地下工程
黄登水电站地下洞室群施工新技术应用综述
（1中国水利水电第十四工程局有限公司；2华能澜沧江股份有限公司黄登-大华桥建设管理局）
摘要：黄登水电站地下洞室群具有规模大、洞室多、地质及结构复杂、施工难度大、安全问题突出及施工技术要求高等特点。施工中针对这些特点，应用了多项新技术，本文予以总结。
关键词：地下洞室群 新技术应用 黄登水电站
1 黄登水电站简介
黄登水电站位于云南兰坪县境内，采用堤坝式开发，是澜沧江上游曲孜卡至苗尾河段水电梯级开发的第六级，以发电为主，总装机容量190万kW。上、下游分别与托巴、大华桥电站相接，坝址位于营盘镇上游12km。
水电站枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、泄洪放空底孔、左岸折线坝身进水口及地下引水发电系统组成。引水发电系统建筑物布置在左岸，由引水系统、地下厂房洞室群、尾水系统及500kV地面开关楼等组成。引水采用“单机单管”布置，主厂房、主变室、尾闸室、尾调室四大洞室平行排列，尾水采用 “二机一调一尾”的布置格局，是国内较大的地下洞室群。黄登地下厂房长247.3m，宽32m，高80.5m，0.4km2山体内布置大小53条洞室，总长度8.9km。工程较大、地质条件复杂、技术含量高、质量要求严、施工强度大。
2 地下洞室群施工综述
黄登水电站地下洞室群规模大，交叉布置结构复杂，施工技术难度大，项目部通过一系列有效管理措施，大胆采用了一批新技术和新工艺，保证了黄登地下洞室群按期完成。引水发电系统地下洞室群三维图详见图1。
2.1 大型地下洞室群施工组织设计
黄登水电站地下厂房洞室群水平和垂直埋深均大于300m，洞室岩体呈次块状—块状，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，岩体完整性好；局部不良地质段为Ⅳ、Ⅴ类围岩，劈理和顺层挤压面发育，存在的局部可能塌滑由结构面组合形成。地应力以压应力为主，其量级为7.0～15.0MPa，属中等偏低地应力水平。岩层近陡倾分布，垂直裂隙发育，主要构造形迹为近垂直的火山角砾岩夹变质泥灰岩条带。岩体内地下水活动弱，透水性为中等及微透水，但顺夹层条带渗漏性极强，地下洞室位于地下水位以下，水文地质条件复杂。
陡倾角层间、泥灰岩夹层带、平行于厂房轴线的陡倾岩层对大跨度顶拱、高边墙及洞室交叉部位围岩稳定不利。影响围岩稳定因素较多，结构面组合、地下水运移规律、施工程序、开挖方法、围岩力学参数等都有一定的不确定性。以上因素给大型地下洞室群的设计、施工及围岩临时与永久支护带来较大困难。在工程设计中，重点研究地下厂房洞室群围岩稳定与支护、合理施工顺序、有/无支护时的围岩静力稳定特性(包括三维弹塑性损伤动力有限元分析、北京理正岩土隧道衬砌计算软件及三维非线性有限元理论)和洞室群的抗震稳定分析，建立了动力和动态仿真分析模拟系统，对地下厂房洞室群围岩稳定作出合理评价，使地下厂房的设计和施工水平都有提升。
图1 引水发电系统地下洞室群三维图
1—进水口；2—引水竖井；3—主厂房；4—主变室；5—尾闸室；6—尾调室；
7—尾支管；8—尾水洞；9—尾水出口闸门室；10—出线竖井
2.2 地下厂房岩壁梁岩台开挖技术
