抽水蓄能电站地下厂房洞室群具有规模大,洞室多,结构型式多等特点。为探讨立体开挖方法缩短厂房开挖工期的可能性,以文登抽水蓄能电站为例,本文对其地下厂房顺层开挖方案与两种不同的立体开挖方案进行了施工全过程仿真计算。计算结果表明: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,对类似工程具有参考意义。 The obvious characteristics of the caverns of underground plant of pumped-storage power station are large scale, many caverns and many structure types. In order to explore the possibility of shortening the project duration of the Three-dimensional excavation method, taking the Wendeng Pumped Storage Power Station as an example, the whole construction process simulations of un-derground excavation in sequence plan and two different 3D excavation plans were carried out. The results show that the short-term high input of mechanical equipment can shorten the total construction period and bring significant benefits when technical conditions and the input of ma-chinery are allowed. This study is of great reference significance for similar projects.
徐艳群1,刘传军1,席翔2*,贺昌海2,傅少君2
1山东文登抽水蓄能有限公司,山东 威海
2武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北 武汉
收稿日期:2018年2月20日;录用日期:2018年3月6日;发布日期:2018年3月14日
抽水蓄能电站地下厂房洞室群具有规模大,洞室多,结构型式多等特点。为探讨立体开挖方法缩短厂房开挖工期的可能性,以文登抽水蓄能电站为例,本文对其地下厂房顺层开挖方案与两种不同的立体开挖方案进行了施工全过程仿真计算。计算结果表明: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,对类似工程具有参考意义。
关键词 :抽水蓄能电站,地下厂房,立体开挖,施工仿真
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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 [
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)。
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。
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 [
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 [
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)。
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)。
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
厂房分层 | 分层高程(m) | 层高(m) | 施工通道 |
---|---|---|---|
I层(顶拱) | 75~65.5 | 9.5 | 通风洞和主厂房通风支洞 |
II 层 | 65.5~57.5 | 8.0 | |
III层 | 57.5~49.5 | 8.0 | 以交通洞作为施工通道 |
IV层 | 49.5~43.0 | 6.5 | |
V层 | 43.0~36.0 | 7.0 | 厂房下部施工支洞、 引水隧洞(压力管道)下平段 |
VI层 | 36.0~29.0 | 7.0 | |
VII层 | 29.0~22.0 | 7.0 | 尾水隧洞施工支洞 |
表1. 厂房分层方案
工序名称 | 模拟开始时间 | 模拟完成时间 |
---|---|---|
1层中导洞 | 第1年3月1日 | 第1年5月21日 |
1层扩挖上游侧 | 第1年5月22日 | 第1年8月9日 |
1层扩挖下游侧 | 第1年6月1日 | 第1年8月18日 |
2层中梯段 | 第1年8月19日 | 第1年10月3日 |
2层预留保护层上游 | 第1年10月4日 | 第1年12月18日 |
2层预留保护层下游 | 第1年10月14日 | 第1年12月28日 |
岩锚梁施工 | 第1年12月29日 | 第2年3月28日 |
主厂房3层 | 第2年3月29日 | 第2年5月28日 |
主厂房4层 | 第2年5月29日 | 第2年7月7日 |
主厂房5层 | 第2年7月8日 | 第2年8月22日 |
主厂房6层 | 第2年8月23日 | 第2年10月7日 |
主厂房7层 | 第2年10月8日 | 第2年12月7日 |
表2. 顺层开挖方案仿真工期
工序名称 | 模拟开始时间 | 模拟完成时间 |
---|---|---|
1层中导洞 | 第1年3月1日 | 第1年5月21日 |
1层扩挖上游侧 | 第1年5月22日 | 第1年8月9日 |
1层扩挖下游侧 | 第1年6月1日 | 第1年8月18日 |
2层中梯段 | 第1年8月19日 | 第1年10月3日 |
2层预留保护层上游 | 第1年10月4日 | 第1年12月18日 |
2层预留保护层下游 | 第1年10月14日 | 第1年12月28日 |
主厂房第5层 | 第1年9月1日 | 第1年11月15日 |
岩锚梁施工 | 第1年12月29日 | 第2年3月28日 |
主厂房3层 | 第2年3月29日 | 第2年5月28日 |
主厂房4层 | 第2年5月29日 | 第2年7月7日 |
主厂房6层 | 第2年7月8日 | 第2年8月22日 |
主厂房7层 | 第2年8月23日 | 第2年10月22日 |
表3. 立体开挖方案1仿真工期
工序名称 | 模拟开始时间 | 模拟完成时间 |
---|---|---|
1层中导洞 | 第1年3月1日 | 第1年5月21日 |
1层扩挖上游侧 | 第1年5月22日 | 第1年8月9日 |
1层扩挖下游侧 | 第1年6月1日 | 第1年8月18日 |
2层中梯段 | 第1年8月19日 | 第1年10月3日 |
2层预留保护层上游 | 第1年10月4日 | 第1年12月18日 |
2层预留保护层下游 | 第1年10月14日 | 第1年12月28日 |
下部施工支洞延伸 | 第1年9月1日 | 第1年10月25日 |
引水下平段延伸 | 第1年10月1日 | 第1年11月5日 |
尾水支管延伸 | 第1年11月1日 | 第1年12月15日 |
岩锚梁施工 | 第1年12月29日 | 第2年3月28日 |
主厂房3层 | 第2年3月29日 | 第2年5月28日 |
主厂房4层 | 第2年5月29日 | 第2年7月7日 |
主厂房5层 | 第2年7月8日 | 第2年8月14日 |
主厂房6层 | 第2年8月15日 | 第2年9月19日 |
主厂房7层 | 第2年9月20日 | 第2年10月26日 |
表4. 立体开挖方案2仿真工期
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)。
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)。
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。
徐艳群,刘传军,席 翔,贺昌海,傅少君. 文登抽水蓄能电站地下厂房施工仿真分析Simulation Analysis of Construction of Underground Plant for Wendeng Pumped Storage Project[J]. 土木工程, 2018, 07(02): 177-182. https://doi.org/10.12677/HJCE.2018.72022