水电站特大型地下洞室开挖新技术研究与实践.docx
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1、乌东德水电站特大型地下洞室开挖新技术 研究与实践成果报告中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 二一六年十二月乌东德水电站特大型地下洞室开挖新技术研究与实践成果报告1、项目概述乌东德水电站是金沙江水电基地下游河段四个水电梯级乌东德、白鹤滩水电站、 溪洛渡水电站和向家坝水电站的第一梯级,为我国在建第三大、世界第七大水电站。左岸 地下电站主要大型洞室包括主厂房、主变洞、尾调室、出线竖井及输水隧洞。主厂房开挖 尺寸为长333.0m宽30.5m高89.8m,其高度居世界第一,跨度居国内第二、世界第四; 主变洞开挖尺寸长272.0m宽18.8m高35.0m;尾调室为半圆筒形结构,顶部为球冠形 穹顶设计,开挖
2、半径26.5m,开挖总高度113.5m,为目前世界最大的尾调室。主厂房、主 变洞和尾调室浅层支护采用系统锚杆(锚筋桩)+挂网喷混凝土型式,深层支护采用端头 锚索和对穿锚索。出线竖井开挖直径14.2m,分为上、下两段,上段深度146m,下段深度 134m;输水隧洞包括引水隧洞和尾水隧洞,其中引水隧洞共布置6 条,每条均由上平段、竖井段和下平段组成,竖井段最大开挖深度约90m,开挖直径为16.1m。本工程项目主要有以下特点。(1)主厂房地质条件复杂,顶拱及高边墙围岩稳定问题突出主厂房开挖揭露的主要工程地质问题有小夹角层面、块体、B 类角砾岩、较长大缓倾 角裂隙、短小缓倾角裂隙相对较发育区、小夹角长
3、大构造结构面、溶洞等。其中为有效控 制小夹角层面、块体及B 类角砾岩对工程围岩的影响,设计增加大量锚索进行加固。而通 常顶拱锚索一般采取布设锚固廊道的方式进行,但乌东德水电站因地质条件无法增布锚固 廊道,且工程工期也不允许,因此锚索施工只能在厂房顶拱层进行施工;而边墙锚索的快速施工对高边墙稳定和厂房整体开挖进度影响重大。(2)特大跨度穹顶开挖无成熟施工经验,安全、质量要求高尾水调压室为半圆筒形结构,穹顶最大跨度达53m,这种结构型式在地下水电站工程 中应用较少,而如此大跨度的穹顶前所未有,没有成熟施工经验,技术难度大、安全风险较高,设计对质量要求较高。(3)主厂房岩锚梁施工质量要求高,工期紧岩
4、锚梁是厂房开挖过程中对质量要求最高的部位,其开挖成型质量直接影响岩锚梁运行安全,而本工程主厂房小夹角和B 类角砾岩地质条件给岩锚梁开挖带来较大的难度;加之受顶拱增加锚索影响,厂房施工工期十分紧张。(4)出线竖井和引水竖井均为大断面深竖井,且施工安全、进度要求高以往竖井开挖采用反井钻机施工导井,然后自下而上人工反扩为较大直径溜渣井,最 后再正向二次扩挖完成开挖;扩挖井内采用人工扒渣。这种方法存在危险性大、工效低等不足,难以满足工程施工要求。2、研制背景上个世纪80 年代,大部分发达国家大型水利水电工程建设已基本结束。我国最早于 上世纪40 年代开始地下电站的建设,在当时经济技术水平十分薄弱的条件
5、下,建设规模 和技术水平均处于十分落后的状态。1980 后逐步引进了先进技术,设计理论取得突破, 施工技术不断更新。截至2014 我国已建地下电站超过100 座,目前正处于突破发展阶段, 先后建成了一批单机大容量、洞室大跨度、开挖大规模、结构超复杂、稳定高难度的地下 电站。这一过程中在遵循“新奥法”理论的基础上,也总结形成了一套大型地下洞室群开 挖的成熟施工工法,但在地下洞室规模扩大、地质条件复杂,且施工生产安全及进度要求进一步提高的情况下,仍然遇到一些技术难题需亟待解决。乌东德水电站为国家“十二五”期间在金沙江下游建设的重大水电工程,备受各级领 导和有关部门的重视。随着社会经济和科学技术的不