岩壁梁岩台开挖采用“岩壁吊车梁岩台双向控爆施工技术”，垂直和斜向双向控爆一次成型，造孔采用φ48钢管搭设样架，严格控制施工样架、造孔、爆破参数三道关键工序，采用创新的“个性化装药和面装药密度控制线装药密度”的方法进行控制爆破。
岩壁梁开挖共分为三层进行，见图2。
图2 地下厂房岩壁梁岩台开挖分层图（单位：m）
岩壁梁开挖爆破半孔率达到91.9%，岩面不平整度6.6cm，平均超挖8.9cm。
2.3 高边墙深孔预裂开挖施工技术
电站施工从设备选型入手，将深孔预裂爆破技术成功运用于大型地下洞室直立高边墙部位，结合薄层开挖、及时跟进支护的施工理念，形成了一套深孔预裂、薄层开挖、随层支护施工技术。
（1）设备选型：将轻型潜孔钻机改进成100E型，作为高边墙预裂孔的造孔设备。该设备推进装置在机头侧边，解决了技术超挖大的问题，将超挖控制在10cm以内。
（2）施工工艺流程：基岩面清理→测量放线→钻机定位架设→钻机定位校核→定位架加固→钻架及钻杆角度检查验收→钻孔→钻进过程校钻→终孔质量检查→装药→连网起爆。
（3）钻孔精度控制：将定位样架搭设在坚实的基岩面上，用锚杆牢靠固定，防止钻机冲击移位；采用全站仪进行孔位和定位样架的测量放样，提高钻机开孔精度；采用φ48钢管搭设样架；坚持 “两次校杆法”，钻机安装扶正器，控制钻杆偏差；严格控制钻进速度。
（4）爆破参数选择：预裂孔孔径φ76，孔间距80cm，φ32的乳化炸药作为主药卷，不偶合系数为2.375，线装药密度为450～550g/m。
高边墙预裂扣除地质超挖外，主厂房第Ⅳ～Ⅶ层及主变室Ⅲ层最大不平整度12cm，平均不平整度13.5cm，小于设计及施工规范控制标准（不平整度15cm）。爆破半孔率达到了90%以上。爆破效果见图3。
图3 地下厂房高边墙预裂爆破效果图
2.4 竖井小挖机下井扒渣技术
引水发电系统引水竖井、出线竖井、闸门井二次扩挖创新采用小挖机下井扒渣技术，较以往人工扒渣，提高开挖效率，缩短工期，降低成本，增加安全保障。
小挖机下井扒渣施工：竖井二次扩挖前，在井口设置一个带滚动轴承的平台，挖机爬上平台后通过底部安装的导轨移动至竖井中心或待开挖的范围内，然后通过上部设置的提升系统将设备下放至开挖掌子面或溜渣井井盖上，提升系统钢丝绳不摘除作为安全保障系统，提起井盖后开始进行扒渣施工。
下井扒渣施工提升卷扬机和小挖机选择是一个控制重点。一般选择5t带双刹车卷扬机，配套钢丝绳为不旋转直径20mm（破断力220kN），顶部设置两倍滑轮组；挖机重量控制在5t左右，臂长约等于开挖半径。扒渣过程中人工洒水降尘，用以达到环保要求。
2.5 大型地下厂房梭式布料系统应用
地下厂房单台机组平面尺寸为35m×29m，根据混凝土入仓强度以及温控要求，浇筑布置2台SHB22型梭式布料系统，混凝土水平运输采用长胶带运输系统，总长度为176.8m，5条胶带（1×23m+3×35m+1×18.8m），一个14m溜管（φ325），加一条16m胶带给梭式布料机联合组成皮带入仓供料系统（图4）。胶带机参数：带宽650mm，带速2.5m/s，额定输送强度100m3/h。
图4 地下厂房梭式布料机入仓图
结构和工作原理：SHB22型梭式布料系统主要由集料斗、固定皮带机、上料皮带机、布料皮带机、立柱、φ400橡皮负压溜管、旋转及伸缩机构和液压系统组成，可以满足半径22m、高12m区域的混凝土连续浇筑布料要求，布料高度可根据所需高度增加。SHB22型梭式布料系统主要性能技术参数见表1。
