第十一章地下厂房

第十一章地下厂房

第十一章地下厂房 第一节概述第二节地下厂房枢纽布置及厂内布置特点第三节地下厂房的内部布置第四节围岩结构及支护第五节地下厂房施工概述

第一节概述 一、地下厂房的发展趋势二、地下厂房优缺点三、地下厂房布置型式

一、地下厂房的发展趋势 将厂房的主机室等布置在山岩之中的厂房称地下厂房。世界上已建成的最大地下水电站是加拿大拉格朗德二级水电站，厂房高47.3米，长483米，宽26.4米，装机16台，总装机535万kW。我国在建的广西龙滩水电站，厂房高74.5米，长388.5米，宽28.5米，厂房内设计安装9台单机容量60万千瓦的水轮发电机组，总装机容量达540万kW ，是世界目前最大的地下厂房。

近年来，由于地下岩石开挖技术的进步，高效能成套机械化设备以及喷锚支护等岩体加固新技术的采用,加快了地下工程的施工速度，提高了质量；又由于采用了水内冷发电机和变压器、高压封闭绝缘组合开关等电器设备，可以将升压变压器及高压配电装置布置在地下洞室内，缩短了电缆长度，避免了地面开关站的大量土石方工程,降低了工程造价，促进了地下水电站的建设和发展。近年来，由于地下岩石开挖技术的进步，高效能成套机械化设备以及喷锚支护等岩体加固新技术的采用,加快了地下工程的施工速度，提高了质量；又由于采用了水内冷发电机和变压器、高压封闭绝缘组合开关等电器设备，可以将升压变压器及高压配电装置布置在地下洞室内，缩短了电缆长度，避免了地面开关站的大量土石方工程,降低了工程造价，促进了地下水电站的建设和发展。

二、地下厂房优缺点 地下厂房的优点主要表现在以下几点： 1. 地下厂房有利于水工枢纽的总体布置。 2.地下厂房可以避开不利地形，并且具有良好的人防条件。 3.有可能降低建筑物的工程造价。 4. 有利于缩短工期。 5.有利于保持地面自然景观。地下厂房的缺点表现在洞开挖工程量大，施工难度较大，通风、防潮、采光条件差，当地质条件差时支护费用很大。

三、地下厂房布置型式 根据地下厂房在压力引水发电系统中的位置不同，地下水电站可分为首部式、尾部式和中部式三种典型布置方式。 1、首部式布置 2、尾部式布置 3、中部式布置

1、首部式布置 厂房布置在电站进水口附近，具有短的引水道和长的尾水洞。首部式布置的地下水电站由于厂房靠近水库，所以要求地质条件好，并须做好防渗措施。这种布置方式由于压力引水道短，机组运行条件好，有利于担任系统调频任务。

2、尾部式布置 厂房位于压力引水系统的尾部，靠近地表，尾水洞较短。这种布置方式水头可高达数百米甚至千米，应用较广泛。我国多数地下式水电站属于这种布置方式。

3、中部式布置 厂房位于引水系统的中部，厂房上游引水洞和下游尾水洞的长度大体相当。这种布置比首部式适用的水头大，须同时在厂房的上、下游设置调压井。

第二节地下厂房枢纽布置及厂内布置特点 一、地下水电站的枢纽布置二、厂房位置的选择三、厂房洞型和洞室间距选择四、厂内布置特点

一、地下水电站的枢纽布置 地下水电站的建筑物由引水系统（进水口、压力遂洞、调压井、高压管道、尾水调压室及尾水隧洞）、主副厂房、升压站、开关站及一系列附属洞室组成。主厂房是地下水电站的主体部分，各附属建筑物及洞室都与它相联结，布置上互相联系，互相影响。图2、图3、图4是我国白山水电站枢纽一期工程。

白山地下水电站枢纽布置图

白山地下水电站纵剖面（单位：m）

白山地下水电站厂洞透视图

地下厂房是由主机洞、主变压器洞、压力管道及岔管、阀室、尾水调压室、尾水洞、交通运输洞及其他辅助洞室构成的一组洞群。这些洞室纵横交错，将山岩切割成很多临空面，使围岩稳定问题十分突出。地下厂房是由主机洞、主变压器洞、压力管道及岔管、阀室、尾水调压室、尾水洞、交通运输洞及其他辅助洞室构成的一组洞群。这些洞室纵横交错，将山岩切割成很多临空面，使围岩稳定问题十分突出。洞室的围岩稳定与以下因素有关： (1) 围岩的物理力学特性； (2)围岩所处的地质环境； (3)洞室的体型和尺寸大小； (4)工程因素。

