期浙江安吉 纯蓄能 6 4 0 0 6 4 7 9 7 桓仁辽中桓仁纯蓄能 4 x 2 0 02 8 9 8乌龙山浙江建德 纯蓄能 6 x 4 0 0 6 3 9 9仙居浙江仙居 纯蓄能 1 5 0 0 4 3 4 1 0马山江苏无锡 纯蓄能 4 1 7 5 3 00 8 l l漂| j f l江苏渫阳 纯蓄能 6 x 2 5 0 6 8 1 2盘龙重庆綦江 纯蓄能 4 x3 0 0 3 8 1 3洪屏江两靖安 纯蓄能 4 x3 0 0 3 5 7 8 1 4 深圳广东深圳纯蓄能 4 3 0 0 4 2 3 1 5板桥峪北京密云 纯蓄能 4 2 5 0 2 7 3 4 河海大学t 程硕士学位论文 国内外综合研究分析认为，抽水蓄能在电网中的合理比例为8 - 1 5 。至2 0 0 0 年底， 我国已建抽水蓄能电站总装机容量己达到5 8 5 5 m w ，占全国总装机容量的比重为1 8 ， 比例仍然较低。毫无疑问，随着经济的持续发展和电力体制改革的不断深化，我国的抽 水蓄能电站建设有着广阔的发展空间。 1 4 木文的主要工作及目的 抽水蓄能电站地卜工程施工主要包括洞室玎挖及支护、混凝土衬砌、灌浆、压力钢 管的制造和安装、施工期安全监测等内容。洞室开挖及支护是地下工程施工技术中的重 点，本文主要研究丌挖施工程序、通道布置、掘进方式、钻爆参数、支护形式及设备选 型等；混凝土施工主要研究模板技术；灌浆施工主要研究高压灌浆对围岩、混凝土结构 的影响及提高灌浆效果的措施；压力钢管的制造和安装将以铜岔管为例，研究、总结高 强度钢板的成型、焊接技术及消除焊后应力处理技术等。 本文由六部分组成，每部分研究的主要内容如下： ( 1 ) 绪论：分析、总结了抽水蓄能电站的特点、抽水蓄能电站在电网中的作用和地 位及在我国的发展概况。 ( 2 ) 地下厂房施工技术：主要研究主副厂房( 含安装场) 开挖总体施工方案及岩锚 梁的施工方法，研究、总结厂房洞室的支护型式及技术要点。 ( 3 ) 斜井、竖井施工技术：主要研究直径较大的长斜井、深竖井的施工技术，包括 导井布置型式和丌挖方法、扩挖及支护技术、混凝土衬砌技术等，介绍了阿里马克爬罐、 反井钻机、斜井滑模系统等先进的施工设备在该领域的应用情况。 ( 4 ) 岔管及平洞施工技术：主要研究施工支洞的设计与施工、高压岔管施工技术。 ( 5 ) 施工期临时监测及特殊部位处理：总结了地下工程施工期需临时监测的项目及 监测方法，研究岩爆的防治、塌方的预防和处理、溶洞的处理等特殊部位的施工技术。 ( 6 ) 输水系统充排水试验：主要研究充排水试验的速率和分级，探讨充排水试验 的程序和施工组织。 本文的难度主要体现在对现有施：l 技术的理论分析和论证，体现在对施工技术的一 般性和特殊性的归纳、总结，强调施工技术的实用性和可推广性。 本文取材于工程实践，结合本领域目前最新的技术研究动态，认真选取典型工程案 例，以增强施工技术研究的针对性。本文的特点是实践性强，注重施工经验的总结和技 术细节，其研究成果可供抽水蓄能电站地下工程施工参考、借鉴。 第一章 地下，一席施工技术 第二章地下厂房施工技术 2 1 概述 抽水蓄能电站的地下i r 一房与常规水电站类似，主要由主一房、副厂房、安装场、主 变室、尾闸室、母线涮、厂房排水系统、交通系统、通风系统、高压出线系统等洞室组 成。