表1 SHB22型梭式布料系统主要技术参数表
SHB22型梭式布料系统的送料利用多节皮带机接力实现多个口高速布料，其回转利用机械式旋转机构进行359°旋转布料，然后皮带机桁架通过滚轮在托架上移动，托架由铰座及两根张拉丝杆固定在回转柱上，皮带机桁架在液压马达的驱动下相对回转柱可作2.5～12m的移动。
SHB22型梭式布料系统具有结构简单、操作方便、使用灵活、简单快捷、占地小、易维护等特点。可利用厂房桥机实现整体安装和拆除，局部采用汽车吊辅助作业。该系统提高了混凝土浇筑速度，使用效率高、运行成本低、经济效益显著。目前黄登地下厂房混凝土施工结束，采用两套SHB22型梭式布料系统浇筑达6万m3，进度和效率均优于以往地下厂房泵送或吊罐入仓方式。
2.6 机组尾水检修闸门室矩形变径滑框翻模混凝土施工技术
黄登水电站机组尾水检修闸门室（即尾闸室）共有4个井，其中门楣以上部分48m高度为标准的两个矩形断面，12m×3.6m变到17m×5.4m。尾闸室混凝土采用爬钢绞线变径滑框翻模施工技术，变径通过对称加长围圈和模板组实现。滑框翻模结构见图5。
尾闸室滑框翻模结构由模板组、滑杆、围圈、主平台、抹面平台、提升架、提升装置、钢绞线、支承梁、拐臂式分料系统等主要构件组成，滑模下部断面尺寸为12m×3.6m（长×宽），上部为17m×5.4m，模板配置高度为2.4m。爬升靠外置式爬钢绞线装置，在井口设置支承梁通过上下两层型钢组成框架结构，整个框架通过提升架与钢绞线（φ15.24）和支撑梁连接，通过液压千斤顶向上爬升。
图5 尾闸室滑框翻模结构图
滑框翻模施工：搅拌运输车直接从岩台梁上经过配短溜槽+集料斗+溜管入仓方式，溜管每12～18m设置一个缓降器，再溜至滑模上自制拐臂式分料器布料。混凝土采用人工平仓，插入式振捣器振捣。滑模正常滑升时应控制滑升速度在30cm/h以内。滑模模板总高度为2.4m，混凝土初次浇筑至1.8m剩余两圈模板后停止下料，首次浇筑完成约9h后（具体现场定）即可滑升，滑框每次滑升15～30cm（半圈至一圈模板高度）。在滑竿脱出底圈模板后开始进行翻模。混凝土强度达到0.3～0.5MPa以上（手按1mm印痕），开始翻模抹面，抹面采用“初、细、精、光”四道工序法进行。
滑升前应检查滑模体系情况，完好无误方可进行。滑模滑升时及时调整提升架水平。滑模滑升拆模后把底层的模板按顺序翻装到顶层相应位置，砌砖式逐层安装。如滑模施工出现异常停滑时间过长，则需将滑框滑升到滑杆只剩一层模板为止，拆除其余模板，避免因混凝土凝固造成下次滑升困难。
2.7 高流态自密实膨胀混凝土施工技术
引水系统钢衬部位较多，压力管道、肘管、蜗壳等都属重要承载结构，钢衬段底部配筋密集，施工空间狭窄，下料、振捣困难，要求混凝土填充饱满，浇筑密实，确保钢衬正常运行。设计底部或腰线以下采用高流态自密实混凝土施工。
高流态自密实混凝土强度等级为C25W8F100，混凝土指标：扩散度550～650mm；L型仪间隙通过性不小于0.8，T500流动时间在2～5s；拌和物稳定性不大于10%。
自密实混凝土砂率大、胶材多、强度高，流动性、在室外进行了现场模拟浇筑试验，通过对比，加入膨胀剂效果更佳。混凝土泵送入仓，人工振捣，经检测，钢衬回填效果良好。
