水電站特大型地下洞室開挖新技術(shù)與實(shí)踐

烏東德水電站特大型地下洞室開挖新技術(shù)研究與實(shí)踐成果報(bào)告中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司二〇一六年十二月烏東德水電站特大型地下洞室開挖新技術(shù)研究與實(shí)踐成果報(bào)告1、項(xiàng)目概述烏東德水電站是金沙江水電基地下游河段四個(gè)水電梯級(jí)——烏東德、白鶴灘水電站、溪洛渡水電站和向家壩水電站的第一梯級(jí)，為我國(guó)在建第三大、世界第七大水電站。左岸地下電站主要大型洞室包括主廠房、主變洞、尾調(diào)室、出線豎井及輸水隧洞。主廠房開挖尺寸為長(zhǎng)333.0m×寬30.5m×高89.8m，其高度居世界第一，跨度居國(guó)內(nèi)第二、世界第四；主變洞開挖尺寸長(zhǎng)272.0m×寬18.8m×高35.0m；尾調(diào)室為半圓筒形結(jié)構(gòu)，頂部為球冠形穹頂設(shè)計(jì)，開挖半徑26.5m，開挖總高度113.5m，為目前世界最大的尾調(diào)室。主廠房、主變洞和尾調(diào)室淺層支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿（錨筋樁）+掛網(wǎng)噴混凝土型式，深層支護(hù)采用端頭錨索和對(duì)穿錨索。出線豎井開挖直徑14.2m，分為上、下兩段，上段深度146m，下段深度134m；輸水隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞，其中引水隧洞共布置6

條，每條均由上平段、豎井段和下平段組成，豎井段最大開挖深度約90m，開挖直徑為16.1m。本工程項(xiàng)目主要有以下特點(diǎn)。（1）主廠房地質(zhì)條件復(fù)雜，頂拱及高邊墻圍巖穩(wěn)定問題突出主廠房開挖揭露的主要工程地質(zhì)問題有小夾角層面、塊體、B

類角礫巖、較長(zhǎng)大緩傾角裂隙、短小緩傾角裂隙相對(duì)較發(fā)育區(qū)、小夾角長(zhǎng)大構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、溶洞等。其中為有效控制小夾角層面、塊體及B

類角礫巖對(duì)工程圍巖的影響，設(shè)計(jì)增加大量錨索進(jìn)行加固。而通常頂拱錨索一般采取布設(shè)錨固廊道的方式進(jìn)行，但烏東德水電站因地質(zhì)條件無法增布錨固廊道，且工程工期也不允許，因此錨索施工只能在廠房頂拱層進(jìn)行施工；而邊墻錨索的快速施工對(duì)高邊墻穩(wěn)定和廠房整體開挖進(jìn)度影響重大。（2）特大跨度穹頂開挖無成熟施工經(jīng)驗(yàn)，安全、質(zhì)量要求高尾水調(diào)壓室為半圓筒形結(jié)構(gòu)，穹頂最大跨度達(dá)53m，這種結(jié)構(gòu)型式在地下水電站工程中應(yīng)用較少，而如此大跨度的穹頂前所未有，沒有成熟施工經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)較高，設(shè)計(jì)對(duì)質(zhì)量要求較高。（3）主廠房巖錨梁施工質(zhì)量要求高，工期緊巖錨梁是廠房開挖過程中對(duì)質(zhì)量要求最高的部位，其開挖成型質(zhì)量直接影響巖錨梁運(yùn)行安全，而本工程主廠房小夾角和B

類角礫巖地質(zhì)條件給巖錨梁開挖帶來較大的難度；加之受頂拱增加錨索影響，廠房施工工期十分緊張。（4）出線豎井和引水豎井均為大斷面深豎井，且施工安全、進(jìn)度要求高以往豎井開挖采用反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，然后自下而上人工反擴(kuò)為較大直徑溜渣井，最后再正向二次擴(kuò)挖完成開挖；擴(kuò)挖井內(nèi)采用人工扒渣。這種方法存在危險(xiǎn)性大、工效低等不足，難以滿足工程施工要求。2、研制背景上個(gè)世紀(jì)80

年代，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家大型水利水電工程建設(shè)已基本結(jié)束。我國(guó)最早于上世紀(jì)40

年代開始地下電站的建設(shè)，在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平十分薄弱的條件下，建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平均處于十分落后的狀態(tài)。1980

后逐步引進(jìn)了先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)理論取得突破，施工技術(shù)不斷更新。截至2014