6、断进步,法律法规和规程规范的不断 完善,人们对生产安全的要求更加严格,更加注重以人为本,同时对生产效率也有更高的要求。主要存在以下不足或技术难题需开展技术攻关和实践总结。(1)大型厂房开挖已经形成了成熟的“平面多工序,立体多层次”施工方法。这种 施工方法浅层支护实现了无排架施工,但深层支护依然需要搭设排架实施。采取搭设排架 的传统施工方法,不仅占用工作面、施工干扰大、安全风险高,且工效低,占锚索直线工 期,影响施工进度。而深层支护的进度往往直接制约洞室下挖,尤其是大型洞室高边墙的 开挖,若深层支护未完成而继续下挖,往往导致围岩变形加大,超过允许值甚至出现高边墙安全稳定问题。鉴于此,非常有必要研
7、究一种更加灵活、高效且安全的施工设备或方法。(2)以往对于球冠形穹顶的开挖采取的是“先中导洞、再顶拱、最后两侧的分部分 区”开挖方式,而对于特大洞室穹顶开挖,采用这种方法存在较大的安全风险,且工效低、施工质量控制难度大。(3)厂房岩锚梁的开挖支护已有成熟的施工技术,但在光爆孔、预应力锚杆造孔环节仍然存在因人为因素或测量放样难度较大而导致质量难以保证的问题。(4)大型竖井的常用成熟方法为反井钻机法,但由于机械化水平相对较低,存在危险性较大、工效低、易堵井等问题3、主要技术难点(1)洞室顶拱及高边墙锚索施工技术难度高、危险性大、工效低。顶拱锚索为端锚 型,钻孔深度大且为大仰角,钻孔、入索、注浆等关
8、键工序施工操作难度非常大,且危险 性高;边墙锚索有对穿型和端锚型,钻孔精度要求高,施工工期压力大。锚索施工采用传统搭设排架作为操作平台的施工方法,存在施工干扰大、安全风险大及工效低等问题。(2)特大跨度穹顶开挖难度大。特大跨度穹顶开挖可借鉴施工经验极少,且由于地 质条件复杂,如何解决开挖过程中的围岩稳定,确保施工安全,同时保证施工质量,是其主要技术难点。(3)厂房岩锚梁开挖支护质量要求高。厂房岩锚梁岩台开挖质量要求高,预应力锚 杆钻孔精度要求高,尤其在小夹角层面和B 类角砾岩等不良地质体条件下,如何解决钻孔 过程中钻杆偏斜问题,以及在凹凸不平开挖面对预应力锚杆钻孔倾角、方位角进行精确快速放样,
9、是其主要技术难点。(4)传统竖井开挖技术机械化水平低、安全风险大。如何突破传统思路达到既快速 又安全的开挖效果,是本项目需重点解决的难题。直接利用反井钻机施工的小直径导井进 行溜渣,并采用大型设备实施井内钻孔和扒渣作业,如何有效降低或避免堵井,以及解决大型设备安全、快速吊运问题是主要技术难题。4、技术原理针对上述技术难题,依托公司承建的乌东德左岸地下电站洞室群开挖,展开了专项技 术攻关,其主要内容有以下五点:洞室顶拱大仰角超深锚索施工技术研究;高边墙锚 索精确钻孔快速施工技术研究;岩锚梁精细开挖支护技术研究;特大跨度穹顶精确安全开挖技术研究;大型竖井快速安全开挖技术研究。4.1 地下洞室锚索施
10、工新技术4.1.1 地下洞室顶拱大仰角超深锚索施工技术乌东德水电站左岸地下电站主厂房和主变洞在顶拱层开挖过程中,揭露大量块体和B 类角砾岩区,为此设计增加了大量预应力锚索进行加固。锚索钻孔垂直于开挖面,深度为 25 36m,顶拱层开挖后空间最大高度达12m,传统锚索施工方法采用搭设排架作为操作平台,布置导轨式钻机进行钻孔,后续各工序均需利用排架进行施工。对于顶拱大仰角超深锚索施工,传统方法需承重排架以满足钻机自重,以及钻孔过程中的动荷载和几十米长的钻具的自重,且施工工效低、排架作业安全风险大。(1)研发履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机为解决上述问题,工程技术人员研发了一种履带式可伸缩双臂多功能锚
