乌干达卡鲁玛水电站浅埋式地下厂房开挖技术研究

乌干达卡鲁玛水电站浅埋式地下厂房开挖技术研究

徐盛剑

中国水利水电第八工程局有限公司 投资公司 湖南长沙 410004

摘要：乌干达卡鲁玛地下厂房为浅埋式地下厂房，开挖施工历时18.5个月，提前进度计划2个月。该浅埋式地下厂房开挖工艺达到预期效果，支护体系可靠，值得在类似工程推广。

关键词：浅埋式；地下厂房；开挖

1  引  言

乌干达卡鲁玛水电站位于非洲乌干达境内西北部卡鲁玛村附近，是乌干达境内维多利亚尼罗河上规划7个梯级电站的第三级。电站总装机容量600MW，主要建筑物为拦河闸坝、地下洞室群、进水口、开关站组成。工程以地下工程为主，地下工程开挖工程量约390万方，以地下厂房、主变室、尾水调压室和两条长度约8.7Km的尾水隧洞组成。厂房上覆岩体薄，成洞安全将关系到大洞室稳定的关键，同时作为电站主要关键线路施工，地下厂房的开挖顺利与否将直接影响到电站总体进度控制。该厂房实际历时18.5个月，提前进度计划2个月，为后续厂房混凝土与金结施工提供了较有利条件。

2  工程概述

地下厂房布置在尼罗河左岸山体内，距离河流约200m，开挖尺寸200×21/19.6×53m，上覆岩体厚度约40~50m，为洞径的1.9~2.38倍。厂房内部安装场、主机段、副厂房呈“一”字形布置，安装场、主机段洞室宽度为19.6m，副厂房洞室宽度为21.3m。

（1）安装场

安装场布置在主机段的右侧，与发电机层同高，高程为947.55m，长度为45m。进厂交通洞在安装场下游墙处接入。

（2）主机段

主机段安装6台单击容量为100MW的水轮发电机组，机组安装高程为937.10m，机组间距为23m。厂房内采用岩壁吊车梁方案，2台200t桥机。桥机轨顶高程为959.8m，桥机以上964m高程设吊顶小牛腿，用于放置屋面网架，网架上用于布置暖通的风管。水轮机层高程为942.00m，每台机组下游侧设母线洞，接至主变洞。蜗壳层高程为929.7m，主要布置水机设备。

（3）副厂房

副厂房共分6层，从下至上分别为水泵室和冷冻机室、空压机室、油罐室、低压配电室和照明配电室、蓄电池室、风机室层等。

3  地质条件

地下厂房围岩为微风化的花岗片麻岩、黑云母花岗片麻岩、角闪片麻岩、角闪岩，洞室总体以Ⅱ、Ⅲ类为主，局部黑云母富集及断层破碎带洞段为Ⅳ类围岩。地下厂房围岩RQD=96~97%，岩体完整，片麻理的走向与洞轴线基本垂直，且片麻理焊合紧密。主副厂房的围岩条件较好，具备成洞的地质条件。厂房部位局部黑云母富集，根据钻孔资料，推测黑云母富集带约占洞段的3.7%。

地下厂房轴线部位强风化下限深度29.5~34.1m（高程1021.9~1026.5m），强风化带下限距离厂顶的厚度为48~52m，为2.45~2.65倍洞宽（洞宽19.6m）。上覆岩体厚度满足大于1.5倍洞宽的经验要求。

工程区地块相对稳定，构造应力及残余应力较小，且厂房埋深较小，厂房区地应力较小。

厂房区地下水位较高，上覆围岩以弱~微风化岩为主，属微~极微透水层，赋水性差，洞室以干燥和潮湿为主，局部长大裂隙发育部位会有渗滴水。

厂房距离岸坡仅有200m，可能存在一些小规模断层连通厂房和水库，河水沿断层渗入地下厂房，对厂房的施工、运营造成影响。

4  施工交通及优化

主交通洞从安装场下游墙进入厂房，外接进厂公路，交通洞总长1322m，采用城门洞型，净断面10/8×8.0m。洞口高程为1025m，进厂高程947.55m，平均纵坡5.9%，最大纵坡9%。为厂房的永久交通通道，施工期作为厂房Ⅲ、Ⅳ开挖的施工通道。

