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1、向家坝地下厂房主要技术难点报告人：向家坝施工局总工程师李汉臣一、对于地下洞室工程的认识和展望根据本人曾经参与或正在实施的地下洞室工程施工经验，认为地下洞室工程 与地面工程相比有以下特点：其一，地下洞室工程存在围岩稳定问题；其二，地 下洞室工程布置于狭小的地下空间内， 通风散烟及降尘困难；其三，受空间布置 条件、相邻洞室间围岩稳定及施工成本制约，施工通道布置相对困难；其四，受 空间作业条件限制，地下工程施工机械设备配置相对专业化。 以下就上述问题谈 谈本人对地下工程的认识。1、洞室围岩稳定问题地下洞室围岩稳定是确保施工安全和工程安全的前提和基础， 合理的施工程 序和喷锚支护是保证洞室围岩稳定的核
2、心手段和方法。 地下工程施工中遇到不良 地质条件下的常用隧道开挖施工方法为 “超前勘探、超前支护、短进尺、弱爆破、 勤支护”。2、通风散烟和降尘受洞室内空间条件限制，洞内各种天然毒有害气体、人为造成的各种烟雾尘 埃易于聚集，因此，为改善地下工程的作业环境，一方面必须采用强制机械通风 手段加强与洞外新鲜空气置换速度，另一方面尽量减少人为洞内污染。洞内空气污染源主要有：洞内天然有毒有害气体（如瓦斯、硫化氢、氯气等）、 爆破烟尘、燃油机械（如汽车、挖掘机、装载机等）产生的油烟、各种金属结构 及钢筋焊接产生的有害气体等。对于洞内天然有毒有害气体（如瓦斯、硫化氢、氮气等），只能加强日常监测 并通过强制机
3、械通风将其有害气体或放射性物质浓度降低到对人体不产生危害 的程度。对于开挖爆破产生的尘埃，有效且常用的处理手段为爆破前后做洒水降尘处 理，特别是爆破后宜立即洒水。当然，还得规定洞内造孔作业必须打水钻。洞室内外温差决定洞室内外空气自然置换速度， 因此，从节约通风费用出发， 冬夏季节可适当减少机械通风（因为冬夏季节洞内外温差大，自然通风强度相对 较高），而春秋季节则应加强机械通风。以上讲述了洞内污染的处理方式，同时还要尽量减少洞内污染。根据本人认 识，洞内施工机械需要进行一场大的革命， 即彻底改变洞内施工机械以燃油机械 为主的现状，由燃油机械向电动机械变革。这需要我们用户、高等科研院校和机 械制造
4、厂联合进行攻关或在国家层面制定相关法律、法规方能实现。而对于金属 结构的焊接连接产生的有害气体，一方面需尽量减少洞内焊接连接工程量， 从设 计和施工方案源头尽量考虑怫接、 螺栓连接等机械连接技术，如向家坝地下厂房 内钢筋连接基本均采用钢筋机械连接技术，如此大大降低了洞内污染。另一方面， 对于必须采用焊接连接的结构件，尽可能在洞外焊接后运输施工现场。3、施工通道布置问题地下厂房系统的大断面高边墙洞室分层施工通道布置一直是地下厂房施工 中的难点，通过向家坝地下厂房洞室群施工实践并参照其他地下厂房施工经验， 水电站地下厂房一般均布置有引水洞、 尾水洞、进厂交通洞、母线洞、排水廊道、 通风安全洞等永久
5、性建筑物，其次地下厂房系统中尚遗留有原勘测设计阶段施工 的地质探洞。施工支洞的布置应在保证永久性建筑物安全的前提下，充分地结合这些永久性建筑物进行布置，同时兼顾一洞多用的功能，以达到经济、节约的目 的。具体地说，施工支洞的布置应根据如下原则进行：、依据建筑物的布置情况和地形、地质条件等基础资料进行综合考虑；、根据各永久洞室施工进度要求、总体施工程序安排并结合永久及现有洞室如 进厂交通洞、通风洞、引水洞、尾水洞、工程勘探期留下的地质探洞及其它施工 支洞的布置，尽量利用永久或现存洞室作为施工通道， 以减少洞室开挖工程量和 洞室封堵工程量，节约投资；、施工支洞布置尽量满足引水系统、厂房系统和尾水系统