其中主副厂房( 含安装场) 、主变窒和尾闸室为地下厂房系统的三火洞室，足地下厂 房的主体。主变室般平行布置于主副厂房下游，母线洞布置于主副厂房与主变室之间。 地下，一房吊车梁形式大多采用岩锚吊车梁( 以下简称岩锚梁) 。 地下i r 房开挖量大，施工层次多，工序复杂，系统支护量大，所用施工通道多，涉 及面广，施工质量要求高，应选择成龙配套的大型地下施工设备，采用合理的施工程序， 优化施工方案，以保证施工质量和工期。 地下厂房的丌挖施工一般具有以下特点： 洞室跨度大、高边墙及多洞室交叉、相贯和多层次施工带来的围岩稳定问题突 出； 主副厂房、主变室、尾闸室应间隔分层开挖，每层开挖过程中，应按设计要求 及时进行支护； 对岩锚梁的开挖质量要求非常高，施工难度大； 洞室交叉部位开挖时，开挖方法必须保证围岩稳定，锁口支护应及时有效； 尾水管、母线洞洞室之间岩柱单薄，应尽可能间隔分组开挖，开挖支护程序必 须保证围岩稳定。 2 2 主副厂房( 含安装场) 施工 2 2 1 开挖分区分层规划 合理进行地f 厂房开挖分层、分区规划是确保施工安全、质量和施工进度的关键， 一般根据厂房设计结构分层布置方式、施工通道、主洞室及附属洞室结构特点、围岩稳 定要求、施工机械性能等进行规划浸计。典型的抽水蓄能电站地下厂房高度一般为4 5 5 5 m ，跨度为2 2 2 5 m ，开挖一般分六七层进行： i 层：顶拱层，主要考虑施工通道、施工机械性能及开挖爆破对其下部的岩锚梁岩 台影响小，同时又便于锚喷支护施工，分层高度一般为8 9 m 。为控制爆破规模，保证 顶拱稳定，宜分三区开挖：当顶拱层围岩类别达盈j l i i + 以上时，宜采用中部导洞( 城门洞 型) 领先、两侧扩挖跟进方案；对于地质条件较差( 围岩类别为i l i 类以下) 、地下水较为 6 河海大学工程硕。卜学位论文 发育的厂房项拱层，宜采用两侧边导洞交替领先、中部扩挖跟进方案。 l i 层：岩锚梁层，其开挖质量要求最高，是地下厂房施工的重点和难点，主要考虑 方便岩锚梁锚杆、岩锚梁混凝土施工，并能保证开挖成型及混凝土施工质量，层高一般 为7 5 m 。为保证岩锚梁岩台开挖质量，一般分三区开挖，中部先垂直拉槽开挖，两侧预 留3 4 m 保护层。 i i i 层：安装问、进厂交通洞一般布置在该层，应考虑安装问及进厂交通洞底板高程， 层高一般为6 0 7 5 m 。 i v 层：一般考虑母线洞开挖需要并结合施工通道条件确定层高，一般为6 0 - - 7 5 m 。 v 层：厂房下部施工支洞通常布置在该层，根据施工通道高程和钻孔设备性能确定 层高，一般为6 0 7 5 m 。 层：根据主副厂房结构分层特点，综合考虑引水支管出口底板高程和尾水肘管出 口顶部高程等因素确定层高，一般为7 m 左右。 层：尾水管层，按设计结构特点，确定主丌挖层层高和建基| l 【保护层厚度。 下图为国内某抽水蓄能电站地下厂房开挖分层、分区示意图。 屡 第二章地下j 房施工技术 2 2 2 施工布置 2 2 2 1 旌工通道 地下厂房施工主要的施工通道包括( 但彳i 限于) ：进厂交通洞、厂顶施工支洞( 通风 兼安全洞) 、厂房下部施工支涧、引水支管、尾水管等。