我國(guó)已建地下電站超過100

座，目前正處于突破發(fā)展階段，先后建成了一批單機(jī)大容量、洞室大跨度、開挖大規(guī)模、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜、穩(wěn)定高難度的地下電站。這一過程中在遵循“新奧法”理論的基礎(chǔ)上，也總結(jié)形成了一套大型地下洞室群開挖的成熟施工工法，但在地下洞室規(guī)模擴(kuò)大、地質(zhì)條件復(fù)雜，且施工生產(chǎn)安全及進(jìn)度要求進(jìn)一步提高的情況下，仍然遇到一些技術(shù)難題需亟待解決。烏東德水電站為國(guó)家“十二五”期間在金沙江下游建設(shè)的重大水電工程，備受各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門的重視。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，法律法規(guī)和規(guī)程規(guī)范的不斷完善，人們對(duì)生產(chǎn)安全的要求更加嚴(yán)格，更加注重以人為本，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)效率也有更高的要求。主要存在以下不足或技術(shù)難題需開展技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐總結(jié)。（1）大型廠房開挖已經(jīng)形成了成熟的“平面多工序，立體多層次”施工方法。這種施工方法淺層支護(hù)實(shí)現(xiàn)了無排架施工，但深層支護(hù)依然需要搭設(shè)排架實(shí)施。采取搭設(shè)排架的傳統(tǒng)施工方法，不僅占用工作面、施工干擾大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，且工效低，占錨索直線工期，影響施工進(jìn)度。而深層支護(hù)的進(jìn)度往往直接制約洞室下挖，尤其是大型洞室高邊墻的開挖，若深層支護(hù)未完成而繼續(xù)下挖，往往導(dǎo)致圍巖變形加大，超過允許值甚至出現(xiàn)高邊墻安全穩(wěn)定問題。鑒于此，非常有必要研究一種更加靈活、高效且安全的施工設(shè)備或方法。（2）以往對(duì)于球冠形穹頂?shù)拈_挖采取的是“先中導(dǎo)洞、再頂拱、最后兩側(cè)的分部分區(qū)”開挖方式，而對(duì)于特大洞室穹頂開挖，采用這種方法存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，且工效低、施工質(zhì)量控制難度大。（3）廠房巖錨梁的開挖支護(hù)已有成熟的施工技術(shù)，但在光爆孔、預(yù)應(yīng)力錨桿造孔環(huán)節(jié)仍然存在因人為因素或測(cè)量放樣難度較大而導(dǎo)致質(zhì)量難以保證的問題。（4）大型豎井的常用成熟方法為反井鉆機(jī)法，但由于機(jī)械化水平相對(duì)較低，存在危險(xiǎn)性較大、工效低、易堵井等問題3、主要技術(shù)難點(diǎn)（1）洞室頂拱及高邊墻錨索施工技術(shù)難度高、危險(xiǎn)性大、工效低。頂拱錨索為端錨型，鉆孔深度大且為大仰角，鉆孔、入索、注漿等關(guān)鍵工序施工操作難度非常大，且危險(xiǎn)性高；邊墻錨索有對(duì)穿型和端錨型，鉆孔精度要求高，施工工期壓力大。錨索施工采用傳統(tǒng)搭設(shè)排架作為操作平臺(tái)的施工方法，存在施工干擾大、安全風(fēng)險(xiǎn)大及工效低等問題。（2）特大跨度穹頂開挖難度大。特大跨度穹頂開挖可借鑒施工經(jīng)驗(yàn)極少，且由于地質(zhì)條件復(fù)雜，如何解決開挖過程中的圍巖穩(wěn)定，確保施工安全，同時(shí)保證施工質(zhì)量，是其主要技術(shù)難點(diǎn)。（3）廠房巖錨梁開挖支護(hù)質(zhì)量要求高。廠房巖錨梁巖臺(tái)開挖質(zhì)量要求高，預(yù)應(yīng)力錨桿鉆孔精度要求高，尤其在小夾角層面和B

類角礫巖等不良地質(zhì)體條件下，如何解決鉆孔過程中鉆桿偏斜問題，以及在凹凸不平開挖面對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿鉆孔傾角、方位角進(jìn)行精確快速放樣，是其主要技術(shù)難點(diǎn)。（4）傳統(tǒng)豎井開挖技術(shù)機(jī)械化水平低、安全風(fēng)險(xiǎn)大。如何突破傳統(tǒng)思路達(dá)到既快速又安全的開挖效果，是本項(xiàng)目需重點(diǎn)解決的難題。直接利用反井鉆機(jī)施工的小直徑導(dǎo)井進(jìn)行溜渣，并采用大型設(shè)備實(shí)施井內(nèi)鉆孔和扒渣作業(yè)，如何有效降低或避免堵井，以及解決大型設(shè)備安全、快速吊運(yùn)問題是主要技術(shù)難題。4、技術(shù)原理針對(duì)上述技術(shù)難題，依托公司承建的烏東德左岸地下電站洞室群開挖，展開了專項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，其主要內(nèi)容有以下五點(diǎn)：①洞室頂拱大仰角超深錨索施工技術(shù)研究；②高邊墻錨索精確鉆孔快速施工技術(shù)研究；③巖錨梁精細(xì)開挖支護(hù)技術(shù)研究；④特大跨度穹頂精確安全開挖技術(shù)研究；⑤大型豎井快速安全開挖技術(shù)研究。4.1

