关于大型洞室群开挖方案的探讨

摘要：随着社会发展和技术进步，越来越多的大型工程涉及地下洞室群的建设，尤其是近年来发展迅猛的水电工程，限于工程区高山峡谷的地质条件，多采用在地下建设厂房洞室群的建设方案。由于洞室群结构复杂，且洞室之间相互影响，不同开挖顺序和支护方式均对洞室群稳定性有重大影响，致使洞室群的设计施工问题更为突出。本文以玛尔挡水电站地下厂房洞室群为依托，着重分析大型洞室群开挖方案，以供参考。

关键词：地下洞室群；地应力；开挖顺序；支护方法

中图分类号：TD354文献标识码： A

引言：

据统计，我国水能资源的技术可开发量有5.42亿千瓦，位居世界前列，以目前已开发的1.85亿千瓦计算，水电资源的开发利用率只有34%，远远低于发达国家60%~70%的平均水平―。我国丰富的水电资源与较低的发利用率形成鲜明对比，另一方面，“十二五”期间我国经济社会发展将带动能源和电力需求持续较快增长，作为一种成本低、收益高、可循环利用的清洁能源，水电资源在国家能源战略中的地位极为重要，科学、有序地加快开发水电资源的开发在我国能源结构中占有举足轻重的地位。

一、工程概况

玛尔挡水电站是龙羊峡以上黄河干流湖口一羊曲河段规划梯级的第八座水电站，位于同德县拉加镇上游约5km的黄河千流上，右岸为海南州同德县及果洛州玛沁县，左岸为果洛州玛沁县。距上游规划的宁木特水电站约84km，距下游规划的尔多水电站约33km，电站距西宁公路里程369km，西宁~果洛S101省道从下坝址右坝肩通过，对外交通便利。

玛尔挡电站工程规模为国内Ⅰ等大（1）型工程，水库总库容15.02X108m3，最大坝高211m，主厂房共有5个机组，装机容量2200MW，1#机组120MW，2#~5#机组均为520MW。

二、施工通道

尾水调压室开挖通道共三条，第一条是作为上层施工通道的上部施工支洞，与尾调室穹顶相交，交点底部高程为876.20；第二条是作为上中层施工通道的尾调交通洞，与尾调室穹顶底部相平，高程为852.30；第三条是尾水调压室底部的尾水岔管，其将尾水主洞和尾水支洞连通，可作为尾水调压室的下层通道。

三、洞室群地应力场

在洞室群开挖之前，岩体经历了千万年的地质构造和演化过程，承受着巨大的构造应力，并且处于平衡稳定的状态，一旦开挖，这种平衡状态就会被打破，并且势必会引起应力释放和应力重分布。因此在建立模型的时候就要把开挖的洞室群考虑在内，另外在建立模型的时候，为了消除边界效应，洞室群围岩厚度应当达到洞室开挖跨度的5倍以上。因此确定建立数值计算模型的范围如图1中的图形内部的线框所示部分。

图1

（一）、几何模型

模型以主厂房洞室中心线关键点为原点，洞室轴线方向为Y轴方向，垂直于轴线方向为X轴方向，X轴方向长度597.4m，Y轴方向长度为436.2moZ轴即为竖直方向，模型底面高程为2892m，模型上表面即为实际地形。模型包括346422个单元和112262个节点。

（二）、边界条件

模型的底面界面为垂直方向约束。X轴和Y轴方向两侧界面均取为应力边界，在模型四周边界施加水平方向应力，且水平应力的数值随模型高度增高而递减(如图2所示)，以此来模拟洞室群所受的构造应力作用。

洞室群开挖模型位于坝址区地应力场模型之内，而之前通过地应力反演，已经得到了初步的坝址区地应力场分布特征及规律。所以在计算洞室群开挖模型初始地应力场的时候，可以直接运用坝址区地应力计算模型中得到的应力边界进行计算。

图2应力边界示意图

本文主要使用的方法是将坝址区地应力计算模型按照洞室群开挖模型范围对坝址区地应力场模型切面，提取出几个面的应力分布状态，以及几个角点的应力状态。再利用应力坐标转换对提取出的应力状态进行转换，转换到洞室群开挖模型的坐标下的应力状态。以提取出的应力状态为洞室群开挖模型的边界条件进行进一步的开挖模拟计算。

（三）、洞室群应力场计算

在洞室群开挖模型初始应力场计算中，由于洞室群埋深比较深，模型网格很多，而且限于洞室群开挖分组的复杂性，网格的大小极不均匀，这样会使计算速度慢，应力分布很容易受网格稠密的影响。因此，先对模型施加转化来的应力边界条件，采用弹性模型达到平衡收敛之后，再清除模型的位移和速度，转而利用但塑性模型来进行模型的变形分析，从而得到洞室群开挖模型的初始应力场。利用这种计算初始应力场的方法可以大大缩短计算的时间，同时还可以得到更为科学的初始地应力场。

三、主要施工方案

施工过程中开挖断面面积大于100m2，高差大于10m的洞室均为大洞室开挖。因施工设备生产力局限和围岩稳定需求，施工中大的洞室一般分层、分块法施工，第二层及以下分层台阶法开挖。

