地下式厂房

第三节地下式厂房

布置在地下洞室内的厂房称为地下式厂房，除主厂房布置在地下，主变以及开关站也往往同时布置在地下。

图17-10所示为鲁布革水电站的地下厂房布置图。

图17-10 鲁布革水电站布置图

鲁布革水电站装机容量为600MW,共四台机组，水轮机最大水头为372.5m，额定转速为333.3 r/min,额定流量为53.5,直径为3.442m。鲁布革水电站的地下厂房位于引水系统的尾部，见图17-10(a)。该电站的引水隧洞全长9382m,直径8m,引水流214。隧洞末端接其有阻抗孔的上室差动式调压井。

调压井以下为两条地下高压管道，中心距35m，管道倾角为48°，管径为4.6m，每条管道的起点各布置一扇事故闸门。每条管道末端分为二支，四条支管斜向进厂向四台机组供水，在水轮机前各布置一个Φ2.2m 的球形阀。

鲁布革水电站地下广房的洞室布置平面图见图17-10（a)，厂房横剖面图见图17-10(b)。每台水轮机用一条内径5.8m的尾水洞出水，以便于运行和维修，洞间岩柱厚度19.7m。尾水闸门设于尾水洞中部，尾水闸门室位于地下。鲁布革水电站主变压器及开关布置于平行主厂房的主变开关洞内，电站出线由四回220kV和三回110kV组成，分别由出线洞和主变运输洞引出到出线窑洞。主变开关室底板高程为785m,

在校核洪水位下冷却水能自流排出。

鲁布革水电站水轮机前的球阀布置于主厂房内，在主厂房布置上采取了一系列措施减小厂房的宽度。主厂房洞室跨度为18m，高度为39.4m，地下副厂房布置于厂房一端，两者总长度为125m,全部采用喷锚支护。

根据厂区的地形地质条件和实测地应力的情况，结合布置需要，确定主厂房位置距岸边约150m，处于坚硬和整体稳定性较好的岩体中，主厂房纵轴线为N45°W，与最大主应力方向保持了较小的夹角，同时与厂区内主要的两组小断层的走向也有一定的夹角。

一、地下厂房布置类型

采用地下厂房的水电站通常称为地下水电站。

1、引水式水电站地下厂房布置类型

根据地下厂房在引水系统中的位置，地下厂房有首部式、中部式和尾部式三种，即地下厂房分别位于引水系统的首部、中部和尾部。地下厂房布置类型的选择与地形、地质条件密切相关，并要考虑施工和运行条件。

(1)首部式地下厂房。图17-11所示为首部式地下厂房的布置图。图中所示电站的引水系统，其首部位于坚固完整的玄武岩中，尾部则处在岩溶严重的石灰岩中，因而采用首部式地下厂房，使厂房坐落于稳定性好的岩体内，避免了在石灰岩中建有压引水隧洞，而代之以用无压的尾水隧洞穿过石灰岩地段。该电站地下厂房的布置反映了首部式地下厂房常见的一些特点。该电站厂房内装有两台机组，用两条竖井式压力管道直接从水库向水轮机，供水，在进水口上设快速工作闸门，省去了下端阀门。该电站的副厂房建于地面，厂房设备先运人该副厂房，再通过运输井将设备吊人地下厂房的装配场。装配场布置在两台机组的中间，从而可以加大机组和压力管道竖井的间距，这对竖井受力有利，而且使两台机组的安装运行检修互不干扰，地下厂房的高度也可得到减小。该电站运输井中设有地下厂房的通风道、母线道、电缆道以及楼梯和电梯。厂房的新鲜空气由通风道鼓人，热空气则径直由运输井排出。该电站的下游有两个梯级电站利用本电站的尾水发电，因而为了不致因本站事故检修停机影响下级电站的发电，在厂房的甫端设有一条旁通水道，旁通水道下设有消力池，本站停机时，由旁通水道将水通过尾水隧洞下泄。

图17-11 首部式地下厂房

首部式地下厂房的特点是不建引水隧洞，而用较长的尾水隧洞，尾水隧洞承压较小或为无压隧洞，压力管道以单元供水方式向水轮机供水，可不设下端阀门，因而可以降低造价。但这种地下厂房靠近水库，需注意处理水库渗水对厂房的影响。由于厂房的交通、出线及通风一般采用竖井，因而水电站水头过大时，采用首部式地下厂房会使厂房埋藏于地下过深，从而增加了交通、出线及通风等洞井的费用，也给施工和运行带来困难。