二、厂房位置的选择 (1)厂房位置应选择在岩性均一完整、强度高、构造单一的岩体内，并有足够的埋藏深度。 (2)厂房纵轴的布置方位应考虑岩体的结构面的产状。 (3)地应力的大小以及主应力的方向对围岩稳定有重要影响。 (4) 厂房的纵轴方向与层面的交角不宜小于35 °。 (5)在深切峡谷边布置地下厂房时，要避开邻近峡谷的卸荷裂隙带和地应力集中、转折和易于发生岩爆的地段。

三、厂房洞型和洞室间距选择 从有利于围岩稳定的角度出发，总是力求缩小厂房的跨度，以及加大洞室间距；然而，从有利于机电设备运行的角度，又总是希望主要机电设备能比较集中，这样又要增大厂房的跨度，缩小洞室间距。所以在布置中，要合理地处理好水工布置与机电布置的矛盾。例如主阀是否放在主厂房内，主变室与主厂房的相对位置等，应根据具体情况，慎重分析选定。

1．厂房洞型选择 地下厂房顶拱总是做成曲线型以利稳定。以往常常采用带有拱座的钢筋混凝土顶拱，不仅加大了厂房跨度，而且还使拱座处产生应力集中，不利于围岩的稳定。所以目前倾向于采用无拱座的喷锚支护顶拱。若岩体比较完整坚硬，也可以不作支护或只作局部的喷锚支护措施。地下厂房的边墙，一般做成直立的，便于施工。在岩体性能较差，而水平构造应力又比较大的情况下，采用曲线型边墙或倾斜边墙，均能改善边墙围岩的稳定性。

2．洞室间距选择 一般在岩性较好的情况下，岩壁厚度要大于主机洞的宽度，洞室之间岩壁的塑性区一般不会贯穿。从机电布置要求而言，在洞室围岩稳定有保证的情况下，应尽量缩短主机室与主变洞之间的距离，以缩短母线的长度。其他各种附属洞室，如交通运输洞、高压出线洞、通风洞等，在满足功能和尽量缩短长度的基础上，也应尽量避免交叉，扩大洞室间距。洞室出口应布置在边坡稳定地段。

四、厂内布置特点 （一）主厂房纵轴方向的确定（二）主厂房埋藏深度的确定（三）变压器及开关站的布置（四）附属洞室的布置（五）安装间布置（六）副厂房布置（七）主阀的布置

（一）主厂房纵轴方向的确定 厂房的最优方向应符合下列三个条件：（1）厂房洞室轴线与大断裂系统的方向不能一致。（2）轴线应与岩层走向尽可能垂直。（3）在设计施工之前，首先确定构造应力场的方向及主应力大小，然后合理选址、选线。

（二）主厂房埋藏深度的确定 为了保证厂房拱顶上覆岩体的稳定，需要有一定的埋深。如果顶部覆盖厚度太小，围岩稳定性往往较差。根据我国的实践经验，保持厂房顶部有不小于2～3倍厂房开挖宽度的覆盖厚度较为适宜。地下厂房亦不宜埋藏过深，否则附属洞室相应增长，运行不便，经济上也不合理。另外，埋藏过深则地应力大，易产生岩爆。

（三）变压器及开关站的布置 主变压器基本布置方式有两种：一种是将主变压器放置在专门的洞室中；另一种是将主变压器置于主厂房顶部。其中前一种方式应用较多。从运行角度，主变距主厂房越近，母线洞的长度越短，坡度减小。高压开关站趋向于布置在地下，由高压电缆洞与主变压器连接。这不仅可以使设备布置紧凑，而且可避免改变地面景观，有利于环境保护。当采用地面布置的高压开关站时，常采用竖井或斜井电缆洞与主变压器相连接。

（四）附属洞室的布置 附属洞室包括交通运输洞、尾水洞、出线洞、通风洞、排水洞、安全行人洞、施工洞等。为了充分利用空间和减少地下开挖工程量，布置上尽量减少附属洞室数量，力求做到“一洞多用”。附属洞室的洞口位置应选择在山体较厚、无滑坡和无堆积物的地段，这样便于施工进洞。

（五）安装间布置 安装间可利用水平的交通运输隧洞或垂直的运输（检修）竖井与地面联通。通常在运输隧洞或竖井中要布置动力和控制电缆间、通风管道以及工作人员的进出通道。在运输竖井中须布置有乘人电梯和工作楼梯。在运输竖井口的地面上布置有装卸场和进场交通线。安装间通常位于地下厂房的一端。这种布置方式便于在水电站厂房中布置工作间及辅助设备间。

