黄登水电站大型地下洞室群交叉口开挖支护施工技术
摘要：地下式水电站一般以主厂房、主变室、尾水调压室和机组检修闸门室四大洞室为中心，通过引水和尾水隧洞横贯及排水廊道、出线竖井、排风竖井等辅助洞、井群的环绕和交织相贯，形成庞大、复杂的地下洞室群。在开挖支护阶段，各洞室交叉口部位是开挖支护控制的重点和难点。本文选取几个常见洞室交叉口部位，进行开挖支护程序、方法和工艺介绍。
关键词：大型地下洞室群 开挖支护 施工技术
1 引言
在地下电站土建施工中，由于地下洞室众多、分布密集，形成了多种类型的洞室交叉口。在开挖支护阶段，交叉口部位往往形成应力集中区，塑性变形、坍塌等地质灾害容易产生。特别是在主厂房高边墙与引水隧洞、尾水管、母线洞交叉部位以及尾水调压室与尾水支洞、尾水隧洞等交叉部位，由于洞室断面大、交叉口挖空率高，洞室稳定问题更为突出。如何通过技术的方法抑制地质灾害的发生是交叉口开挖支护的关键。
本文选取以下几个常见洞室交叉口，分别代表不同类型洞室交叉口，对施工程序、施工方法、工艺要点等进行技术总结：
（1）洞与高边墙：地下主厂房上、下游边墙与引水下平段和母线洞交叉口。
（2）洞与井：尾水管与厂房基坑交叉口、尾水调压室下部四岔口。
（3）洞与洞：尾闸交通洞与进风洞交叉口。
2 技术原理
（1）控制爆破：采用光面和预裂技术，用“新奥法”原理，适时支护，确保开挖轮廓面成型和减少爆破震动对围岩及相邻建筑物的影响，有利于质量控制及建筑物结构安全。
（2）合理的开挖程序：采用先小洞后大洞、先洞后墙、径向预裂的开挖方式。高边墙开挖前做好洞口锁口和系统支护的开挖程序，保证地下厂房高边墙的稳定，对减少围岩松弛变形极为有利。
（3）超前预加固措施：在洞与洞、洞与井等交叉部位，提前做好超前支护和加强支护，采取交叉口洞口锁口、洞间岩柱加固、薄岩层先悬吊锚固后开挖，增加悬吊锚筋桩（锚索）、锚拉板、型钢拱架，在交叉口2倍洞径的洞段范围内采用浅孔、小药量、多循环、短进尺等开挖方法，采用在交叉口部位已开挖洞室1倍洞径长度范围内支护完成后才行贯通的施工程序，有利于抑制围岩松弛变形，保证大型洞室交叉口的稳定。
（4）超前监测及信息反馈：根据洞室布置及围岩情况布置监测断面，同一监测断面应布置多点位移计、锚杆应力计、收敛监测断面等综合监测项目；在开挖爆破时，进行爆破质点振速监测，以便优化开挖方式和爆破联网、装药结构等参数。通过监测数值模拟反演分析，对下一步开挖支护提出建议并及时调整开挖支护参数。
3 施工工艺流程及操作要点
3.1 施工工艺流程
交叉口开挖支护施工工艺流程：施工准备→施工通道施工→与高边墙相交小洞开挖与锚固→大洞与小洞交叉口贯通→交叉口支护。
超前地质预报、应力应变监测、安全监测反馈分析贯穿整个施工通道、交叉口开挖过程中，而且要加密监测，每次爆破前后均进行监测，开挖及支护根据情况及时调整。
3.2 施工通道规划及施工
大型地下厂房在发电机层有母线洞与之相贯，在蜗壳层与引水隧洞相贯，下部尾部与尾水扩散段相通。交叉口众多，合理制定施工程序，提前完成小洞室开挖支护，并对厂房围岩预加固，既减少对关键线路项目直线工期占用，规避施工干扰，改善施工交通，同时有利于厂房高边墙的围岩稳定。