地下洞室錨索施工新技術(shù)4.1.1

地下洞室頂拱大仰角超深錨索施工技術(shù)烏東德水電站左岸地下電站主廠房和主變洞在頂拱層開挖過程中，揭露大量塊體和B類角礫巖區(qū)，為此設(shè)計(jì)增加了大量預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。錨索鉆孔垂直于開挖面，深度為25～36m，頂拱層開挖后空間最大高度達(dá)12m，傳統(tǒng)錨索施工方法采用搭設(shè)排架作為操作平臺(tái)，布置導(dǎo)軌式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，后續(xù)各工序均需利用排架進(jìn)行施工。對(duì)于頂拱大仰角超深錨索施工，傳統(tǒng)方法需承重排架以滿足鉆機(jī)自重，以及鉆孔過程中的動(dòng)荷載和幾十米長(zhǎng)的鉆具的自重，且施工工效低、排架作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大。（1）研發(fā)履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)為解決上述問題，工程技術(shù)人員研發(fā)了一種履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)（圖4-1），這種鉆機(jī)依靠自身履帶總成作為操作平臺(tái)和行走機(jī)構(gòu)，鉆機(jī)滑架通過液壓可伸縮主臂與履帶總成連接，使水平鉆孔高度最大可達(dá)8.5m，也可進(jìn)行頂拱大仰角錨索鉆孔，不僅無需搭設(shè)排架，對(duì)作業(yè)面要求低，且可實(shí)現(xiàn)自行行走；同時(shí)，該鉆機(jī)液壓輔臂上安裝有輔助作業(yè)平臺(tái)，用于輔助錨索注漿、錨墩施工、張拉等工序；并在鉆機(jī)滑槽上設(shè)置導(dǎo)向裝置解決了開孔、鉆孔精度控制問題。圖

4-1

新型液壓高臂履帶鉆車履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)由電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力帶動(dòng)液壓油泵形成壓力油，通過換向閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)及液壓缸工作，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)行走、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)及鉆架變換角度，完成各種預(yù)定動(dòng)作；由空壓機(jī)提供壓縮空氣，經(jīng)沖擊風(fēng)閥控制驅(qū)動(dòng)沖擊器工作進(jìn)行鉆孔作業(yè)；采用馬達(dá)加齒輪減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，大油缸倍速給進(jìn)，提拔力大，油箱散熱好，全液壓系統(tǒng)性能可靠。且在常規(guī)鉆機(jī)滑架底部增加了一個(gè)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)支撐臺(tái)，可使滑架全方位旋轉(zhuǎn)，使動(dòng)力頭適應(yīng)不同角度鉆孔，大幅提高了鉆機(jī)的靈活性和適應(yīng)性，且工作效率高。履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)性能參數(shù)見下表。表

4-1履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)主要性能參數(shù)表序號(hào)主要性能參數(shù)項(xiàng)目鉆孔直徑單位mm參數(shù)值Φ110-Φ2603-120備注1234567鉆孔深度m鉆桿規(guī)格mmΦ89-Φ1500-360鉆孔角度°動(dòng)力頭輸出轉(zhuǎn)速動(dòng)力頭輸出最大扭矩動(dòng)力頭最大行程rpmN.Mmm42650018008動(dòng)力頭最大提升力動(dòng)力頭最大進(jìn)給力液壓系統(tǒng)額定壓力電機(jī)功率KNKNMpaKWm86520-86

可調(diào)0-52

可調(diào)91011121314151637側(cè)向水平鉆孔最低高度鉆車最高鉆孔高度主風(fēng)管直徑0.88.532mmmmm滑架補(bǔ)償長(zhǎng)度900（2）研發(fā)錨索液壓自動(dòng)送索裝置洞室頂拱錨索入索，因錨索自重大，隨著深度增加送索難度越來越大，送索至一定程度就難以繼續(xù)進(jìn)行。烏東德左岸廠房頂拱錨索施工期間，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，僅送索耗時(shí)最長(zhǎng)達(dá)16h。之后采用了一種豎向錨索快速送索裝置，雖然可保證錨索順利入索，但操作比較繁瑣，且需兩臺(tái)吊車配合實(shí)施，成本較大。為進(jìn)一步提高工效和安全性，研制出一種錨索液壓自動(dòng)送索裝置（國(guó)家發(fā)明專利號(hào)：ZL2014

1

0250361.1），該裝置安裝在吊車大臂頂端或履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)液壓輔臂頂端，人工只需配合索體一端穿入錨索液壓自動(dòng)送索裝置的導(dǎo)向管，操作吊車就位，然后在地面操作液壓控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)錨索快速自動(dòng)入索（圖4-2），解決了錨索重量大、葫蘆配合人工送索速度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)大的難題，大大提高了施工效率。送索裝置送索裝置吊車臂圖