各通道主要特性见表2 2 1 。 地下厂房施工通道特性表 表2 2 1 通道名称在厂房施工中承担的主要任务( 但不限于) 厂房i 层开挖支护；i l 层大部分开挖支护( 包括斜坡道开挖) ；有时也 厂顶施工支洞 利用该支洞进行上层排水廊道的开挖支护施工。 厂房i i 层剩余段开挖支护、岩锚梁混凝土施工，厂房i i i 层、层、母线 进厂交通洞 洞开挖支护；中层排水廊道施工；交通电缆道麓工；厂房混凝土及机电 设备运输通道。是地下厂房系统中最主要的通道。 厂房下部施t 支洞 或引水支管 厂房v 层开挖出渣、厂房层开挖支护。 尾水管尾水支管开挖支护、厂房底层开挖支护。 2 2 2 2 通风 主副厂房开挖，应尽早安排与之相通的附属洞室的开挖，如出线洞、排风洞等，以 尽早形成自然通风条件，改善厂房施工环境。 厂房前期开挖时，宜采用大功率轴流风机以机械通风为主，采取压入式或吸出式通 风方式均可。随厂房开挖下降，进厂交通洞与通风兼安全洞通过厂房连通，主变进风洞 与主变排风洞通过主变室连通，厂房与主变室通过母线洞连通，此时厂房内可以自然通 风为主，并在主厂房保留适当数量风机辅助通风即可。 2 2 3 旖工程序设计 根据地下厂房的布置特点、施工质量、围岩安全稳定及施工进度要求，其施工程序 一般按下列原则进行设计： 进场后及时铺设风、水、电管线及通风设备、管路，及时开挖施工通道，为丰 体洞室工程开- e g j 造条件； 主副厂房通常处在枢纽工程的关键线路上，丌工后宜优先安排施工，同时根据 施工进度要求、通道条件及施工资源情况，及时安排其它洞室的施1 ：； 厂房顶拱层的开挖应存厂房顶部监测仪器安装并取得初始数据后进行； 厂房开挖原则上自上而下分层、分区进行，主剐房i 层、i i 层应分区开挖， 河海大学工程硕士学位论文 每层开挖过程中及时进行支护，上层支护完成后再进行f 一层的大而积开挖， 以保证围岩稳定；主厂房i 层开挖接近尾声，应及时进行吊顶小牛腿混凝上施 _ ：r ：；主厂房i i 层丌挖结束后，先完成i i i 层边墙预裂，再进行岩锚梁锚杆及混凝 土施工；第1 i i 层爆破应在岩锚粱混凝土浇筑2 8 天后进行； 主厂房混凝土浇筑刚，周边相邻建筑物5 0 r n 范围内爆破应结束。 下图为国内某抽水蓄能电站地下厂房开挖施工程序设计框图 三互夏三至三至三三二二 + 一。葛蒌至膏三荽至荽 第二章地下厂房施工拄术 2 2 4 开挖及支护施工 2 2 4 1 围岩稳定分析 地下厂房围岩的稳定性主要决定于岩体i - j 断层、节理、裂隙等的产状、发育程度以 及各种构造结构面( 陡、缓) 和岩层面相互间的组合切割关系。 ( 1 ) 厂房顶拱稳定分析 主要分析厂房顶拱围岩有无大的不利结构面组合；是甭局部存在倾向相反或相同， 但倾角不同的节理组成的“人”字型不稳定块体；缓倾角节理与其它节理问组合的下盘 岩体，有无町能形成小的掉块等。 ( 2 ) 厂房边墙及端墙稳定分析 对厂房的高边墙、高端墙来说，如优势结构面与边墙的交角较大，则其稳定性就较 好；如优势结构面倾角陡且与边墙、端墙的交角较小，则受开挖爆破、应力调整的影响， 岩体易沿结构丽松驰、张开，不利于岩体的稳定。