根据上述布置特点，提前实现引水隧洞、母线洞、尾水扩散段与厂房高边墙贯通，则需要规划三条施工通道，即至引水下平洞施工通道、至母线洞施工通道、至尾水扩散段通道。
（1）至引水下平洞施工通道：考虑压力钢管运输时断面较大，宽度7～8m，从主厂房运输洞开口布置2#施工支洞，采用下坡，垂直横穿引水下平洞，兼顾引水斜井（竖井）及下游至厂房的下平段施工。
（2）至母线洞施工通道：从主变通风洞下坡至主变室，再垂直分叉贯穿各条母线洞。断面适中可采用7.0m×7.0m（宽×高），满足设备装渣、运渣需求及喷锚台车通行需求。
（3）至尾水扩散段通道：布置在主厂房至尾水调压室之间，垂直横穿各条尾水扩散段（或尾水支管），断面8.0m×7.0m，布置有7#施工支洞及新增5#施工支洞。
3.3 交叉口开挖技术
3.3.1 母线洞、引水下平洞与主厂房高边墙交叉口段先洞后墙施工（洞与高边墙交叉）
洞室开挖高边墙主要存在围岩卸荷变形及块体滑移问题，高边墙洞室开挖成败关键在于是否能有效控制住开挖下降过程中围岩变形持续发展到有害松弛和破坏程度。周密可靠的交叉口施工措施及开挖过程中安全监测与反演分析，是确保洞室高边墙稳定的有力保障。
母线洞、引水下平洞与主厂房高边墙交叉口段，在主厂房边墙预裂至隧洞顶拱之前，完成隧洞交叉口的开挖，并做好锁口支护。洞室距边墙1.0倍洞径（跨度）范围内采用格栅拱架支撑进行加强支护。高边墙预裂和梯段爆破时，严格控制一次起爆药量，避免对已形成洞室开口部位围岩及支护结构造成破坏，以减小围岩变形和塑性区的扩张。
母线洞处于厂房岩锚吊车梁下部，洞顶距岩锚梁约6.15m，应力较为集中，变形也相应较大。为确保岩锚梁锚杆的锚固岩体质量，最大限度地减小围岩变形和塑性区的扩张，保证洞口开挖围岩稳定，所有母线洞开挖进入厂房时段安排在岩锚梁混凝土施工之前。母线洞上游段开挖需采取短进尺、小扰动的控制爆破。与厂房高边墙交叉洞室施工程序见图1。
（1）导洞开挖：从母线洞、引水下平洞采用中上导洞，跳洞开挖至厂房内1.5～2.0m，导洞尺寸满足出渣、支护设备运行要求即可。中上导洞顶拱与设计开挖线一致，适时进行系统支护。
（2）扩挖及支护跟进：地质条件较好部位导洞超前15～20m，大型断面扩挖采用分区扩挖，左、右可滞后1～2排炮。距离交叉口2倍洞径时，进行控制爆破，采用“导洞超前、短进尺、小药量、多循环、少扰动”工艺。测量放出周边孔尾线方向，精确控制造孔方向。扩挖时采用光面爆破，周边孔孔间距控制在50cm以内，小药卷间隔不耦合装药，周边孔线装药密度为180～220g/m。采用“新奥法”原理，系统支护由浅表至深层适时跟进，程序为初喷混凝土3～5cm→锚杆支护→挂网→复喷混凝土至设计厚度→深层锚筋桩、锚索支护。采用现代化配套的大型施工机械设备，如迈斯特湿喷车、353E凿岩台车、平台车等，保证支护的及时性，确保安全，加快施工进度。