4-2

錨索液壓自動(dòng)送索裝置（3）豎向錨索高壓止?jié){技術(shù)為提高錨索運(yùn)行耐久性，同時(shí)考慮提高錨索孔周邊巖體的整體性和承載力，更好發(fā)揮錨索的錨固作用，錨索孔均需進(jìn)行灌漿。通常采用水泥漿灌注，灌漿壓力一般為0.3～0.5MPa。而對(duì)于頂拱豎向錨索灌漿，孔口止?jié){裝置需承受設(shè)計(jì)灌漿壓力和漿液自重產(chǎn)生的壓力，孔深40m

左右大仰角鉆孔，孔口止?jié){裝置實(shí)際承受的壓力達(dá)到1.0MPa

左右。受高壓力影響，常規(guī)氣囊式止?jié){環(huán)在灌漿中易出現(xiàn)漏漿，甚至出現(xiàn)止?jié){環(huán)破裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響灌漿質(zhì)量和施工進(jìn)度。為此進(jìn)行了施工工藝改進(jìn)，即利用氣囊式止?jié){環(huán)阻塞孔口，并增加一根進(jìn)漿管，限量灌入濃水泥漿或水泥砂漿，在孔口形成2～3m

高漿液柱，待凝后作為止?jié){裝置，24h

后可進(jìn)行后續(xù)灌漿作業(yè)。由于凝固后的漿液柱具有良好的止?jié){效果，且可承受很大壓力，解決了頂拱豎向錨索高壓止?jié){的技術(shù)難題，并在一定程度上提高了工效，保證了施工質(zhì)量。4.1.2

高邊墻錨索施工技術(shù)（1）研發(fā)的履帶式可伸縮雙臂多功能錨索鉆機(jī)亦可應(yīng)用與高邊墻錨索鉆孔施工。該鉆機(jī)水平鉆孔高度可達(dá)8.5m，而廠房開挖分層高度一般為4～8.0m，剛好可以滿足每層開挖后的錨索鉆孔需要。（2）對(duì)穿錨索鉆孔精度控制技術(shù)烏東德左岸地下電站主廠房與主變洞、主變洞與尾調(diào)室之間均布置有對(duì)穿型預(yù)應(yīng)力錨索，造孔深度33.25m/45m，設(shè)計(jì)要求鉆孔允許偏斜不大于孔深的2%。在對(duì)穿錨索施工初期，鉆孔穿孔位置偏差較大，一次鉆孔合格率平均僅71.6%，重新鉆孔不僅影響工期，而且增加成本投入。為解決對(duì)穿錨索鉆孔精度控制的問題，通過仔細(xì)研究分析，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)形成了一套有效的對(duì)穿錨索鉆孔精度控制技術(shù)。一是對(duì)鉆桿增加扶正器，根據(jù)鉆孔深度在鉆桿適當(dāng)位置安裝扶正器，從而調(diào)整沖擊器與鉆桿之間的重力平衡以及主副扶正器之間的相對(duì)位置，以保證鉆頭始終處于設(shè)計(jì)鉆孔中心軸線上（圖3-5）。一般在第3

根鉆桿（一般長(zhǎng)1.5m）后加設(shè)第1

根扶正器，再鉆進(jìn)6～7

根鉆桿時(shí)加設(shè)第2

根扶正器，再鉆進(jìn)8～9

根鉆桿時(shí)加設(shè)第3

根扶正器，在鉆進(jìn)過程中需退出鉆桿2～3

次檢查鉆孔，并根據(jù)偏斜情況及時(shí)調(diào)整主、副扶正器之間距離。二是根據(jù)地質(zhì)條件適時(shí)調(diào)整開孔參數(shù)及鉆進(jìn)參數(shù)，一般情況下若開孔地質(zhì)條件較好，則控制鉆桿上傾6±0.5°，鉆進(jìn)速度控制在4～5m/h，若地質(zhì)條件較差，則控制鉆桿上傾6.5±0.5°（一般取偏大值），鉆進(jìn)速度控制在3～4m/h。三是對(duì)開孔前視點(diǎn)和后視點(diǎn)進(jìn)行精確放樣，即在錨索孔位上方邊墻精確放出前視點(diǎn)，在錨索孔上方用鋼筋焊制后視點(diǎn)支架，在此支架上精確放出后視點(diǎn)，從而精確控制鉆孔方位角偏差。圖

4-3

水平對(duì)穿錨索鉆孔糾偏原理示意圖（3）自脹式止?jié){技術(shù)地下洞室錨索灌漿通常采用氣囊式止?jié){環(huán)止?jié){，但氣囊止?jié){環(huán)固定困難，施工中易發(fā)生移動(dòng)或損壞，止?jié){效果較差，影響施工質(zhì)量；同時(shí)，施工需配備專用供風(fēng)設(shè)備，灌前需提前充氣、預(yù)灌檢查，灌漿中還需適時(shí)提高止?jié){氣囊的充氣壓力以防漏漿。為此，研制出一種自脹式止?jié){裝置（如圖3-3、3-4