（六）副厂房布置 地下副厂房平面布置主要根据机电运行要求安排，一般力求与主厂房和安装间等成一字形布置，以减少厂房的开挖度。对于规模较小的地下厂房，可采用将主副厂房并列布置，这样不仅机电布置和运行较方便，而且由于开挖宽度加大，为使用大型施工机械和加快建设速度创造条件。

（七）主阀的布置 对于中部式或尾部式布置中，大多采用一条主引水道供2台或2台以上机组发电用水的布置方式。这样的布置方式则须在每台水轮机前引水管道上装置主阀。主阀的位置与型式有：紧挨调压井设在阀门井内的快速平板闸门；设在引水钢管末端主厂房外阀室内的蝶阀；还有设在引水钢管末端主厂房内的蝶阀。

第三节地下厂房的内部布置 一、地下厂房内部布置改进措施二、地下厂房布置需注意解决的问题三、防渗、防潮四、通风五、照明六、防噪音

白山地下水电站厂房横剖面（单位：m）

白山地下水电站发电机层平面（单位： cm）

白山地下水电站厂房纵剖面及水机层平面 （单位： cm）

白山地下水电站厂房蜗壳层及尾水管层平面 （单位： cm）

一、地下厂房内部布置改进措施 1．改进发配电设备型式 2．改进吊车梁柱结构型式 3．改进安装场布置 4．改进副厂房布置

（a）悬挂式吊车梁；（b）岩锚式吊车梁； （c）岩台式吊车梁

二、地下厂房布置需注意解决的问题 （1）狭窄由于厂房的跨度、体积力求紧凑，厂房往往为窄长形布置，要充分利用附属洞室的空间。（2）防潮由于地下水渗漏，厂房墙壁及设备潮湿结露，会造成事故，必须加强防潮措施。（3）通风由于厂房深埋地下，必须强迫通风降温去湿。（4）照明地下厂房全为人工照明，必须注意光源选择和保证照明不中断，有充分的事故照明保证。其他如噪音、防爆、接地等问题，等都是地下厂房设计布置时应予以重视的。

三、防渗、防潮 （1）设置周围廊道（2）设置防潮隔墙（3）厂房顶拱设置排水措施（4）加强通风

四、通风 厂内通风(包括空调)的目的是使作业区空气保持一定的温度、湿度、气流速度和新鲜度。通风也是防潮去湿的重要手段。通风方式一般有机械排风、自然排风、全排风三种。全排风系统，采用机械排风，它可避免不通风的死角。进风口一般设在低处，出风口设在高处。在夏季温度和湿度较高地区要降低进风的湿度。去湿的办法有用冷冻机降温后去湿，或用水库深层低温水作为冷源，对进风进行喷水降温去湿。

五、照明 地下厂房必须用人工照明，要绝对可靠。结合厂内建筑装修的处理，可对光源的种类、亮度、色调作统一考虑。例如透过天棚的“光棚”及厂房四壁的“光窗”照射进来的人工照明，可类似地面自然光；还可设置紫外光保健灯以改善运行人员的健康。

六、防噪音 噪音对人身的健康危害很大，地下厂房内的噪音往往难以散播出去，会在洞室内反射。噪音的主要来源是运转的设备，包括设备内的水流。首先应尽量使用振动及噪音低的设备，同时还应采用有效的隔振、隔音措施。如采取气封的隔声门，将声源隔离；又如在机井门洞及中控室进口装设隔声门；厂房的墙板及天棚，也可做成吸音层以防噪音反射。

第四节围岩结构及支护 一、地下洞室的围岩稳定分析二、地下厂房的开挖与支护（一）地下厂房的开挖（二）洞室支护

一、地下洞室的围岩稳定分析 地下洞室围岩稳定分析要根据围岩的特性和破坏机理，采取相应的计算方法，常见的有以下三种方法：（1）工程类比法；（2）块体极限平衡法；（3）有限单元法。

二、地下厂房的开挖与支护 （一）地下厂房的开挖地下厂房的开挖属大断面的洞室开挖，开挖程序大多采用自上而下的分层开挖，首先开挖顶部中间导洞，由一端向另一端掘进，待顶拱全部挖完则立即作好顶拱支护；接着用台阶法开挖下一层，并及时作好该层的支护。施工方法大多采用钻孔爆破法，必要时可采取预裂爆破或打防震孔。

乌江东风地下式水电站主厂房洞室开挖程序图

第十一章 地下厂房