（3）洞口段加强支护：根据围岩地质情况及地下厂房洞室群施工期安全监测与反馈分析成果报告，高边墙下交叉口洞室顶拱1～1.5倍洞径采用钢拱架加强支护，钢拱架采用I20a工字钢加工制作，拱架榀间距0.5～1m，榀间沿洞轴方向设置φ25纵向连接筋，连接筋间距0.8m，榀间交错布置，环向设置锁脚锚杆。型钢拱架原则上不侵占结构面，在开挖过程中将架设部位结构断面外扩20cm。
（4）高边墙贯通：与交叉口相贯的高边墙开挖采用预裂，预裂为设计边线，采用薄层开挖随层支护，层高控制在4.5～6.0m，中部拉槽，形成临空面。
（5）施工期监测与反馈分析：根据洞室布置及围岩情况布置监测断面，同一监测断面应布置多点位移计、锚索测力计、锚杆应力计、长观孔等综合监测项目，通过监测及数值模拟反演分析，对下一步支护及施工提出支护及开挖程序相关建议。
3.3.2 尾水管与厂房交叉口施工（洞与井交叉）
尾水管与厂房交叉口开挖施工程序：施工准备→薄岩墙、薄岩板梁锚拉板、悬吊锚筋桩加固→尾水扩散段导洞开挖进厂房→尾水扩散段扩挖及支护施工→厂房与尾水扩散段导井贯通→以导井为临空面、分区扩大、薄层开挖、随层支护、交叉口厂房侧系统支护。
4条尾水支洞各层开挖时，同层分序间隔开挖，逐层及时喷锚支护，确保尾水管之间岩体的稳定。尾水管与母线洞之间最小岩层厚度约1.2倍尾水管洞径，在尾水管顶层开挖时，母线洞Ⅰ层已开挖完成，施工中将根据围岩变形监测情况，视需要提请设计单位在两洞之间增设预应力对穿锚索加强支护。
尾水管先以中导洞开挖提前进入厂房下部，为防止厂房机坑下游尾水管口上方1457.50～1448.00m高程岩台失稳，在尾水管上层导洞进入Ⅸ层后，对厂房机坑下游岩台上游面进行环形预裂，在厂房Ⅸ层开挖前完成尾水管扩散段边顶拱支护。
图1 与厂房高边墙交叉洞室施工程序（单位：cm）
尾水管开挖支护程序：先进行母线洞至尾水管的悬吊锚筋桩（锚索）支护施工→中上导洞（8m×9m）至厂房机组中心位置→尾水管扩挖、系统支护跟进→1倍洞径型钢拱架支护。
厂房下部尾水管开挖支护：厂房两条尾水管之间岩墙厚度小于1倍洞径时，宜采用锚拉板加固处理，开挖时挖除60～80cm，浇筑C30钢筋混凝土锚拉板，锚筋采用3φ32，沿机坑槽周边布置，中部加强。在尾水管与厂房水轮机层贯通前，先进行钢筋混凝土锚拉板施工，锚拉板以锚筋桩和混凝土盖板为受力体系，形成桩体受力体系，杆体锁住岩层，约束围岩松弛及不利裂隙沿层面发展。
在锚拉板施工完成后从厂房水轮机层采用轻型潜孔钻机钻孔至尾水管下部导洞，导井直径约3.0m，采用“提药法”分段自下而上爆通导井。机坑扩挖支护遵循“薄层开挖，随层支护”的理念。坑槽均采用手风钻小药量、精细化施工，设计轮廓线光面爆破。“提药法”开挖，适用于开挖小断面竖井（直径2.0～4.0m），深度又不太深（10～20m），下部有导洞的部位。先用轻型潜孔钻造孔，用铅丝（或尼龙绳）悬吊药卷和封堵沙袋，自下而上分段爆破。分段深度一般为1.0～1.5倍洞径。孔间采用非电毫秒雷管分段，磁电雷管起爆。
以导井为临空面，分区扩大，薄层开挖，随层支护。开挖好后，及时进行机坑薄岩墙预应力锚杆施工，对穿预应力锚索、锚筋桩支护跟进。
3.3.3 尾水支管、尾水洞与调压室交叉口施工（洞与井交叉）