所示），即在止?jié){包包裹的注漿管上預(yù)留長(zhǎng)約5cm

的缺口，止?jié){包一般采用帆布制作，注漿時(shí)利用漿液及壓力充脹止?jié){包，有效填充索體和孔壁之間的空隙，實(shí)現(xiàn)止?jié){功能，并利用漿液流動(dòng)阻力形成的進(jìn)、回漿壓力差提高止?jié){效果，從而保證錨索灌漿質(zhì)量，并可節(jié)省工序、縮短灌漿時(shí)間。充

填

空

隙

帆

布錨

索

鉆

孔A

25mm灌

漿

管回

漿

管帶

PE鋼

絞

線孔

外

側(cè)雙

層

帆

布預(yù)

留

5cm剖

口無

鋅

鉛

絲

捆

扎海

綿圖

4-4

自脹式止?jié){裝置結(jié)構(gòu)示意圖4.2

特大跨度穹頂精確安全開挖技術(shù)烏東德左岸地下電站設(shè)計(jì)布置3

個(gè)尾調(diào)室，呈“一”字型排列，調(diào)壓室之間巖體最小厚度約30m，調(diào)壓室上部由11.20m×23.00m（城門洞型，襯砌后，寬×高）閘門廊道相連，尾水檢修閘門設(shè)在調(diào)壓室內(nèi)上游側(cè)。每個(gè)尾調(diào)室上游側(cè)高程約875.6m

布置一施工支洞。單個(gè)尾水調(diào)壓室形狀為半圓筒型，穹頂呈球冠形（圖4-5），半徑為26.50m，即最大開挖跨度53.0m，面積約1450

㎡；調(diào)壓室頂部高程886.5m，閘門廊道開挖底板高程851.3m，閘門廊道頂拱高程876.0m。4.2.1

特大跨度穹頂開挖技術(shù)（1）施工通道布置按照地下洞室開挖“自上而下”的一般原則，結(jié)合尾調(diào)室頂拱開挖高度，須首先完成頂拱上部開挖。因此，在每個(gè)尾調(diào)室頂拱上部布置一條施工通道（8#、8-1#、8-2#支洞），與尾調(diào)室上游側(cè)左廠8#支洞連接。該通道的布置需考慮施工設(shè)備的型號(hào)尺寸、施工方便安全。尾調(diào)室穹頂開挖總高度35.2m；穹頂上游側(cè)布置有閘門廊道，連通3

個(gè)尾調(diào)室。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可利用閘門廊道布置尾調(diào)室球冠下部開挖通道。（2）施工程序及方法1）開挖分層及程序根據(jù)尾水調(diào)壓室高程851.3m

以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工機(jī)械的性能，并結(jié)合施工通道布置，尾調(diào)室高程851.3m

以上分為4

層進(jìn)行開挖支護(hù)。第Ⅰ層最大高度10.9m，第Ⅱ～Ⅳ層開挖高度分別為7.02m、8.58m

和8.7m。其中第Ⅰ層分為4

區(qū)7

序進(jìn)行開挖，為保證施工安全，中間預(yù)留直徑10.0m

巖柱。尾調(diào)室穹頂開挖分層、分序及第Ⅰ層分區(qū)見下圖4-5。圖

4-5

尾調(diào)室開挖結(jié)構(gòu)布置及開挖分層、分區(qū)、分序示意圖按照上述開挖分層、分區(qū)，為保證施工質(zhì)量、安全，尾調(diào)室穹頂開挖支護(hù)施工程序?yàn)椋孩?/p>

先開挖1#、3#室，再開挖2#室，單個(gè)尾調(diào)室遵循“自上而下、分層開挖”；②

第Ⅰ層球形頂采取中心預(yù)留巖柱、兩邊環(huán)形開挖方式進(jìn)行，分4

區(qū)7

序開挖，開挖順序?yàn)椋涵h(huán)形導(dǎo)洞開挖→導(dǎo)洞上部保護(hù)層開挖→預(yù)留巖柱上部開挖→預(yù)留巖柱下部開挖→周邊環(huán)形保護(hù)層開挖。Ⅰ區(qū)為中導(dǎo)洞開挖，從施工支洞至巖柱（寬8.5m），Ⅱ區(qū)為環(huán)形導(dǎo)洞開挖（寬8.5m）及保護(hù)層開挖，分左右兩工作面施工；Ⅲ區(qū)為中間巖柱，直徑10m，先開挖頂拱部分，之后開挖下部巖柱；Ⅳ區(qū)為周邊保護(hù)層開挖，結(jié)合支護(hù)錨桿施工空間需要和閘門廊道第一層開挖進(jìn)行；③

第Ⅱ～第Ⅳ層結(jié)合閘門廊道開挖，2#、3#室第Ⅱ～第Ⅲ層廊道開挖利用1#室頂部通道，第Ⅳ層利用尾調(diào)交通洞，1#室廊道開挖利用尾調(diào)交通洞作為通道。第Ⅱ～第Ⅳ層球形周邊預(yù)留保護(hù)層水平開挖，中間部位利用閘門廊道開挖后的臨空面采用梯段開挖。2）施工方法尾調(diào)室上部開挖利用左廠8#、8-1#