表2 高流态自密实混凝土配合比对比试验 单位：kg
注 水泥采用祥云P.MH42.5中热水泥，减水剂掺量1.0%，引气剂掺量0.0015%，膨胀剂掺量6.0%。
2.8 深竖井滑模混凝土施工技术
出线竖井深208.5m，衬后直径8.5m，井内被隔墙分为4个小井，分别为管道井、电梯井、楼梯间、通风井。井筒混凝土采用现浇，其余采用预制吊装。
竖井上段混凝土为标准圆形断面，采用滑模浇筑。滑模为钢桁架整体式结构，主要由模板组、提升架、液压千斤顶、主平台、辅助平台、抹面平台、分料平台等组成。施工材料及人员通过吊笼加矿用绞车提升系统实现垂直运输，吊笼设置了防旋转和防断绳保护装置，确保施工安全。
出线竖井井筒体型和井壁预埋锚板采用4台激光垂准仪从4个方位控制垂直度，用水平仪控制水平精度，确保了混凝土体型和锚板预埋件位置准确。
滑模采用溜管加短溜槽入仓方式，在分料平台上设置圆形旋转分料装置，实现井内360°范围下料无死角，各点均匀上升，按一定方向、次序分层、对称下料，坯层厚度为30cm，高差不超过一层，上层混凝土覆盖前下层不得初凝。
2.9 引水发电系统免装修混凝土施工技术
免装修混凝土又称装饰混凝土，是直接利用混凝土成型后的自然质感作为饰面效果，一次成型，不做其他任何装饰，混凝土表面平整光滑、色泽均匀、棱角方正、线条分明、无碰损和污染，表面涂刷透明的保护剂，显得天然庄重，具有很好的耐久性且可减少后期维护。
引水发电系统大规模采用免装修混凝土施工，包括主厂房及左、右端副厂房以及防潮柱、主变室、500kV开关站、主排风楼等框架结构混凝土，总面积约为10和易性和填充性好，为满足要求，多次进行试验，且对掺膨胀剂与不掺膨胀剂的混凝土进行了对比试验，见表2。
万m2。施工主要通过对模板合理选型，细化和优化施工工艺，严格控制工艺细节和管理要求，进行过程质量控制，全面消除了错台、挂帘、蜂窝、麻面、气泡等混凝土常见缺陷和顽症，装饰线条均匀分布，横平竖直，层次感分明，达到了饰面混凝土要求。
免装修混凝土控制要点：
（1）混凝土要求：要求骨料由同系统生产，料源稳定，胶凝材料及其他添加材料必须同厂家供应，每仓同批号，混凝土同拌和系统拌和，确保成型后色泽均匀。胶凝材料控制在350kg/m3以上，采用聚羧酸高效减水剂，尽量采用素混凝土浇筑，减少色差。
（2）模板控制重点：免装修混凝土对模板材质、刚度与表面光洁度要求较高，覆膜模板最多循环一到两次，方能确保表面光洁如镜。模板及装饰线条安装时精度要求较高，拼缝须十分严密，加固需牢靠，不漏浆、不错位。模板及装饰线条施工前进行三维效果设计。
（3）施工工艺：入仓方式合理，浇筑连续，采用低高频二次复振工艺（间歇30min）振捣充分，混凝土外光内实，养护方案得当，成品保护到位。
（4）成品防护：施工完成后采取涂层保护，确保免装修混凝土外观的持久性。混凝土表面涂层应选材可靠，涂抹均匀、平整，抛光到位。
3 结束语
通过采用一系列创新技术和新工艺，黄登水电站地下洞室群系统工程在缓建、停工20个月，且受外部因素影响较大的条件下，按期完成了施工任务，创造了多项大型地下厂房开挖施工进度新纪录，取得了多项科技成果，质量优良率92.5%，实现了华能澜沧江公司提出的“澜沧江上游窗口工程”的阶段性目标。其技术工艺值得借鉴。