6、施工的相对独立性， 确保三大系统施工总进度及合同接点工期要求；、施工支洞布置要与工程主关键线路（一般是厂房）相协调，满足工程主关键 线路上平面多工序、立面多层次的施工组织要求，以保证工程施工均衡、有序进 行；、一般情况下，厂房系统工期最为紧张，具施工支洞的布置尽量为主厂房各层 开挖提供多通道条件；、施工支洞的布置应使洞轴线短、洞线穿越区域围岩稳定，洞线尽量顺直，弯 段的转弯半径应符合运输通行要求；隧洞底坡一般不超过10%,最大不超过15%, 且陡坡段的长度不应超过50m;、施工支洞的断面尺寸以满足运输要求为第一要素，除此之外应综合考虑通风散烟、排水布置；在此基础上，尽可能减小直墙高度以减少开挖
7、量；、同一高程上永久洞室较多的部位， 施工支洞以连通所有洞室为宜，以满足同 一高程上的洞室间隔施工的要求；尽可能使主洞与施工支洞以最优的夹角相交， 减少交叉部位的开挖量与支护量，又兼顾转弯通畅；、两洞立体相交，低洞顶板安全厚度不小于 1倍安全厚度，并加强支护；、所有支洞的转弯半径均不宜小于 15m。总之，施工支洞的布置与断面设计要综合考虑施工交通、施工安全、开挖爆 破等方面的影响，满足均衡施工和施工进度的要求。4、施工机械设备配置的专业化地下洞室工程与地面工程的区别还体现在某些专业机械设备配置上，如在地下洞室支护工序中喷碎常使用的麦斯特碎喷射台车、造锚杆孔时常使用的多臂凿岩台车、长竖（斜）井衬
8、砌滑动模板、隧道碎衬砌台车（穿行式模板台车、针梁 式模板台车等）、小断面洞室开挖出渣使用的扒渣机等等。虽然针对地下工程已经研制成功了部分专业机械设备， 但是离地下工程发展 现状和态势还有很长远的距离，譬如多臂凿岩台车不仅价格昂贵，效率也不算高， 而且很难解决完全依赖操作工技能决定的造孔偏斜问题； 深长隧洞通风问题也是 世界性难题；上述问题均依赖于国际、国内装备制造业的发展水平。二、向家坝主要技术工作向家坝地下电站简介：向家坝水电站右岸地下厂房总装机容量为 4 X800MW, 引水发电系统采用岸塔式进水口、单机单洞引水、两机合一洞”尾水出水方式。向家坝地下电站主要洞室三维图（图 1）布局特点：通
9、过5#、4#施工支洞分割，可大致分为三个施工相对独立的系 统，即厂房系统、引水系统、尾水系统及外围辅助洞室系统。整个分布于右岸山 体约20万m2的区域内（长700mx宽300m）,共布置了体型各异、大小不等的 近122余条洞室。（其中引水洞4条、主厂房及安装间1个、主变及尾闸洞1个、 母线洞4条、尾水管4条、尾水隧洞2条、电缆竖井1条、电梯竖井1条等约 18条特大型洞室）。这些洞室纵横交错、平竖相贯，组成复杂的大型地下洞室群。1、厂房顶拱围岩及高边墙稳定1.1, 顶拱安全施工程序厂房顶拱横剖面施工分区图（图 2）向家坝地下厂房顶拱层（顶拱为15。缓倾角岩层）最大开挖跨度为33.4m （世 界最
10、大跨度水电站地下厂房），共分6区施工（如下图所示），其安全“固顶”施 工程序为“中导洞开挖-中导洞支护一两侧掌子面错距一次扩挖一一次扩挖支 护跟进一底部岩坎开挖一两侧掌子面错 距二次扩挖一二次扩挖支护跟进”。通过 上述施工程序，厂房顶拱层开挖跨度将按 照如此轨迹扩挖至设计跨度，即由“中导 洞跨度” 一 “中导洞跨度+一倍一次扩挖 宽度” - “中导洞跨度十二倍一次扩挖宽 度” 一 “中导洞跨度十 二倍一次扩挖宽度+一倍二次扩挖宽度”一“中导洞跨度十二倍一次扩挖宽度十二倍二次扩挖宽度”。厂房顶拱跨度循序渐进地递增至设计 跨度的过程就是在施工程序和方案上确保厂房顶拱围岩稳定的过程。经过施工期变形监