、8-2#

支洞和尾調(diào)交通洞作為施工通道，主要采用自制型鋼臺(tái)車配YTP28

型氣腿鉆人工掘進(jìn)，中部采用潛孔鉆梯段爆破，閘門廊道開挖采用自制型鋼臺(tái)車配氣腿鉆水平掘進(jìn)。第Ⅰ層周邊環(huán)向?qū)Ф床扇∈诛L(fēng)鉆造孔楔形掏槽爆破開挖，周邊光爆成型；中導(dǎo)洞頂部保護(hù)層采取手風(fēng)鉆造孔光面爆破成型，由于受轉(zhuǎn)彎限制，因此需控制循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，且內(nèi)弧進(jìn)尺應(yīng)小于外弧進(jìn)尺；第Ⅰ層周邊（Ⅳ區(qū)）采取手風(fēng)鉆水平造孔光面爆破方式進(jìn)行開挖；預(yù)留巖柱分為上、下兩部分爆破開挖。分先光面爆破上部、然后梯段爆破下部和先爆破下部再光爆上部?jī)煞N方法?？紤]尾調(diào)室地質(zhì)條件相對(duì)較差，若先完成下部爆破開挖，上部出于倒懸狀態(tài)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。經(jīng)研究、討論后本工程采取“先上部光爆開挖、再下部梯段爆破開挖”的方法進(jìn)行預(yù)留巖柱的開挖；第Ⅱ～Ⅳ層采取中部潛孔鉆造孔梯段爆破；周邊預(yù)留保護(hù)層手風(fēng)鉆造孔光面爆破方式進(jìn)行開挖。周邊保護(hù)層光爆可采取豎向光爆和水平光爆兩種方式進(jìn)行。4.2.2

精細(xì)球面爆破設(shè)計(jì)尾調(diào)室球冠形結(jié)構(gòu)面開挖爆破設(shè)計(jì)，根據(jù)不同開挖層的不同鉆孔高程，結(jié)合設(shè)定的超欠挖控制技術(shù)要求，對(duì)不同分層的爆破鉆孔循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行逐孔設(shè)計(jì)。為保證開挖質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)詳細(xì)理論計(jì)算，確定合適的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)。第Ⅰ層環(huán)向中導(dǎo)洞斷面為城門洞型，采用楔形掏槽爆破開挖，受該層平面半徑限制，內(nèi)弧鉆孔進(jìn)尺僅0.49cm，外弧按照孔底技術(shù)超挖10cm

控制，鉆孔進(jìn)尺為1.35m，周邊孔距0.5m；頂部保護(hù)層爆破，內(nèi)、外弧鉆孔進(jìn)尺與中導(dǎo)洞相同，結(jié)構(gòu)面光爆孔間距40cm。由于內(nèi)外弧進(jìn)尺不同，為保證掌子面盡量以平面環(huán)向推進(jìn)，保證下一循環(huán)造孔精度滿足要求，每個(gè)光爆孔造孔深度均在爆破設(shè)計(jì)中予以標(biāo)識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)精確放樣、精確鉆孔。第Ⅰ層周邊環(huán)向（Ⅳ區(qū)）開挖采取水平鉆孔光面爆破。按照外弧鉆孔技術(shù)超挖小于10cm控制，鉆孔孔深0.81m～1.41m，孔距40cm。該層結(jié)構(gòu)面光爆鉆孔要求同導(dǎo)洞頂部保護(hù)層，每個(gè)光爆孔均應(yīng)按照爆破設(shè)計(jì)放樣、標(biāo)記、鉆孔。第Ⅱ～Ⅳ層周邊結(jié)構(gòu)開挖光面爆破均采取詳細(xì)理論計(jì)劃達(dá)到精細(xì)爆破設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)實(shí)施放樣、標(biāo)記和鉆孔。圖

4-6

尾調(diào)室第Ⅰ層Ⅱ區(qū)爆破鉆孔及聯(lián)網(wǎng)布置圖圖

4-7

Ⅱ區(qū)頂部周邊孔鉆孔俯視圖4.3

巖錨梁精細(xì)開挖支護(hù)技術(shù)地下廠房巖錨梁是廠房開挖質(zhì)量要求最高的部位之一，也是最能體現(xiàn)施工技術(shù)的部位。烏東德左岸主廠房巖錨梁長(zhǎng)度333.0m，巖錨梁巖臺(tái)水平寬度1.0m，巖臺(tái)傾角34°。為確保巖錨梁成型質(zhì)量及爆破影響深度在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，在正式開挖前首先進(jìn)行模擬爆破試驗(yàn)，通過模擬試驗(yàn)總結(jié)出合適的開挖工藝、爆破參數(shù)及管理方法，并對(duì)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出解決辦法，最終得到最優(yōu)施工工藝。（1）精細(xì)放樣為確保不欠挖，開孔位置需較設(shè)計(jì)邊線向巖體內(nèi)偏移3～4cm，不小于鉆頭半徑，鉆孔角度宜向巖體內(nèi)偏移1°～2.5°，孔底距離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線6～8cm（圖4-8）。圖

