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行业动态

中国水利水电地下工程安全建设技术、 国家需求及科技前沿问题
发布时间:2022年06月04日

一、地下工程建设技术发展的现状 20世纪 80年代以前,中国地下工程施工以手风钻钻孔爆破开挖、人工出渣 为主,围岩稳定性维护以架立支撑防止塌方的被动支护为主,施工速度慢,效率 低,安全问题突出。改革开放以后,通过引进国外先进技术、先进设备和管理经 验,并进行了消化、吸收、再创新,中国拥有了一批自主创新的地下工程建设技术。 水利水电地下工程技术的主要成就有以下五方面: 

1,大型地下厂房安全建设技术;

2,复杂地质条件下大断面、长隧洞安全建设技术;

 3,无钢衬高压钢混凝土岔管设计及施工技术; 

4,高压长斜井安全建设技术;

 5,地下工程混凝土模板建设技术。 大型地下引水发电系统快速安全施工的主要经验。统筹规划引水系统、三大 洞室、尾水系统的施工程序,对关键线路的主厂房采用了“平面多工序、立体多层 次”的快速施工方法,首创地下厂房 3层立体开挖。 这是 3层立体示意图,因为涉及了母线洞开挖,尺寸大,支护要求高,所以这 一层的施工进度比较慢。为了加快施工进度,我们从压力钢管道就进入了厂房第 四层开挖,主要开挖厂房中轴线以上的上游部分,第三层主要进行厂房下游边墙 支护及母线洞开挖,同时从尾水隧洞进入了厂房的底层开挖,这样的立体开挖工 期大概可以缩短半年。 对于主厂房的顶拱开挖遵循“先中后边,先软后硬”的开挖支护原则。我解 释一下,如果岩体比较完整坚硬,一般采用先挖中导洞再开挖两边,这是三峡地下 厂房开挖的图片,就是采用了这样一种方法,可以看到三峡地下厂房顶拱开挖的 效果;但是对于软硬相间的层状岩体,这些层状岩体倾角大概在 60°左右,我们就 采用“先边后中,先软后硬”的办法,首先开挖软的一边,而且是岩层的层状结构 面是倾向于临空面,我们把这一块开挖支护完毕,中间保留一个支撑岩柱,再开挖 硬的一边。再往下开挖高边墙,采用同样的办法,把软的一边开挖掉,完成支护, 红水河的龙滩水电站和澜沧江上的功果桥地下厂房是典型例子。 我们国家从 20世纪 80年代后期起,普遍采用了岩壁吊车梁的技术,也就是说 地下厂房的吊车梁不再采用传统的梁柱结构,而是把吊车梁通过锚杆锚在岩壁上, 这应该是地下厂房吊车梁技术的一次重大的革新,这就要求岩台开挖成型非常好。 所以,我们在建设过程中探索了采用“双向爆破,锁角锚杆”的岩台开挖技术,在岩台 下面加了锚杆,使岩壁吊车梁能够安全运行的关键是岩台开挖。从照片看,岩台开挖 的成型效果是非常好的,采用这种技术保证了岩壁吊车梁能够长期安全的运行。 另外,对于厂房的高边墙,最近几年又总结出了一套开挖稳定的施工技术,叫 “施工分层,一次预裂,薄层开挖,随层支护”。大家知道,高大厂房是要分层开挖 的,比如我们开挖到第三层的时候,这一层是一次预裂完成的,大概在 8~10m,但 是开挖的时候是分两层的,上层开挖完毕之后,就对边墙进行及时的支护,所以“薄 层开挖,随层支护”就是这样一个概念。再往下挖,第四层的时候也是一样,分层一 次预裂,挖半层 4~5m,边墙支护完了再往下开挖,这样做是控制高边墙的有害变 形。我们看到这是溪洛渡电站厂房高边墙开挖爆破后的成型效果,是非常好的。