11、索钻机(图 4-1),这种钻机依靠自身履带总成作为操作平台和行走机构,钻机滑架通过液压可伸缩主 臂与履带总成连接,使水平钻孔高度最大可达8.5m,也可进行顶拱大仰角锚索钻孔,不仅 无需搭设排架,对作业面要求低,且可实现自行行走;同时,该钻机液压辅臂上安装有辅 助作业平台,用于辅助锚索注浆、锚墩施工、张拉等工序;并在钻机滑槽上设置导向装置解决了开孔、钻孔精度控制问题。图 4-1 新型液压高臂履带钻车履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机由电动机作动力带动液压油泵形成压力油,通过换 向阀驱动液压马达及液压缸工作,实现钻机行走、回转、推进及钻架变换角度,完成各种 预定动作;由空压机提供压缩空气,经冲击风阀控
12、制驱动冲击器工作进行钻孔作业;采用 马达加齿轮减速机构传动,大油缸倍速给进,提拔力大,油箱散热好,全液压系统性能可 靠。且在常规钻机滑架底部增加了一个由液压马达驱动的回转支撑台,可使滑架全方位旋转,使动力头适应不同角度钻孔,大幅提高了钻机的灵活性和适应性,且工作效率高。履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机性能参数见下表。表 4-1 履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机主要性能参数表序号主要性能参数项目单位参数值备注1钻孔直径mm110-2602钻孔深度m3-1203钻杆规格mm89-1504钻孔角度0-3605动力头输出转速rpm426动力头输出最大扭矩N.M65007动力头最大行程mm1800送索装置送
13、索装置8动力头最大提升力KN860-86 可调9动力头最大进给力KN520-52 可调10液压系统额定压力Mpa1611电机功率KW3712侧向水平钻孔最低高度m0.813钻车最高钻孔高度m8.514主风管直径mm3215滑架补偿长度mm900(2)研发锚索液压自动送索装置洞室顶拱锚索入索,因锚索自重大,随着深度增加送索难度越来越大,送索至一定程 度就难以继续进行。乌东德左岸厂房顶拱锚索施工期间,经现场试验,仅送索耗时最长达 16h。之后采用了一种竖向锚索快速送索装置,虽然可保证锚索顺利入索,但操作比较繁 琐,且需两台吊车配合实施,成本较大。为进一步提高工效和安全性,研制出一种锚索液 压自动送
14、索装置(国家发明专利号:ZL2014 1 0250361.1),该装置安装在吊车大臂顶端 或履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机液压辅臂顶端,人工只需配合索体一端穿入锚索液压 自动送索装置的导向管,操作吊车就位,然后在地面操作液压控制系统即可实现锚索快速 自动入索(图4-2),解决了锚索重量大、葫芦配合人工送索速度慢、安全风险大的难题,大大提高了施工效率。吊车臂图 4-2 锚索液压自动送索装置(3)竖向锚索高压止浆技术为提高锚索运行耐久性,同时考虑提高锚索孔周边岩体的整体性和承载力,更好发挥 锚索的锚固作用,锚索孔均需进行灌浆。通常采用水泥浆灌注,灌浆压力一般为0.3 0.5MPa。而对于顶拱竖向锚