4-8

巖錨梁保護(hù)層鉆孔角度示意圖（2）巖錨梁豎向光爆孔鉆孔樣架采取搭設(shè)鋼管樣架固定“預(yù)制組合導(dǎo)向管”方式（圖4-9），并設(shè)置限位桿；預(yù)制組合導(dǎo)向管為巖錨梁開挖首次應(yīng)用；斜向光爆孔樣架斜向?qū)蚬荛L(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行加工，端頭距巖面3～5cm。圖

4-9

巖錨梁光爆鉆孔預(yù)制組合導(dǎo)向管樣架（3）巖錨梁豎向及斜面光爆鉆孔采用“鉆孔精度精確控制裝置”（專利號(hào)：ZL201520240573.1）控制鉆孔精度（圖4-10），該裝置與“預(yù)制組合導(dǎo)向管”配合使用，有效保證了開挖質(zhì)量。圖

4-10

巖錨梁光爆鉆孔精度控制裝置使用示意圖（4）巖錨梁設(shè)置兩排預(yù)應(yīng)力受拉錨桿和一排受壓錨桿，其設(shè)計(jì)鉆孔角度允許偏差不大于2°，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖面凹凸不平，錨桿數(shù)量大，為保證該錨桿鉆孔傾角和方位角精確快速放樣，研發(fā)了“一種錨桿鉆孔快速精確定位裝置”（專利號(hào)：ZL201420214275.0，圖4-11），該裝置利用光學(xué)原理輔以羅盤或角度尺配合，從鉆孔前放樣至鉆機(jī)就位開孔，全過程對(duì)鉆孔孔位、傾角等參數(shù)進(jìn)行精確控制，保證鉆孔滿足設(shè)計(jì)要求。圖

4-11

錨桿鉆孔快速精確定位裝置示意圖4.4

大斷面深豎井開挖新技術(shù)4.4.1

小直徑溜渣井式豎井開挖技術(shù)本施工技術(shù)采用BMC200

型反井鉆機(jī)施工φ1.4m

導(dǎo)井后，直接利用該導(dǎo)井作為溜渣井進(jìn)行豎井正向擴(kuò)挖，省去傳統(tǒng)方法人工反擴(kuò)為較大直徑溜渣井的程序，擴(kuò)挖采用全斷面循環(huán)爆破進(jìn)行；通過優(yōu)化爆破參數(shù)，控制爆破塊度，利用反井鉆機(jī)反拉形成的導(dǎo)井具有井壁光滑、軸線順直的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)順利溜渣，堵井幾率大大下降。圖

4-12

小直徑溜渣井式豎井開挖工藝流程示意圖溜渣結(jié)束后采用井蓋對(duì)導(dǎo)井井口進(jìn)行封閉防護(hù)，與傳統(tǒng)施工方法中3.4m

直徑的溜渣井相比，本技術(shù)中導(dǎo)井?dāng)嗝嫘?，防護(hù)更簡(jiǎn)單、方便，無論是在溜渣還是其他作業(yè)過程中安全均更有保障。圖

4-13

溜渣井井口采用井蓋覆蓋封閉4.4.2

大型提升系統(tǒng)綜合應(yīng)用及井內(nèi)機(jī)械化作業(yè)針對(duì)豎井施工通道布置困難的特點(diǎn)，采用龍門式起重機(jī)/卷揚(yáng)機(jī)等提升設(shè)備作為設(shè)備和材料運(yùn)輸?shù)闹饕┕な侄?。?）對(duì)于井口有足夠?qū)挾绕脚_(tái)的豎井，在井口布置有軌門式起重機(jī)（圖4-12、14），可滿足吊運(yùn)大型設(shè)備的需要，小型機(jī)具及材料的吊運(yùn)自然解決；對(duì)于上部設(shè)置彎段的豎井，則布置大型卷揚(yáng)機(jī)為主要提升手段，同時(shí)在井口布置我公司自主研發(fā)的“豎井施工可滑動(dòng)井蓋”（圖4-15、16），輔助大型設(shè)備出、入井內(nèi)的垂直吊運(yùn)，亦可用于小型機(jī)具和材料的吊運(yùn)?！柏Q井施工可滑動(dòng)井蓋”主要由主梁（含軌道）和上部可滑動(dòng)井蓋兩部分組成。施工時(shí)，先關(guān)閉滑動(dòng)井蓋→設(shè)備/材料停放在可滑動(dòng)井蓋上→將設(shè)備/材料吊起→打開滑動(dòng)井蓋→設(shè)備/材料運(yùn)送下井。圖

