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行业动态

水利水电地下工程技术现状、发展方向及创新前沿研究
发布时间:2022年06月08日

20 世纪 60 年代以前,我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。 伴随着改革开放,引进国外的先进技术、先进设备和管理经验,使我国地下工程技术产生了质的飞跃。 从此以后,我国的工程技术人员在引进、消化、吸收的基础上再创新,拥有了一批具有自己特色的地下工程新技术。

大型地下厂房

我国地下厂房,无论规模多大,地质条件多复杂,基本摒弃了传统的混凝土衬护方法,依据新奥法理论,采用喷锚支护为永久支护,结合有限元分析成果和施工期安全监测,动态优化支护参数。 用系统锚杆作浅层支护,用锚索作深层支护,维护围岩稳定。 在喷混凝土中,普遍采用掺化学纤维或钢纤维,提高喷混凝土的整体性和抗裂能力。

在引进挪威岩壁吊车梁新型结构的基础上,我国采用双向爆破、锁角锚杆的岩台开挖技术,使岩台成型效果更好;在设计理念上,锚杆在松驰圈不受力,向深部传递吊车梁荷载,使岩壁吊车梁对地质条件的适应性更强[1,2]

统筹规划引水系统、三大洞室和尾水系统的施工程序,对关键线路的主厂房总结形成了“平面多工序、立体多层次”的快速施工方法;提出了“先中后边、先软后硬”的主厂房顶拱开挖、支护原则;制定了高大洞室“施工分层、一次预裂、薄层开挖、随层支护”和“先洞后墙、逐层加固”的高边墙开挖稳定技术[3,4]。 此外,较好地解决了复杂引水发电系统的施工期通风难题。 上述技术的应用,提升了我国大型地下厂房的勘测、设计、科研和施工技术的综合水平。

大断面长隧洞

在大江大河上修建水电工程,施工期导流流量大,运行期泄洪流量大,需要修建大断面长隧洞,其开挖尺寸达 350 ~450 m2,围岩稳定问题突出。 对于 II、III 类围岩,一般采用分层开挖、逐层支护的方法。 对于 IV、V 类围岩则采用“超前勘探、预加固、分层分区开挖、短进尺、弱爆破、勤量测”等围岩稳定技术,形成了管棚双浆液预加固、中空自进式注浆锚杆预加固,格构梁或钢支撑与锚杆联合受力和分部开挖法、眼睛法、核心土法等成套技术。

锦屏二级水电站引水隧洞长 16.7 km,开挖直径 12.4 ~13.0 m,穿越地层的岩性主要为三叠系大理岩,岩溶发育,出水构造多,最大单点涌水量达7.3 m3/s,地下水压力近 10 MPa。 隧洞工程区轴线剖面上最大主应力(σ1 )的最大值约 70.1 MPa,σ和 σ3 最大值约 38 MPa 和 31 MPa,围岩强度应力比小于 2,岩体岩爆倾向性指数 1.32 ~5.8,具备发生高地应力破坏的强度条件。 为深入了解隧洞沿线的工程地质和水文地质条件,主体工程开工前,先开挖了两条辅助洞,研究大涌水、强岩爆的治理对策。 主体工程施工采用钻爆法和 TBM 法分别从两端掘进,大涌水量和高水压力及强烈岩爆时有发生,施工安全风险极为突出。 为此,设计单位联合科研单位进行岩爆预测和防治研究,主要防治措施有:超前导洞应力解除法,修正掌子面形态法,纳米有机仿钢纤维喷混凝土封闭,水压锚杆快速加固等。 对丰富的高压地下水,则以排水为主,辅以固结灌浆封堵。 总体而言,钻爆法对于岩爆的适应性强于 TBM 法[5]

隧洞混凝土衬砌的模板技术有:全断面针梁钢模台车、城门洞形钢模台车和顶拱 260 °圆形钢模台车等,适应不同直径、不同断面形式的快速施工。

高压长斜(竖)井

抽水蓄能电站均会遇到高压长斜井或深竖井。我国已建成的抽水蓄能电站 18 座,总装机容量20 000 MW。 广州抽水蓄能电站高压水道采用二级斜井布置,其中上斜井长 406.22 m,下斜井长347.5 m,倾角 50 °,开挖直径 9.7 m。 天荒坪抽水蓄能电站则采用 700 多米长的一级斜井布置。

以往斜(竖) 井开挖一般采用正、反井同时掘进,上口用下山法,手风钻开挖,人工装碴,卷扬机牵引斗车出碴;下口用阿力马克爬罐打反导井,自重溜碴,通风散烟困难,安全威胁大。 20 世纪 90 年代中期,我国开发了但反井钻机打导井,是斜(竖)井开挖技术的重大革新,由于其安全、快捷的优点,在水电系统中广泛采用,反井钻机的开挖深度,尚不能突破 300 m 的极限。

斜井混凝土施工的难点,是模板技术。 我国自行研制的 XHM 型滑模,主要技术创新是:用前后液压千斤锁定在井壁上的中梁作为支承系统,由液压系统控制模板沿中梁滑升;由具有自锁功能的前后液压爬升器作为动力沿底部钢轨腹板带动滑模系统整体爬升。 首次实现了斜井混凝土衬砌连续滑升技术,平均滑升速度 8 m/d,填补了我国此项技术的空白,且具有自主知识产权[6,7]

目前,已形成了斜(竖)井导井开挖、扩大开挖与支护、混凝土衬砌、固结灌浆等成套技术。


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