15、索灌浆,孔口止浆装置需承受设计灌浆压力和浆液自重产生的 压力,孔深40m 左右大仰角钻孔,孔口止浆装置实际承受的压力达到1.0MPa 左右。受高压 力影响,常规气囊式止浆环在灌浆中易出现漏浆,甚至出现止浆环破裂现象,严重影响灌 浆质量和施工进度。为此进行了施工工艺改进,即利用气囊式止浆环阻塞孔口,并增加一根进浆管,限量灌入浓水泥浆或水泥砂浆,在孔口形成2 3m 高浆液柱,待凝后作为止浆装置,24h 后可进行后续灌浆作业。由于凝固后的浆液柱具有良好的止浆效果,且可承受很大压力,解决了顶拱竖向锚索高压止浆的技术难题,并在一定程度上提高了工效,保证了施工质量。4.1.2 高边墙锚索施工技术(1)研发
16、的履带式可伸缩双臂多功能锚索钻机亦可应用与高边墙锚索钻孔施工。该 钻机水平钻孔高度可达8.5m,而厂房开挖分层高度一般为4 8.0m,刚好可以满足每层开挖后的锚索钻孔需要。(2)对穿锚索钻孔精度控制技术乌东德左岸地下电站主厂房与主变洞、主变洞与尾调室之间均布置有对穿型预应力锚 索,造孔深度33.25m/45m,设计要求钻孔允许偏斜不大于孔深的2%。在对穿锚索施工初期, 钻孔穿孔位置偏差较大,一次钻孔合格率平均仅71.6%,重新钻孔不仅影响工期,而且增加成本投入。为解决对穿锚索钻孔精度控制的问题,通过仔细研究分析,并经现场试验,总结形成 了一套有效的对穿锚索钻孔精度控制技术。一是对钻杆增加扶正器
17、,根据钻孔深度在钻杆 适当位置安装扶正器,从而调整冲击器与钻杆之间的重力平衡以及主副扶正器之间的相对 位置,以保证钻头始终处于设计钻孔中心轴线上(图3-5)。一般在第3 根钻杆( 一般长1.5m) 后加设第1 根扶正器,再钻进6 7 根钻杆时加设第2 根扶正器,再钻进8 9 根钻杆时加设 第3 根扶正器,在钻进过程中需退出钻杆2 3 次检查钻孔,并根据偏斜情况及时调整主、 副扶正器之间距离。二是根据地质条件适时调整开孔参数及钻进参数,一般情况下若开孔 地质条件较好,则控制钻杆上倾60.5 , 钻进速度控制在4 5m/h,若地质条件较差, 则控制钻杆上倾6.50.5( 一般取偏大值),钻进速度控
18、制在3 4m/h。三是对开孔前视 点和后视点进行精确放样,即在锚索孔位上方边墙精确放出前视点,在锚索孔上方用钢筋焊制后视点支架,在此支架上精确放出后视点,从而精确控制钻孔方位角偏差。图 4-3 水平对穿锚索钻孔纠偏原理示意图(3)自胀式止浆技术地下洞室锚索灌浆通常采用气囊式止浆环止浆,但气囊止浆环固定困难,施工中易发生移动或损坏,止浆效果较差,影响施工质量;同时,施工需配备专用供风设备,灌前需提前充气、预灌检查,灌浆中还需适时提高止浆气囊的充气压力以防漏浆。为此,研制出 一种自胀式止浆装置(如图3-3、3-4 所示),即在止浆包包裹的注浆管上预留长约5cm 的 缺口,止浆包一般采用帆布制作,注
19、浆时利用浆液及压力充胀止浆包,有效填充索体和孔 壁之间的空隙,实现止浆功能,并利用浆液流动阻力形成的进、回浆压力差提高止浆效果,从而保证锚索灌浆质量,并可节省工序、缩短灌浆时间。充填空隙帆布回浆管锚索钻孔A 25mm灌浆管 带PE钢绞线孔外侧双层帆布 预 留5cm剖口 无锌铅丝捆扎 海绵图 4-4 自胀式止浆装置结构示意图4.2 特大跨度穹顶精确安全开挖技术乌东德左岸地下电站设计布置3 个尾调室,呈“一”字型排列,调压室之间岩体最小 厚度约30m,调压室上部由11.20m23.00m(城门洞型,衬砌后,宽高)闸门廊道相连, 尾水检修闸门设在调压室内上游侧。每个尾调室上游侧高程约875.6m 布
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- 水电站 特大型 地下 开挖 新技术 研究 实践