4-14

烏東德出線豎井井口門式起重機(jī)4-15

引水豎井開挖施工布置斷面示意圖圖

4-16

引水豎井開挖“豎井施工可滑動(dòng)井蓋”應(yīng)用影像圖井口布置大型提升設(shè)備，不僅為豎井開挖期間井內(nèi)采用大型鉆機(jī)鉆孔、反鏟扒渣提供了設(shè)備保障，使得大型豎井開挖實(shí)現(xiàn)全面機(jī)械化快速安全施工成為可能，同時(shí)該提升系統(tǒng)可延用至后期混凝土及金結(jié)施工期，做到了設(shè)備布置一次到位、長(zhǎng)期使用的效果，且該設(shè)備在工程結(jié)束后可回收利用，有利于降低施工成本，綜合效益顯著。（2）井內(nèi)機(jī)械化作業(yè)大型豎井開挖目前沿用一般豎井開挖的傳統(tǒng)方法，井內(nèi)作業(yè)主要以人工為主，機(jī)械化程度低，施工速度慢。本項(xiàng)目中布置門式起重機(jī)/大型卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)及相應(yīng)的提升輔助設(shè)施，可將CM358

型液壓鉆機(jī)吊運(yùn)至井內(nèi)工作面進(jìn)行主爆孔鉆孔，爆破完成后可將反鏟吊運(yùn)入井進(jìn)行扒渣作業(yè)（圖4-17），工效大大提高，安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。圖

4-17

豎井開挖

CM358鉆機(jī)及反鏟井內(nèi)作業(yè)影像圖（3）沿豎井井壁布置載人吊籃，吊籃采用成品建筑吊籃，自帶小型提升機(jī)，配備安全繩、安全鎖、防墜器等安全設(shè)施。實(shí)現(xiàn)載人、載物系統(tǒng)的分離，方便現(xiàn)場(chǎng)施工及建設(shè)“四方”對(duì)豎井施工安全質(zhì)量的管理。與傳統(tǒng)沿井壁布置爬梯相比，載人吊籃運(yùn)行速度更快，安全可靠性更高，也避免了人員上下井過程中因疲勞或腳下失穩(wěn)而引發(fā)安全事故。4.4.3

豎井開挖精度控制技術(shù)豎井深度較大，開挖至一定深度后，采用常規(guī)測(cè)量方法對(duì)開挖質(zhì)量的控制難度較大且較繁瑣，影響開挖質(zhì)量。為此在門式起重機(jī)或型鋼平臺(tái)上安裝天底儀（圖4-15），借助天底儀進(jìn)行豎井開挖測(cè)量放樣，控制豎井開挖垂直度和超欠挖，為后期混凝土施工質(zhì)量打下基礎(chǔ)。圖

4-15

天底儀現(xiàn)場(chǎng)安裝影像圖5、主要技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)（1）地下洞室頂拱大仰角超深錨索施工技術(shù)采用自主研發(fā)的多功能錨索鉆機(jī)進(jìn)行錨索造孔施工，避免了傳統(tǒng)施工技術(shù)搭設(shè)排架所帶來的工效較低、影響交通、安全風(fēng)險(xiǎn)大、占?jí)合聦幼鳂I(yè)面等問題；采用自主發(fā)明的“一種錨索液壓自動(dòng)送索裝置”（發(fā)明專利號(hào)：ZL201410250361.1）實(shí)施入索，大大提高了施工工效、降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了廠房開挖支護(hù)全機(jī)械化作業(yè)；上述兩種設(shè)備亦可應(yīng)用與高邊墻錨索施工。另外針對(duì)大仰角錨索灌題，漿施工中常出現(xiàn)止?jié){環(huán)脫落的問采用“止?jié){柱”灌漿工藝，解決了豎向錨索注漿漏漿難題，保證了施工質(zhì)量。（2）特大地下洞室穹頂精確安全開挖技術(shù)充分利用爆破理論和鉆爆技術(shù)的進(jìn)步，解決球冠形穹頂?shù)拈_挖成型與穩(wěn)定問題。研發(fā)了地下洞室特大穹頂開挖施工方法（發(fā)明專利號(hào)：ZL201310065562.X），既解決了特大跨度穹頂開挖變形大、安全風(fēng)險(xiǎn)大的問題，又降低了開挖難度，保證了開挖質(zhì)量；采用精細(xì)球面爆破設(shè)計(jì)技術(shù)，為球冠形開挖結(jié)構(gòu)面開挖成型質(zhì)量提供了技術(shù)保障。（3）巖錨梁精細(xì)開挖技術(shù)采用自主發(fā)明的“鉆孔精度精確控制裝置”（專利號(hào)：ZL201520240573.1）輔以“預(yù)制組合導(dǎo)向管”進(jìn)行巖錨梁光爆孔鉆孔、成孔PVC

管保護(hù)、個(gè)性化爆破設(shè)計(jì)、巖臺(tái)鎖腳壓邊保護(hù)等精細(xì)控制技術(shù)，創(chuàng)造了巖臺(tái)平整度6.4cm，半孔率98.5%的巖錨梁開挖樣板工程。（4）大斷面深豎井小直徑溜