走向不同的陡倾角节理可在边墙形成 稳定性差的棱柱体；与边墙交角较小的陡倾角节理部位及倾外的缓、中倾角节理与其它 节理的组合，亦可形成稳定性差的块体。 2 , 2 4 2 总体施工方案 地下厂房开挖及支护一般采用“立面多层次、平面多工序”的施工方案。 所谓“立面多层次”是指在厂房的高度方向上，矧时组织多个层面的施工，主要是 施工通道的施工和上部混凝土与下部开挖、支护等工序间的平行作业。施工通道进入主 机问后一般暂停其所在层面的施工，待上一层开挖及支护完成后再进行本层的开挖。立 体交叉施工方案必须经过充分论证，在保证安全的前提下方可采用。 所谓“平面多工序”是指在某个施工层面上，同时组织钻爆、出渣、支护等多个工 序的流水作业，以减少各工序的直线工期，从而降低该层面总的施工时间。 主、副厂房开挖钻孔设备应优先选用凿岩台车和液压潜孔钻，中下部各层边墙均应 预裂爆破成型，当潜孔钻无法在边线部位钻孔时，可采用手风钻钻孔。 厂房顶拱层开挖采用先导洞后扩挖，开挖领先、支护跟进的方式施工，并在第二j 层 开挖前将顶拱的锚喷支护等工作全部完成，以确保顶拱的稳定。对于地质条件较差( 围 岩类别为i i i 类以下) 、地下水较为发育的厂房顶拱层，应遵循“短进尺、少扰动、强支护、 及时封闭、勤观测”的原则进行施工。 厂房岩锚梁层( i i 层) 的开挖，重点应控制好两侧保护层的开挖和岩台的成型。中 部拉槽梯段开挖时，边线部位即采用预裂爆破，以减少梯段爆破对保护层的扰动和破坏。 河海大学丁程硕十学位论文 岩台部位分块、分序开挖，施工中应根据围岩情况不断调整钻爆参数，严格控制超欠挖 和岩面起伏差，限制围岩松动范围，确保岩面不产生明显爆破震动裂隙。 主副厂房( 含安装场) 各层开挖及支护典型施工方法见表2 2 2 。 主副厂房开挖及支护典型施工方法 表2 2 2 部施r 开挖程序及方法吏护程序及方法 位通道 中导洞( 边导洞) 领先开挖，然后进行两 导洞开挖时主要采用随机锚喷支护， 厂 侧( 中部) 岩体扩挖，三臂液压凿岩台1 1 滞后开挖面5 7 m 。系统锚杆采用锚 第 顶 钻孔，周边光而爆破，利用液压平台车人 杆台车和凿岩台乍造孔，平台1 二配合 1 施人工安装，注浆机注浆；人工挂钢筋 1 ： 工装药，非电毫秒微差延时网络，火花引 网，混凝土喷车施喷；随机预应力锚 层 支 爆。反铲挖掘机进行安全处理，4 m 3 侧翻 杆采用多臂钻钻孔及安装锚杆。加强 洞装载机配台1 5 t 自卸汽车出渣。开挖支护 施工期监测，根据观测结果分析和指 基本结束后浇筑顶部小牛腿混凝土。 导开挖支护施工，以保证施工安全。 厂 先进行两侧及左、有端墙的预裂，然后开边墙锚杆支护在i i i 层边墙预裂后施 顶 挖斜坡道( 坡度小于1 2 ) 进入i i 层底工，先进行系统锚杆、岩锚梁锚杆施 支板。中间拉槽超前约_ 5 0 m ，两侧预留保护工。系统锚杆、随机预应力锚杆、挂 第 洞 层，岩锚梁岩台及边墙光面爆破；中间拉 钢筋网、喷混凝土施工同i 层。 1 i ； 槽及斜坡道降坡丌挖采用潜孔钻钻爆，两 进 层 厂 边保护层采用手风钻垂直钻孔光面爆破， 交 采取密孔、问隔装药、多循环、人j 修面 通 等开挖方式成型。