（一）、洞室群开挖顺序方案

确定地下洞室群合理的开挖方式和开挖顺序，不仅关系到地下洞室群的施工工期，还关系到地下洞室群的围岩稳定性，并直接影响到工程投资和效益。开挖地下洞室群计算模型内部可以按照主厂房，主变室，尾间室，交通洞等分成部分，主厂房又分成次分别开挖，主变室分成次开挖，尾闸室分成次开挖，另外再加上种交通洞就是个开挖组。洞室群开挖计算模型的设计跟设计的各个厂房的位、置尺寸和断面形状完全一致，并且按照开挖的深度分组，从而保证计算结果与实际的开挖施工顺序一致，使得计算结果能够准确反映实际的工程特点。

（二）、尾水调压室穹顶施工

（1）围岩稳定要求。调压井穹顶开挖断面尺寸大，挖空率高，地质条件复杂，为满足围岩稳定要求，开挖需分层分块进行，第Ⅰ层开挖，采取中心预留岩柱、周边环形开挖方式进行，预留岩柱直径为10.0m，环形开挖分两次进行，每次开挖宽度分别为③8.0m、④6.5m。在周边两次环形开挖及顶拱永久支护完成后进行中心预留岩柱⑤的开挖，中心岩柱采取逐层、环形方式进行开挖，每次开挖宽度为3.0m，每开挖一个循环后，系统支护及时跟进。

（2）开挖分层。本调压室冠球穹顶开挖根据以往的施工经验，亦采用了分层、分块法开挖。穹顶总高度为34.2m，第Ⅰ层考虑施工通道的问题，在上部施工支洞底部高程附近分层，分层高度为9.0m；下部分层拟采用液压钻钻梯段孔，梯段爆破开挖，分层高度均拟定为5.0m，分5层，即第Ⅱ~Ⅵ层，共分六层进行开挖（如图3所示）。

图3穹顶第1层开挖

（3）施工通道优化。一般洞室开挖施工通道均呈线型结构，本工程因施工工艺需求，为满足出渣需要，当上部施工支洞开挖完成后，继续沿上游边墙进行横向开挖，施工支洞横向开挖至调压室的两侧边墙位置（如图3所示），再由延长的横向施工支洞②的两端进行调压室穹顶的第Ⅰ层开挖。第Ⅱ、Ⅲ层开挖利用上部施工支洞修下行斜坡道达工作部位，以上部施工支洞作为施工通道（如图4所示），第Ⅳ~Ⅵ层开挖利用尾调交通洞作为施工通道（如图5所示）。斜坡道坡度一般不大于13%。

图4穹顶第Ⅱ、Ⅲ层开挖

图4穹顶第Ⅳ～Ⅵ层开挖

（4）成型和施工工艺需要。穹顶球形结构，外型轮廓控制开挖尤为重要，调压室穹顶的第Ⅰ层开挖采用手风钻沿同一高程球冠切线水平旋转造孔的方法，结构设计边线及靠预留岩柱侧边墙采取光面爆破的施工方法，施工时应控制钻孔深度，严格控制一次起爆药量，确保顶拱穹顶成型、壁面完整和稳定，尽量减小由于爆破而产生的岩石松动范围，一般要求实测松动范围小于40cm。

（三）、调压室竖井开挖

尾水调压室第Ⅶ～ⅩⅦ层为竖井开挖，除洞壁需考虑岩体保护而采用预裂外，中间部位均采用常规的梯段爆破。第Ⅶ、Ⅷ层开挖主要利用尾调交通洞作为施工通道，采取沿下游边墙修筑12%～15%环形斜坡道至各层，开挖主要采用潜孔钻进行周边预裂，然后采用液压钻进行梯段爆破。第Ⅸ～ⅩⅦ层为半圆筒竖井开挖，根据断面尺寸较大的特点，每座调压室（井）钻设3条溜渣井，溜渣井井径6.0m，采用反井钻机钻导孔，人工扩挖成井。竖井井身采用分区开挖、溜渣的方式出渣。

（四）、调压室闸门廊道开挖

调压室闸门廊道开挖，在调压室Ⅰ层开挖完成后进行，共分4层进行开挖，第Ⅰ层开挖高度为9.0m，利用上部施工支洞向下修筑斜坡道作为施工通道。第Ⅰ层开挖采取全断面掘进，采用三臂凿岩台车钻孔，周边光面爆破，周边孔间距40～50cm，周边孔与紧邻的一排孔距离70～80cm。调压室闸门廊道第Ⅱ层开挖高度为7.2m，第Ⅲ层开挖高度为6m，第Ⅱ、Ⅲ层开挖利用尾调交通洞作为施工通道进行施工。开挖采取先两侧边墙预裂，再中间梯段爆破开挖方法。先采用潜孔钻对边墙预裂爆破，后采用型液压钻垂直进行钻孔，梯段爆破。

结束语：

大型地下洞室群施工方案的探讨并不止步于此，因其工期长，不可预见的因素很多，这就要求不仅在最初方案制定时需要多方位思考，平面、立面多方面协调，在施工过程中还要能根据现场情况，施工效果，进度要求等及时调整施工方案，遇突发状况时能及时有效的进行处理。

参考文献：

[1] 李宗荣,等.坪头水电站尾水洞开挖与支护施工..水电站设计,2012(2).

[2] 谢和平.深部开采基础理论与实践工程[M].北京:中国环境科学出版社,2006.

[3] 贾若祥,侯晓丽,刘毅.四川省水电资源开发研究[[J]｡长江流域资源与环境,2004,13(5):438~442.