1. 序言
水利水电工程地下厂房洞室群施工是一项极其复杂的系统工程,许多因素都会影响其施工进度,合理的开挖方案能够有效的节省工期。近年来,“平面多工序,立体多层次”的施工工艺越来越多地应用于地下厂房的开挖实践中。瀑布沟水电站采用立体施工方案,多个工作面进行洞室开挖,减少了每层支护与开挖的干扰,使其6号机开挖提前46天完成 [1] 。官地水电站采用立体施工组织后,加快了厂房开挖的施工速度,确保了整体施工进度 [2] 。为保证厂房的开挖节点目标,清远抽水蓄能电站提前通过尾水支管进行厂房底层的开挖 [3] 。大朝山水电站采用立体开挖技术方案,不仅将已经拖后的土建工期抢回,而且提前5个月完工,经济效益显著 [4] 。可见,相对于传统的地下厂房的顺层开挖方法,立体开挖方法有着比较显著的优势。但是,立体开挖目前只有实践成果表明其优势,并没有系统详细的理论计算证明。本文根据文登抽水蓄能电站地下厂房的特点,对地下厂房顺层开挖方案和两个立体开挖方案,进行地下厂房系统施工全过程仿真计算研究,从理论计算角度证明立体开挖的优势,为工程施工提供参考。
2. 施工方案
2.1. 工程概况
文登抽水蓄能电站位于山东省威海市文登区界石镇境内。地下厂房系统主要建筑物由主副厂房、主变室、通风机房、母线洞、进厂交通洞、通风洞(包括通风支洞和主变通风支洞)、排烟洞、排风竖井、出线洞、出线竖井、排水廊道(包括上、中、下3层)和地面开关站等组成。
各建筑物的主要控制尺寸:主副厂房(包括主机间、安装场和副厂房)洞室开挖尺寸209.5 × 24.9 × 53 m (长 × 宽 × 高);主变室工程(含主变副厂房)洞室开挖尺寸203.41 × 19.9 × 20.0 m (长 × 宽 × 高);母线洞洞室开挖尺寸40.0 × 8.5 × 11 m (长 × 宽 × 高,6条)。
2.2. 开挖方案
根据工程实际情况,拟定三种可行的开挖方案。
1) 顺层开挖方案:主厂房按七层开挖。顶拱开挖采用中导洞领先、两侧跟进扩挖的方法,开挖高度9.5 m。 II 层开挖层高8.0 m。岩壁吊车梁位于此层,为确保围岩稳定,将该层分为 II 1、 II 2两个开挖区, II 1区为中央开挖区、 II 2区为两侧开挖区, II 1区开挖领先两侧 II 2区至少30 m。 III ~ VI 层采用液压钻机钻孔,沿厂房边线先打预裂孔,中部梯段爆破开挖。厂房 VII 层开挖层高7.0 m,采用三臂液压凿岩台车钻孔,液压平台车辅助人工装药爆破开挖(参见表1)。
2) 立体开挖方案1:主厂房开挖分层同上,开挖顺序:先进行顶拱开挖,然后同时进行第二层和第五层开挖,其他层的开挖同上。
3) 立体开挖方案2:主厂房开挖分层同上。开挖顺序:先进行顶拱开挖,然后开挖第二层。为便于施工出渣,在第二层开挖的同时,将高压引水管从上游边墙延伸至下游边墙部分开挖,将尾水洞从下游边墙延伸至上游边墙部分开挖,将底部施工支洞从厂房左端延伸至厂房右端部分开挖。其他层的开挖同上。
3. 模拟成果分析
仿真就是用模型(物理模型或数学模型)代替实际系统进行实验和研究。随着计算机技术的不断发展,计算机仿真已被广泛应用于各个领域。刘宁通过对两河口心墙堆石坝场内交通运输过程的仿真和优化研究,提高了心墙堆石坝施工组织设计的效率和水平 [5] 。张鹏飞对向家坝工程的土石方平衡调配规划仿真,优化了施工过程中的土石方调配工作,提高了工程质量 [6] 。黄建红对水布垭地下厂房洞室群施工过程的仿真,平衡了洞室群开挖中的强度仿真,降低了洞室开挖的高峰强度 [7] 。由此可见,计算机仿真技术对水电工程有着可靠的指导作用。
本文对文登抽水蓄能电站的研究集网络计划技术、循环仿真随机网络技术、系统仿真技术及三维可视化技术于一体,采用两个层次的建模技术:工序模型和活动模型。应用“仿真时钟”来体现“模拟时间”的运行轨迹,在仿真过程中相应地设置两个仿真钟全程仿真钟和本地仿真钟。