4 m 3 正铲挖掘机配合2 0 t 洞 白卸车出渣。 岩锚梁锚杆施t 前用潜孔钻对i i i 层上、f随机锚喷及系统支护方法同i i 层。随 游边墙及左、右端墙进行预裂。岩锚梁混 机预应力锚索采用k q j 轻型潜孔钻 进 凝土及i r 层锚同施工结束斤彳，用液压潜孔机钻孔，y c 2 0 q 型千斤顶单根循环分 第 厂 钻进行梯段爆破，上、下游边墙预留3 m级调直张拉，y c w 2 5 0 型千斤顶整体 1 i i交 层 通 保护层，保护层用凿岩台车水平钻爆。安分级张拉，采用o v m 锚具锚定，灌 洞 装场基建面开挖时需预留l m 保护层，保 浆机封孔。 护层开挖采用凿岩台车钻孔、水平光面爆 破。4 m 3 正铲挖掘机配合2 0 t 自卸车出渣。 先用潜孔钴对厂房上、下游边墙进行预边墙支护滞后开挖跟进，同时完成母 进厂 裂，然后开挖斜坡道f 至该层底部进行梯线道洞脸锁口锚杆及喷混凝土支护。 第 交通 段爆破，上、下游边墙预留3 m 保护层，支护方法同i i i 层。 洞；保护层用凿岩台车水平钻爆。本层剩余部 f 部 分开挖施t 通道为下部施t 支洞。4 m 3 正 层 施工 铲挖掘机配合2 0 t 自卸车山渣。 支洞 本层穿插进行母线道开挖。 根据通道特性设置斜坡道或其它方式创边墙支护滞后开挖跟进，锚喷支护方 第 f 部造工作面。采用潜孔钻造孔，周边预裂爆法同i i i 层。 v施工破，边墙、建基面预留保护层。建基面保 支洞护层及基槽开挖采用手风钻钻孔，严格控 及尾制孔深，孔底设置柔性垫层，浅孔小药量 层 水管光面爆破，局部人上撬挖。以4 m 3 正铲挖 掘机配2 0 t 自卸车出渣为主。 第一章 地下厂房施工技术 2 2 4 3 岩锚梁开挖及锚杆旌工 岩锚梁基础岩石( 保护层) 的开挖质量，特别是岩台的成型质量，是保证岩锚梁设 计承载结构、承载能力得以实现的基础。为保证开挖质量，合理选择钻爆参数，开挖前 应进行现场工艺试验。开挖时应采用控制爆破技术，按照“定位准、密打孔、小药量、 短进尺、多循环”的原则，精雕细刻，确保岩台成型质量。 岩锚梁施工放样采用全站仪，测量定线应加细，高程线、边线、角度线的定线误差 限制在2 c m 以内：钻孔根据测量定线及钻爆设计参数逐孔放样，岩台上斜孔按几何投影 关系放样，保证钻孔在同一平面、孔底在同一高程。 保护层开挖宜优先采用手风钻竖向钻孔( 易于控制超欠挖) ，边线部位光面爆破，岩 台斜面及上、下直墙面设置不装药的减震孔和导向孔。光爆孔装药时可采用竹片固定药 包和导爆索，并将竹片置于保留岩面一侧。其它孔内可采用非电雷管根据临空面情况分 段起爆，并应根据爆破设计和抵抗线大小调整装药量。为限制瞬时起爆药量，降低爆破 对围岩的扰动，可采用非电毫秒雷管“孔问微差+ 排问微差”的起爆网络，以实现单孔 起爆和孔内微差起爆。 为使爆破对岩锚梁的基岩面影响减少到最低限度，开挖时应进行爆破震动测试，求 得实测的k 、a 值，以严格控制单响药量和质点振动速度。 岩锚梁深孔受力锚杆的孔深应根据超挖情况重新计算，并用全站仪准确测量定位并 编号，对于废孔必须用非收缩干硬性砂浆补灌。