最后一项技术,对于大挖空率的高边墙,遵循“先洞后墙,重点加固”的开挖 支护原则。厂房底层由于水力机械布置的要求,布置有尾水肘管,开挖尺寸很大, 大概洞与洞之间保留的岩体不到 50%,最小的保留岩体只有 40%,因此高边墙极 容易失稳。我们对于这一部位的开挖程序和支护的原则是提出了明确的要求的, 要求在两条尾水洞之间用对穿锚索,恢复它的三向应力状态,同时对于开挖的基 坑可以看到,开挖的基坑中间留有岩墙,要求进行精细开挖,并进行重点的加固, 这样保证厂房高边墙不产生大变形和有害的变形。 下面介绍一下复杂地质条件下大断面长隧洞安全建设技术。我这里主要介 绍地质条件差的Ⅳ、Ⅴ类围岩。Ⅳ、Ⅴ类围岩在水电工程中主要是进出口,埋深很 浅,风化很深,另外还有一些难免要穿过的较大的断层及破碎带。对这些部位,主 要采取“超前勘探,预加固,分层分区开挖,短进尺,弱爆破,早封闭,强支护,勤量 测”的围岩稳定技术,形成了“管棚双浆液预加固,中空自进式注浆锚杆预加固, 格构梁或钢支撑与系统锚杆联合受力和分部开挖法、眼睛法、核心土法”等成套技 术。这是一张典型的Ⅳ、Ⅴ类围岩的分区开挖的方法,这是一些预加固的措施,我 们有的时候还采用从上部施工台阶上打锚杆把顶拱吊起来的方法。上午钱院士 谈到地下工程的安全风险主要是一些不良的地质条件,我们在水利水电工程中, 地下工程安全建设的一条最基本的原则是“防止塌方或者减少塌方”。这样在技 术上,首先对地质条件要搞清楚,然后在施工技术上要采取一系列的方法防止塌 方,要塌也不要塌得很高,如果塌得很高就不好收拾了。所以,在水利水电工程 中,由于施工措施不当,地质条件不清楚造成事故伤亡的现象,是比较少的。 下面,我介绍一下锦屏二级水电站的案例。锦屏二级水电站总共四条引水隧 洞,先施工了两条交通洞,叫 A、B洞,在四条引水洞施工之前,我们又考虑到这里 的涌水量非常大,所以用 TBM打了一条 7m直径的排水洞。我们在施工规划中 实际上采用了 TBM和钻爆法优势互补的组合方式,这种组合方式就是 1#、3#引水 洞采用 TBM法从东端往西端掘进,从西端相反的方向采用钻爆法迎接它;把 2#、4 #引水洞两边全部采用钻爆法施工,而且通过 A、B洞打了几条支洞进去,采用长 洞短打的办法;如果碰到强烈岩爆,在 TBM受阻的情况下我们就通过这些辅助洞 去支援它。总的施工规划,我觉得现在实施的效果还是比较好的。上午钱七虎院 士也谈到了,在施工 7m排水洞时,打到 2/3多的时候,强烈岩爆把这台掘进机埋 死掉了,之后通过从辅助洞打支洞,以及从尾巴用钻爆法,把整个排水洞挖完。现 在锦屏二级水电站的四条引水隧洞已全部打通,今年首台机组要发电了。 总体来说,这样一种施工方案是非常成功的,就是充分利用了 TBM和钻爆法 各自的优缺点,来实现优势互补。锦屏二级水电站采用 TBM法施工还是成功的,月进尺一个月达到了 600m,最高一天达到了 60m。但是因为经常碰到岩爆,所 以总体效率不算很高。锦屏二级水电站施工中主要地质问题是岩爆和大涌水,最 大涌水量 73m3/s,最大水压力 10MPa,围岩最大主应力 701MPa,岩爆倾向指 数 132~58。锦屏二级水电站对于前期的工程地质条件和水文地质条件是做 了比较深入的工作的,我觉得这是很好的基础。尤其是我们在施工 A、B两条辅 助洞的时候,它是作为交通运输洞的,因此,把 167km沿线的强岩爆地区、地段, 以及突涌水大的地段情况基本摸清,心里大概有一个数,在这样的情况下,在施工 中对于岩爆专门成立了一个小组,采用地球物理法超前勘探,这是我们成功征服 了强岩爆、大涌水难题的关键。 具体的处理办法:对于强烈岩爆,本次很多专业人士今天包括明天发言中都要讲 岩爆,我觉得治理强烈岩爆,全世界还没有行之有效的对策和办法,那么锦屏采用 了什么办法?基本上采用了修正掌子面形态法和超前导洞应力解除法。这是岩 爆把多臂钻砸坏的照片,我们采用了超前导洞和应力解除爆破孔,把应力先解除 一部分,我觉得这个办法锦屏用得是比较成功的。当我们用 TBM法施工,碰到强 烈岩爆的时候,实际上我们就从隔壁用钻爆法施工的洞子打一条支洞帮助它, TBM没有办法往后退,所以没有办法对付岩爆,用超前导洞把应力解除掉。另 外,我们采用了两项技术:一项是纳米有机仿钢纤维喷混凝土封闭,这种喷混凝土 不像传统的喷混凝土,一次喷 5cm,多了就掉了,这个不受限制,喷 20cm上去也 不会掉;另外一项是,采用了水胀式锚杆和胀壳式预应力锚杆快速加固。有多位 专业人士谈到锚杆不能完全刚性,需要适应变形的能力,表面还有尺寸较大的垫板,喷 混凝土里面,因为纳米仿钢纤维喷混凝土比较贵,喷了 6~10cm之后就挂钢筋 网,再往上喷纤维混凝土。这张照片是 7m直径的 TBM机被砸坏压在里面的照 片,我们可以看到强烈岩爆造成的变形体。我们的体会是,钻爆法对于岩爆的适 应性强于 TBM法。 在高地应力的地区,突水突泥比较大的地区,如果是有几条洞子的话,我觉得 锦屏的施工规划是比较成功的。这张照片是突水,可以看到水已经淹了半个洞子 了。突水处理的主要原则是“探、排、控、堵”。首先是探明情况,然后是排,另外 还有控制和堵。前期我们在搞试验洞的时候,提出了“以堵为主,以排为辅”的原 则,是失败了。压力这么高,流量这么大的地下水,要想采用灌浆封堵的办法是堵 不住的;后来采取了“以排为主,以堵为辅”的原则,排的时候辅助洞打通了,主要 往辅助洞和排水洞排。对于涌水较小的地段,采用了灌浆封堵,喷纳米仿钢纤维 封闭,再打排水孔集中引流。所以,锦屏二级水电站的岩爆和大涌水的整个治理, 实践证明基本是成功的。