通风兼安全洞（从左岸探洞进入，连接厂顶支洞，采用城门洞型，净断面8.0×8.0m。洞口高程1029m，进厂高程966.0m，最大纵坡12%。施工期作为厂房第Ⅰ、Ⅱ层施工通道和通风通道。因厂房永久通风竖井1#通风竖井（施工时用于施工通风）布置在厂左，通风兼安全洞接于厂右，为保证施工期通风要求以及第二层岩壁梁施工需要，实际施工时将上游侧上层排水廊道断面加大并与通风兼安全洞顺接，施工时先贯通延伸段连接至厂左通风竖井。

引水平洞连接进水口以及厂房，共6条，通过1#施工支洞与主交通洞连接，施工期作为厂房第Ⅳ、Ⅴ层施工通道。

尾水支洞连接厂房及尾调室，共6条，通过2#施工支洞与主交通洞连接，施工期作为厂房第Ⅵ层施工通道。

5  开挖程序及方法

5.1开挖程序

总体遵循自上而下，先洞后墙的原则，进场先施工通风兼安全洞、主交通洞、厂顶通风竖井，为厂房通风、降水提供良好环境，同时提前贯通厂房下部施工通道：引水平洞、尾水支洞，合理安排岩梁混凝土施工期间相邻洞室开挖进度，减少相互之间的干扰。

主厂房根据分布在不同高程、不同部位的施工通道，自上而下分六层进行开挖施工。

图1厂房开挖分层图

第Ⅰ层：为顶拱开挖，从通风兼安全洞（EVT,Escape/Ventilation Tunnel）进入，轮廓开挖质量要求高，支护工作量大。根据下层中部梯段掏槽爆破施工设备

D7钻杆长度及作业空间要求，结合顶拱支护锚杆安装最小所需高度，开挖高度确定为9米，即▽971～▽962，底面高程为拱肩下3.38米。

第Ⅱ层：位于岩壁吊车梁的重要部位，开挖质量要求高，需要精雕细刻。岩壁梁斜面孔采用气腿式手风钻施工，根据机具尺寸要求，开挖底面高程距岩壁吊车梁底部不得小于1.8m米，第Ⅱ层高度确定为7m，即▽962.00～▽955。

第Ⅲ层：高度由下部安装间高度限制，机组段考虑到下层施工高度过高，高度控制为8.5m，施工从主交通洞进入，层高7.45（安装场）/8.5（机组段）米，即▽955～▽947.55/946.5。

第Ⅳ层：从主交通洞进入，结合引水平洞地板高程，层高确定为9米，即▽946.5～▽937.50。

第Ⅴ层：从主交通洞和引水平洞进入，分层至机组间隔墩高程，层高为8.85米，即▽937.50～▽928.65。

第Ⅵ层：从引水支洞和尾水支洞进入，开挖至设计地板高程，层高为10.65米，即▽928.65～▽918.00。

表1地下厂房开挖施工分层及特性表

主要施工次序如下：

（1）从通风兼安全洞进入，进行第Ⅰ层中导洞（Ⅰ1块）开挖及顶拱支护，两侧Ⅰ2块扩挖及支护跟进。

（2）第Ⅰ层开挖完成后进行第Ⅱ层施工预裂施工。

（3）第Ⅱ层联接通风兼安全洞道路施工。

（4）第Ⅱ层开挖支护。为了减小爆破对岩壁吊车梁处的岩石产生影响及开挖后因应力释放产生岩壁吊车梁处的应力集中，第Ⅱ层分三个区开挖。先进行中部Ⅱ-1块开挖，然后两侧岩壁吊车梁开挖。

（5）第Ⅲ层开挖支护。

（6）第Ⅳ层开挖支护。

（7）第Ⅴ层开挖支护。

（8）第Ⅵ层及建基面预留保护层开挖及局部修规。

图3  厂房分层斜坡道及交通通道布置示意图

5.2开挖方法

（1）地下厂房第Ⅰ层开挖及出渣方法

主厂房第Ⅰ层宽21m，最大高度9m，分三个子块施工，分别为：中导洞，宽10m、两侧扩挖块，宽各5.5m。

地下厂房第Ⅰ层开挖从通风兼安全洞进入，开挖采用中导洞领先，两侧扩挖跟进的方法施工。中导洞的断面由厂顶支洞8.2m×8.45m以10°扩散角渐变为为10.0m×9.0m。中导洞施工超前两侧30～50米。