岩锚梁锚杆安装之前，对层边线进行 预裂爆破，以减d q i i 层开挖对岩锚梁锚杆的扰动；厂房、v 层开挖前均先对上、下游 边墙进行预裂，以减小爆破震动对岩锚梁的不利影响。 为防止i i l v 层开挖飞石损伤岩锚梁混凝土表面，岩锚梁混凝土浇筑后，模板暂不 宜拆除，并采取在模板外侧包裹竹席等保护措施。 2 2 4 4 厂房相关洞室施工 与厂房相关的其它洞室包括厂房附属洞室、引水支管、尾水管等。 厂房附属洞室由厂房排水系统、交通系统、通风系统、高压出线系统等洞室组成， 其工程特点是断面较小、出渣困难、通风排烟条件较差。施工中应根据洞室围岩稳定需 要，结合工程设计要求，对不同洞室分清先后开挖次序，合理安排出渣运输通道，减少 对主体洞窒的施 ：干扰。 排水廊道及排风洞井应尽早形成，并及时完成排水孔施工，以降低地下水位，改善 围岩稳定条件和主体洞室通风条件。 河海大学工程硕上学位论文 引水支管、尾水管等与一房高边墙交叉的洞口宜提前安排施工，并穿入厂房2 m 以 上，保证在厂房高边墙开挖到该部位之前完成交叉洞口的锚喷支护或混凝土衬砌锁口。 母线洞因位于厂房及主变室之间无法提前开挖，需在厂房高边墙上开洞 ，在开洞口前 应完成厂房高边墙锁口锚杆施工，并在交叉口二倍母线洞洞径长度内采取先导洞后扩挖、 短进尺多循环的开挖方式，循环进尺不宣大于2 m ，开挖后及时进行支护，并加强监测， 以确保洞口围岩稳定。对其它洞与洞、洞与井交叉部位开挖，应参照前述方法进行。 2 3 主变室、母线洞施工 主变室布置于厂房下游，与其相连通的洞室有主变排风洞、主变进风洞、交通电缆 洞、主变运输洞、高压出线洞等。母线洞连通主变室和主厂房，其开挖断面一般为城门 涧型，上游侧通常设计为渐变段。 2 3 1 开挖及支护方案 根据主变室地质条件、结构特点及通道条件，主变室开挖通常分三层进行，其开挖、 锚喷支护施工方法与主副厂房类似，不再赘述。 母线洞上游进口渐变段一般不分层，从厂房层底板开口进洞。f 游侧则一般分上 下两层进行开挖支护： 上层：从主变室底层降坡进入工作面，单向掘进开挖。 下层：从厂房侧进入工作面。 由于母线洞之间岩墙厚度较小，开挖应间隔进行，以保证中问岩柱的稳定。母线洞 上有岩锚吊车梁，下有尾水支管，彼此相距较近，应力较为集中，其开挖将给厂房高边 墙的稳定带来不利影响，开挖过程中应严格控制单响药量，并及时支护。 2 3 2 母线洞开挖支护与厂房、主变室施工协调 母线洞开挖通常以厂房层及主变室底层作为施工通道，与厂房、主变室施工密切 相关，为保证厂房及主变室施工总进度不受影响，施工中一般采取如下协调措施：主变 室底层开挖过程中适时安排母线洞上层的开挖支护；厂房层开挖揭露母线洞上游洞口 后及时安排母线洞上游侧开挖；厂房v 层开挖支护滞后母线洞下层开挖，与母线洞下层 开挖平行施工；母线洞下层的锚喷支护施工从主变室进入，尽量缩短对厂房v 层的影响 时间。 2 4 洞室支护 2 4 1 支护类型 根据工程地质条件，地下洞室一般采用以锚喷柔性支护与刚性衬砌支护相结合的支 第二章地下厂房施工技术 护型式，但通常以柔性支护为主。支护类型主要有( 但不限于) ： ( 1 ) 砂浆锚杆：分为系统锚杆和随机锚杆，用于围岩浅层支护。 ( 2 ) 喷射混凝土：包括素混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等，用于围岩 表层支护或封闭围岩。 ( 3 ) 预应力锚索和锚杆：用于围岩深层锚固，锚索形式可分为粘结式、无粘结式、 对穿式三种，其中无粘结式锚索一般作观测用。 ( 4 ) 钢拱肋：主要用j 二大跨度洞室顶拱部位的支护。 ( 5 ) 钢支撑或格栅钢架：不良地质段加强支护。 ( 6 ) 管棚或超前小导管：不良地质段超前支护，一般与钢支撑或格栅钢架联合使用。 ( 7 ) 锚杆和各种喷射混凝土的组合：锚杆+ 钢筋网钢丝网+ 喷射混凝土的组合。 2 4 2 支护施工技术 2 4 2 1 技术要点 ( 1 ) 锚喷支护一般采用“设计一施工一监测一修正设计”的设计方法，支护方案适 用于预期的工程地质条件。 ( 2 ) 支护与开挖的问隔时间、施工顺序及相隔距离，应根据地质条件、爆破参数、 支护类型等因素确定，一般应在围岩出现有害松驰变形之前支护完毕。对稳定性差的围 岩，应支护紧跟掌子面或先支护后开挖。 ( 3 ) 锚喷支护通常采用先锚后喷的施工程序，但对软弱围岩、断层破碎带、节理裂 隙发育地段，应先喷一层混凝土进行封闭保护，然后施工锚杆、挂钢筋网，最后喷射混 凝土至设计厚度。 2 4 2 2 砂浆锚杆施工 砂浆锚杆造孔孔径应大于锚杆直径1 5 r a m 以上，一般按先注浆后插杆的程序施：亡， 施工中应采取措施保证锚杆杆体居中。 锚杆钻孔孔位偏差一般不大于l o c m ，孔深偏差不大于5 c m ，随机锚杆的孔向与可能 滑动面的倾向相反，其交角应大于4 5 。注浆前锚杆孔应冲洗干净并经验收合格，注浆 应饱满、密实，注浆后立即插秆。锚杆安装后，孔口加楔固定，7 2 h 内避免扰动，达到 规定龄期后抽样进行拉拔试验。 2 4 | 2 3 喷射混凝土施 ： 喷射混凝十采用专用混凝土喷车或混凝土喷射机分段分片依次进行，自下而上，分 层施喷，且宣采用湿喷工艺。挂钢筋网部位按“网一喷”或“喷一网一喷”的程序进行。 河海大学t 程硕士学位论文 钢筋网采用小直径i 级光面钢筋编焊而成，距离岩面3 5 c m 铺设并与锚杆外露杆体点 焊固定，中间用膨胀螺栓加密固定，网片间用铅丝扎牢。 喷射混凝土前清除岩面浮石，采用高压风、水冲洗岩面( 对易潮解的泥化岩层、破 碎带和其它不良地质带宜采用高压风清扫) ，埋设量测喷混凝土厚度标志，渗水部位埋设 导管或设盲沟排水。 喷射混凝士时喷嘴与岩面距离约o 7 1 2 m ，喷射方向大致垂直于岩面，每次喷射厚 度3 5 c m ，分次喷至设计厚度。混凝土终凝2 h 后进行养护。 2 4 2 4 粘结式预应力锚索施工 粘结式预应力锚索由锚头、高强钢丝或高强钢绞线、锚固件组成，系通过对高强钢 丝或高强钢绞线施加预应力，对被锚固体提供主动支护抗力的锚固结构。从结构形式上 可将锚索划分为内锚固段、自由张拉段、外锚固段三部分。 锚索施工前先进行现场试验，验证设计参数、检验施工工艺和测试张拉锁定后应力 衰变规律，提供超张拉或补偿张拉依据，以指导施工。锚索张拉设备须成套进行标定， 并按标定配套使用。 