11、测结果得知，厂房顶拱最大变形位移为 12.4mm。1.2, 高边墙变形控制向家坝地下厂房为全世界高度最高的水电站地下厂房，其高度达到88.2m鉴于此，其高边墙的变形控制受到参建各方高度重视。当前，国内大型、特大型地下厂房开挖方法基本都采用自上而下分层开挖，即沿结构边线深孔预裂、薄层开挖、 随层支护方法施工。向家坝厂房开挖方法与 其不同之处在于其梯段开挖高度与预裂深 度一致，而非薄层开挖。在施工程序上，过 去仅只在书本上见到的“先洞后墙”或“先 小洞、后大洞”施工在向家坝由理论走向了 实践。与向家坝厂房上下游边墙相交的大型 洞室有4条引水洞、4条母线洞、4条尾水洞，与向家坝厂房南北端墙相交的大
12、型洞室有施工支洞、施工支洞，上述与厂房相交的洞室均是在厂房开挖至其 与厂房相交高程前即已开挖临空。通过上述施工程序成功避免了在厂房高边墙开 挖临空后再在高边墙上开洞口对高边墙的扰动或破坏。通过施工期变形监测结果 显示，其高边墙最大变形为6.68mm。2、“爆刻技术”在岩锚梁部位的成功实践所谓“爆刻技术”即是采用科学的成型如雕刻艺术品般的岩锚梁施工程序、精细的造孔工艺、均匀微量分散化装药方法、合理的单响药量及单次爆破规模进行控制爆破，以期达到对 保留物体伤害最小、爆破成型如雕刻艺术品一般精美的控制爆破技术。合理施工程序的体现。向家坝地下厂房岩锚梁位于厂房第田开挖层， 该层分 6区进行开挖，其中区
13、为中部拉槽区、区为保护层开挖区、区为岩 锚梁岩台开挖区。具施工程序为首先沿 拉槽边线实施预裂爆破，然后再按照 区一区一区的次序进行开 挖施工。图中区采用梯段爆破开挖、 区采用光面爆破方法开挖。 该施工程序的科学性体现在实施拉槽 区梯段爆破时，其周边预裂缝已经形成并能起到屏蔽梯段爆破冲击波对保留岩体的伤害作用，同时保护层开挖和岩台区开挖因采用“爆刻技术”，对保留岩体的伤害很小。精细的造孔工艺主要体现在光爆孔 造孔导向定位样架搭设及对造孔工艺的 全过程跟踪控制上。光爆孔造孔导向定 位样架搭设见右图，光面爆破孔造孔控 制工艺如下：钻孔过程中应适时更换钻杆，以 此保证钻工在造孔过程中始终处于最佳 作业
14、位置；钻孔时正确利用导向管以保证钻杆居中；钻孔前根据拟造孔孔深对钻杆长度进行统一计算截取，使钻孔达到孔底设 计高程后不能继续往下钻；各区主爆孔和二圈孔统一超深 30cm;岩台斜向孔造孔前，采用内导管定位，红油漆标记，并用手风钻水平预开钻孔完成后，初检先进行自检，并及时做好孔口保护工作，防止堵孔均匀微量分散化装药主要体现在以 下方面：光爆孔孔距3035cm,线装药 密度：60.796.8g/m,抵抗线 40cm,二 周孔孔距60cm,药卷绑扎如右图所示。控制单响药量及单次爆破规模主要体现在两方面，一方面单响药量控制在不大于30kg,另一方面沿厂房轴线区单循环进尺不大于24m,区不大于15m。3、
15、尾水岔洞开挖施工向家坝右岸地下电站尾水采用两机一洞的布置形式，由此在两条尾支与主洞 相交处形成最大跨度为41.982m岔洞。该岔洞开挖具有以下施工特点：尾水分同尾水岔洞段平面布置示意图段洞室断面大，且TD1S 道为 三岔口 小角 度 r一- - :相交，应力集中现 -X ,一象严重，围岩稳定 -较为不利，对开挖产控制要求高；、由于地质条件较差，开挖过 程中夹层、层面、节理裂隙与开挖临空面的组合切割易形成潜在不稳定块体，应加强控制爆破，注意开挖过程中掉块和塌方；、尾水岔洞段洞室群在平面和立体相交，尾水管扩散段施工通道穿越开挖区，施工程序较为复杂且安全风险较大；、尾水岔洞段开挖施工期间，主厂房混凝土浇筑、尾水主洞开挖等项目同时进行，施工干扰较大，现场施工组织难度大；5m尾水岔洞尾水主洞岔洞开洞前施工锁口锚杆， 尔后进行进行3X 4m小导洞开挖，再扩大 至中导洞断面（8X8m,中导洞开挖支护 完成后进行两侧扩挖（一侧扩挖完成后进 行另一侧扩挖）。开洞段采取“短进尺，弱 爆破”，单循环进尺控制在1.52.5m,适 当增加雷管段位以尽量减少单响药量。支 护应及时跟进，随机支护紧跟学子面，系统支护不得滞后学子面开挖完成后的成型效果见右上图。虽然岔洞段已经开挖完成且成型效果也尚好， 但事后总结认