黄登水电站尾水系统布置采用“二机合一”的布置形式，即二条尾水管交汇到一个调压室、经一个尾水隧洞与下游河道连接。这种布置格局在尾调室下部形成四岔口。四岔口处挖空率高，二次应力状态复杂，在洞室交汇部位会出现应力集中和较大的塑性区，薄岩柱（体）易产生有害变形。
针对这种大型四岔口布置，采取先洞后井、先锁脚后贯通的整体施工程序。先从尾水洞上层开挖8m×8m导洞，贯穿调压室底部至尾水支管洞顶部，采用中上导洞超前15～20m、导洞顶拱支护跟进、扩挖随后程序。根据高地应力破坏形式机理，采取先靠江侧后靠山侧的扩挖顺序，扩挖后及时进行浅表层锚喷支护，深层锚索支护跟进。交叉口1倍洞径范围架设型钢拱架加强支护，在尾水洞拱脚布设φ32,L=9.0m，T=120kN的预应力加强锚杆，尾水支管洞间岩墙拱脚部位增加2～4排对穿锚索。
调压室开挖至下部之前，调压室底部平洞开口前做好预应力锚杆锁口，采用φ42，L=6m管式注浆锚杆超前支护，短进尺、弱爆破开挖。距调压室边墙1.5倍洞径或至尾闸室范围内，每开挖一排炮至设计规格线即进行设计喷锚支护和加强支护，建议采用I25工字钢支撑，I16工字钢纵向联系，喷30cm厚钢纤维混凝土进行加强支护。调压室底部顶层保护层分两次扩挖到位，设计边线光面爆破；顶层以下开挖先进行边墙预裂，再分层浅孔梯段爆破开挖，梯段爆破按质点振速测试数据严格控制一次起爆药量。加强叉口段的安全监测及数据反馈，以便改进开挖方案。视需要提前进行尾水支洞叉口段混凝土衬砌，保证施工安全。
调压井开挖采用反井钻机钻直径1.4m导井贯通至下部导洞，先自下而上扩井至3.0m，再自上而下扩至6.0m（或12m），然后采取周边预裂、自上而下、分区薄层开挖、随层支护的施工方案。调压井至交叉口20m范围时，下部与之相贯的尾水洞、尾水连接管岩墙对穿锚索施工完成，1倍洞径范围钢拱架喷护完成，根据围岩情况考虑提前1倍洞径混凝土衬砌锁口。贯穿采用分区分部贯穿，预裂或光面爆破。开挖顺序见图2。
图2 尾水调压室四岔口开挖顺序示意图（单位：m）
3.3.4 尾闸交通洞与进风洞交叉口施工（洞与洞交叉）
洞与洞交叉口开挖时，先开挖的洞室向前掘进距交叉口10～15m后，再进行交叉口部位开洞口。开洞口前，先距离设计开挖边线0.5m左右打设1～2排轴向锁口锚杆，锁口锚杆间距0.5～1m，排距1m，梅花形交错布置。进口段开挖进尺根据围岩地质条件确定，Ⅱ、Ⅲ类围岩2.5～3m，Ⅳ类围岩0.8～1.5m，Ⅴ类围岩及不良地质段0.5～0.8m。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩及不良地质段，开挖后系统支护及时跟进。开洞口后，再进行径向锁口锚杆施工。因交叉口容易造成应力集中，进口段1.5倍洞径范围应加强支护，加强支护形式主要包括钢支撑、管棚、挂网、喷混凝土等，钢支撑间距0.5～1m，按规范将围岩降低一级后采取相应的加强支护措施。
4 结语
黄登水电站地下洞室群交叉口施工技术在地下工程施工中具有较强的代表性，具有推广意义。在实际施工中，要根据交叉洞口的地质条件、岩体结构面和岩性不同采取针对性的措施，并进行分析计算后实施。