锚索钻孔丌孔偏差不宜大于l o o m m ，端头锚固孔的孔斜误差不大于孔深的2 ；钻 孔的尺寸、排渣情况、回水颜色、钻进速度、岩芯记录等数据应及时记录并进行判定； 若孔深已达到设计深度，仍处于破碎带或断层等软弱岩石时，应适当延长孔深。 锚索按实际孔深并满足张拉和设计要求的最小长度进行下料，按设计图纸进行编束， 设鸯隔离架、隔离板、止浆环等。锚索运输及安装时，需对索体进行临时保护，防止锚 索发生弯曲、扭转和损伤。 内锚段注浆前，分序冲洗钻孔，排除孔内渗水，检查管道是否通畅和封堵装置的密 封性。灌浆浆液配比通过试验确定，精确计算注浆量，通过注浆管连续缓慢灌注浆液， 当排气管排出的浆液与进浆比重相同，且不含气泡时即可结束。注浆结束1 2 h 以内，对 二次回浆管进行补浆。 孔口锚墩可采用现浇混凝土或预制锚墩。内锚段浆液及锚墩混凝土达到设计强度后， 进行张拉。整体张拉前先进行单根对称调直张拉，最后根据设计要求分级进行整体张拉。 张拉所用的设备额定值必须大于最大设计张拉值，并有富余，以确保重复使用后的精确 度仍能满足要求。张拉力应逐级加大，超张拉吨位应满足设计要求，即1 0 5 1 1 倍设计 值或经试验确定，持荷稳压1 0 2 0 m i n 。锁定4 8 h 内，若锚索应力下降到设计值以下时， 进行补偿张拉。 第二章地下厂房施1 二技术 封孔回填灌浆采用锚束中的灌浆管从锚具系统中的灌浆孔施灌，当排气管返浆浓度 与进浆浓度相同时，即可封闭排气管，闭浆灌注1 0 m i n 。在浆液初凝前进行不少于两次 的屏浆补灌，屏浆时问不少于3 0 r a i n ，压力不小于o 4 m p a 。 张拉锁定、回灌补浆结束后，将锚具外大于1 5c l l l 的钢绞线用切割片割除，并将外锚 固端按设计要求用混凝土等材料进行保护，保护厚度不小于l o c m 。 2 4 2 5 预应力锚杆施工 内锚式预应力锚杆的锚固剂一般采用树脂，杆体、钢垫板及螺帽在现场加工，树脂 卷和半球形垫圈采用厂家定型产品。锚固段采用速凝树脂卷，锚固长度根据树脂卷性能 并经现场试验后确定，张拉段采用缓凝树脂卷充填。 安装时先放八速凝树脂卷，并加防坠圈，然后将缓凝树脂卷一推入孔内，树脂卷 缓慢推入过程中不得撞破。然后利用钻孔设备将锚杆顶住药卷送入孔内，随搅拌随推进， 直至将杆体推到孔底，搅拌约3 0 秒后在孔口将杆体楔住。 锚固段树脂吲化后( 达到设计规定值) 、张拉段树脂固化前完成张拉，张拉采用扭力 扳手，在旌工前采用于斤项或压力机进行率定，取得张拉力与扭矩之间的关系曲线。张 拉时分级进行，达到设计吨位( 要留有足够的回弹值，设计值的1 0 5 - - 1 1 0 ) 并稳定 1 0 - 2 0 m i n 后锁紧。锁定后4 8 h 内，若锚杆应力下降到设训值以下时应进行补偿张拉。 2 5 小结 ( 1 ) 地下厂房为高边墙、大跨度地下洞室，多洞室交叉、相贯和多层次施工带来的 围岩稳定问题突出，施工中应特别注意工程本身的结构安全，必须严格按照规程规范和 批准的施工程序组织施工。开挖、支护与混凝土施工之间在平面、立面上均有交叉作业， 需加强现场指挥与协调，安全生产和文明施工必须引起足够的重视。 ( 2 ) 地下j 房开挖后，围岩会