主厂房第Ⅰ层中导洞开挖采用“双楔形”掏槽，全断面开挖。采用自制台车配手风钻造孔，周边轮廓光面爆破。

两侧扩挖等中导洞超前进尺约50m以后，再进行扩挖。扩挖利用中导洞开挖形成的临空面，直接布孔爆破。

待开挖出一段缺口后，两侧扩挖沿洞轴线方向进行，周边轮廓光面爆破。

图4厂房第一层开挖效果

（2）地下厂房第Ⅱ层开挖及出渣方法

厂房第Ⅱ层开挖采用中部拉槽，两侧预留保护层的分部开挖方法，中部拉槽宽度15.0m，两侧预留保护层宽度各3.0/2.3m。两侧保护层分3块进行开挖，靠近中部拉槽区的2.3m宽保护层分两层开挖，每层层高3.5m，岩锚梁岩台0.7m宽最后开挖。

图5厂房第二层施工顺序图

第Ⅱ层开挖施工从通风兼安全洞进入。

①第Ⅱ层施工预裂孔施工

第Ⅱ层施工预裂孔位于Ⅱ1块与Ⅱ2块之间。施工预裂孔造孔采用AtlasRoc.D7液压钻造孔。施工预裂在第Ⅱ层主体开挖前先行施工。

②第Ⅱ层拉槽区开挖及下卧道路施工

第Ⅱ层预裂孔施工完成后进行第Ⅱ层至通风兼安全洞下卧道路开挖，道路形成后进行拉槽开挖。第Ⅱ层下卧道路连接第Ⅱ层底板▽955m与厂房右端通风兼安全洞，下卧道路坡度10%。Ⅱ1块开挖首先按照拉槽爆破开挖出临空面，具备临空面后采用梯段爆破开挖。

梯段开挖采用AtlasRocD7液压钻造孔。

③第Ⅱ层扩挖及岩壁吊车梁开挖

厂房第Ⅱ层两侧扩挖采用手风钻施工，光面爆破。其中第④块边墙光爆孔在第③块钻孔时先完成钻孔，即用手风钻从▽962.00高程垂直向下钻孔至▽958.245高程，待第③块开挖完成后，从▽957.07高程向上打斜孔至设计拐点▽958.245高程，进行光面爆破，以保证岩壁吊车梁设计岩台斜面不受损坏。

岩壁吊车梁基础开挖要求：岩壁梁壁座角最大成型偏差小于2°、孔壁无明显爆震裂隙、实测松动范围小于20cm、残孔率大于90%、平整度小于15cm。施工时采用密孔弱装药方式进行爆破开挖。上拐点不得欠挖、下拐点不得超挖

先于第②块进行模拟实验确定爆破参数，铅直孔采用乳化装药入孔，斜面光爆孔采用3股导爆索入孔。

图6岩壁吊车梁基础模拟效果

确定岩壁爆破参数如下表：

表2光面爆破参数表

④岩壁吊车梁混凝土施工期间周边作业面爆破控制策略

设计要求：

表3允许质点振动速度表 单位：cm/s

岩壁吊车梁混凝土施工期间，上下游不同高程均在进行爆破开挖，为确保施工岩壁吊车梁混凝土质量，根据爆破振动测试结果K=53.313，α=1.0092以及《爆破安全规程》（GB6722-2014）要求，相关作业面爆破控制策略如下：