全程仿真钟记录工序模型的仿真运行轨迹,采用事件步长法推进,以事件发生的持续时间为增量,按照持续时间的进展分步对系统的行为进行仿真,直到预定的仿真时间结束或所有时间完成为止,当有模拟工序事件发生时,全程仿真钟保留当时的状态,然后将控制权交给活动模型;本地仿真钟用于活动模型的仿真轨迹,采用事件步长法推进,当活动模型接受到控制权,启动本地仿真钟,事件驱动本地仿真钟的推进,待到仿真事件全部完成为止,关闭本地仿真钟,本地仿真钟归零,将控制权交还工序模型,重新启动全过程仿真钟。最后得到合理工期、施工机械配置、优化的开挖方案 [8] [9] [10] [11] 。
3.1. 顺层开挖方案
顺层开挖施工方案模拟于第1年3月1号开始,第2年12月07日结束,历时约21.23个月,平均月开挖强度1.29万m3。开挖高峰期发生在第2年4月,高峰期最大开挖强度2.5万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车97.4台班、ROC液压钻机201.9台班、手风钻92.9台班、装载机430.2台班以及自卸汽车3011.5台班(表2)。
3.2. 立体开挖方案1
立体开挖方案1模拟于第1年3月1号开始,于第2年10月22日结束,历时约19.73个月,平均月开挖强度1.38万m3。开挖高峰期发生在第1年9月,高峰期最大开挖强度3.47万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车140.0台班、ROC液压钻机164.7台班、手风钻92.9台班、装载机435.0台班以及自卸汽车3045.1台班(表3)。
3.3. 立体开挖方案2
立体开挖方案2模拟于第1年3月1号开始,第2年10月26日结束,历时约19.86个月,平均月
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. The program of plant stratification
表1. 厂房分层方案
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. The simulation duration of stratified excavation in sequence
表2. 顺层开挖方案仿真工期
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. The simulation duration of stereoscopic scheme 1
表3. 立体开挖方案1仿真工期
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 4. The simulation duration of stereoscopic scheme 2
表4. 立体开挖方案2仿真工期
![](//html.hanspub.org/file/8-2750469x10_hanspub.png)
Figure 1. Comparison of three plans excavate intensity
图1. 三种方案开挖强度对比图
开挖强度1.37万m3。开挖高峰期发生在第1年9月,高峰期最大开挖强度2.84万m3/月。开挖期间内共需投入三臂液压凿岩台车118.5台班、ROC液压钻机183.6台班、手风钻92.9台班、装载机436.3台班以及自卸汽车3053.9台班(表4)。
3.4. 成果比较
顺层开挖方案更多地使用ROC液压钻机,立体开挖方案则使用三臂液压凿岩台车更多;对于装载机和自卸汽车的总投入台班,三种开挖方案基本一致。
相对于顺序开挖方案,立体开挖方案1能节省工期1.5个月,立体开挖方案2能节省工期1.36个月。从开挖强度看,在厂房第二层开挖时(第1年9月至第1年12月中旬),由于立体开挖方案同时进行多个工作面的工作,两种立体开挖方案的高峰期开挖强度均高于顺层开挖方案,同时机械设备的投入也比顺层开挖方案的同期投入多。在其他时段,三种开挖方案的开挖强度和机械设备投入情况总体差距不大(图1)。
4. 结语
通过仿真计算,本文对比了地下厂房顺层开挖与立体开挖的优劣。结果表明立体开挖在技术条件和机械投入允许的情况下,短期内的机械设备的高投入可以缩短总工期,从而带来显著的效益。应该指出的是,是否采用立体开挖方案,还应结合施工过程围岩稳定分析成果等综合确定。
参考文献