A)引水平洞

a）混凝土龄期3天以内，130m范围内不允许爆破。

b）混凝土龄期3～7天，62m范围内不允许爆破。

c）混凝土龄期7～28天，31m范围内不允许爆破。

B)主厂房

岩壁吊车梁混凝土施工期间，厂房内部不允许爆破。厂房第Ⅲ层施工预裂须在岩壁吊车梁混凝土施工之前完成。

C）主变室及附属洞室

a）变洞第IV层在厂房岩壁吊车梁混凝土龄期达到3天后100m范围之外可进行爆破作业，7天龄期后不影响。

b）出线平洞在岩壁吊车梁混凝土达到3天龄期后，方可进行爆破，单响药量不得大于18Kg，达到7天龄期后，该段施工不影响。

（3）地下厂房第Ⅲ~Ⅴ层开挖及出渣方法

厂房第Ⅲ~Ⅴ层宽19.6m，台阶高度分别为8.5m、9m和8.85m，各层拟分两个子块施工，分别为：中部拉槽区，宽13.30m；两侧扩挖块，宽各3.5m。其中第Ⅳ层下游墙在母线洞开挖进厂房2~3m后进行扩挖。

（4）地下厂房第Ⅵ层开挖及出渣方法

厂房第Ⅵ层开挖分别从No.1~6尾水支洞进入。

厂房第Ⅵ层每台机组下厂上0+6.15~厂下0+11.45范围分成4部分开挖，分别为中部掏槽、左右两侧保护层、上游面保护层和底板保护层。

中部掏槽采用液压钻一次钻孔梯段爆破开挖。开挖前，左右侧保护层与中部掏槽间按照厂房施工预裂参数先进行施工预裂爆破，保护隔墩不受破坏。上游及左右侧保护层采用手风钻光面爆破分层开挖。

6  施工期监测

主厂房布置了两个典型断面的锚杆应力检测，两个典型断面对应的桩号分别为PH0+115、PH0+046。施工期间安装间上游另布置一个多点位移计监测断面，30组锚杆应力计。施工期监测结果表明厂房开挖完成约5个月后（2017年1月）厂房支护体系稳定有效。

图7厂房监测断面及监测仪器布置图

表4锚杆应力监测表

图8锚杆应力监测时程柱状图

从锚杆应力监测时程曲线来看，所有的锚杆应力监测点的应力均较小，大部分小于10MPa，个别监测点达到24.44MPa；厂房整体开挖完成后，锚杆应力均没有大幅度变化，整体趋于稳定。根据锚杆应力监测成果来看，地下厂房长期整体稳定性良好。

表5厂房边墙部位多点位移计监测成果表

表中A、B 断面的边墙部位（EL.950.5）多点位移计反应了主厂房 IV~VII 层 (EL.939.5、EL.936 处的测点为 V~VII 层)开挖导致的该部位的围岩累计变位增量；整体变形的量级很小，浅层围岩累计变位均在 2.5mm 以内；个别监测点（Mcf-A-9）在第 VI 层开挖中出现了较大的深部变形，变形深度超过 9.5m，变形增量（突增）也达到约 5mm，对比其他洞段变形影响情况并结合该部位实际揭露地质条件，分析认为该监测数据存在异常现象（代表性差，可能失真），该部位后续变形仍可正常收敛。从 A、B 这 2 个断面边墙的围岩变形曲线来看，V~VII 层开挖导致的围岩 总体变形较小，主要变形集中在 V、VI 层的开挖，在第 VI 层开挖后围岩整体变形基本趋于稳定。

7结 语

大洞室采用中导先行两侧扩挖跟进方式，同时中导及时支护后保证了大洞室的安全稳定，上述方法经过实践论证能有效的保证了施工期大洞室的安全稳定。地下厂房施工分层控制主要在于出渣通道的布置于选择，本工程在方案设计之初进行了大量施工洞室优化，确保了各层施工通道。而岩壁梁控制爆破技术的应用使得在质量评定中满足设计及相关规范要求，开挖验收一次通过。对层间采用液压钻抽槽，两侧保护层采用手风钻分层剥离在施工进度上得到了保证，同时有效的保证了大洞室断面成型。根据施工通道布置，厂房整体优化调整为6层施工，最大化利用了施工通道，施工历时18.5个月（含岩壁梁混凝土施工），支护体系安全有效，整体施工工艺安全可靠。上述方法值得在类似条件地下大洞室开挖中推广。

作者简介：徐盛剑(1985–)，男，中国水利水电第八工程局有限公司，赣州新能源汽车科技城PPP项目部总工程师，主要从事水利水电、房建、市政技术工作。