(2)尾部式地下厂房。尾部式地下厂房见图17-10。这种厂房位于引水系统的尾部，靠近地表，尾水洞短，厂房的交通、出线及通风等辅助洞室的布置及施工运行比较方便，因而采用较多。

(3)中部式地下广房。中部式地下厂房见图17-12当水电站引水系统中部的地质地形条件适宜，对外联系如运输、出线以及施工场地布置方便时，可采用中部式地下厂房。这种电站往往同时具有较长的上游引水道和下游尾水道，当引水道和尾水道均为有压时需要同时建引水调压室及尾水调压室。

图17-12 中部式地下厂房

图17-12中的电站水头近40.0m,采用首部式布置时地下厂房的埋深过大，而引水系统－尾部2000m范围的地段内，地面高程较低，不宜布置引水隧洞，所以不采用首部和尾部式地下厂房。该电站引水系统中部的地形和地质条件适于布置地下厂房和便于布置辅助洞井，所以采用了中部式布置方式。该电站尾水洞为无压，交通运输用平洞，通风洞为斜井，而出线则用竖井。

2、坝式水电站地下厂房布置类型

图17-13所示为坝式地下水电站的一种布置型式。该电站的大坝为拱坝，地下厂房位于右岸坝下约90m 的山体内，内装3台300MW机组。用三条压力管道从水库向水轮机供水，三条尾水洞将水轮机尾水排向河道，每条尾水洞设一尾水调压井。地下广房洞室长121.5 m、宽25 m、高55 m。该厂房主变及开关站均设子地下，见图12-13（a）和图17-13(b)。铁路经交通平洞进到地下厂房的卸货平台。该电站地卞厂房靠近水库，为减少水库渗水影响厂房，在厂房与水库间的岩体丙设一有排水孔和排水廊道。

图17-13

采用土石坝的坝式地下水电站，引水系统较长，这时也可采用类似尾部式地下厂房的布置方式。

二、地下厂房的洞室组成

除了主厂房布置在地下洞室内之外，地下厂房还需要开挖各种洞室，以布置机电设备

和作交通运输、出线以及通风的通道。

1、交通运输洞和装配场

交通运输洞是地下厂房的主要对外通道。交通运输洞一般采用平洞，当受地形条件限制，用平洞作交

通运输洞有困难时，可采用竖井作交通运输井。运输洞或井的位置与装配场位置直接关连，两者应一起考虑确定。地下厂房的装配场可布置在主厂房一端，还可考虑布置在厂房中间机组段之间，后者除了具有图17-11首部式地下厂房有关说明中所分析的优点外，还有利于主厂房洞室高边墙的稳定。因为装配场段装配场高程以下的岩石可以保留不挖，边墙高度较两边机组段小得多，有助于整个厂房边墙的围岩稳定。

除交通运输洞外，地下厂房至少还应另有一个对外交通的通道，以策安全。

2.地下副厂房

地下厂房中，一部分必须靠近主机的附属设备可集中布置在紧靠主机房的地下副厂房内，其他则可以利用已有洞室分散布置或放在地面副厂房内。为避免增加主洞室的跨度，地下副厂房往往设于主厂房的一端，由于中控室等电气用房最好不与装配场在同一端，地下副厂房往往布置在另一端。机组尺寸不大，围岩稳定性好时，也可将地下副厂房放在主厂房一侧，主副厂房集中布置在同一主洞室内。

3、阀门洞（室）

水轮机前设有快速阀门时，阀门往往布置在主厂房内，利用厂房桥吊吊运，以免另开阀门洞和增设专用桥吊。阀门放在厂房内，阀门爆破的后果严重，所以在阀门的设计和制造上必须确保安全。

有需要时，也可将阀门布置在单独的阀门洞（室）内。这种布置有利于减小主厂房洞的跨度，阀门爆破的后果可以减轻，在以往的地下厂房中常有采用。在这种地下厂房中，阀门洞还设有事故排水道，在与主厂房连接的通道上还设置事故密闭门。

4、尾水闸门洞（室）

确定地下厂房机组段长度时，应使尾水管扩散段间岩体有一定的厚度，以有利于岩体稳定，需要时也可选用窄高型的扩散断面。

尾水隧洞比较长时，可以采用联合出水或分组出水方式，即所有机组尾水管出水后汇合成一条尾水洞或几台机组由一条尾水洞出水。尾水隧洞不长时则采用单独出水，即一机一洞出水。

每台机组尾水管出口一般均应设置尾水闸门井，上部设有尾水闸门洞（室），用以吊运和操纵启闭尾水闸门。采用单独出水方式时，洞口一般需设检修闸门，尾水管出口的尾水闸门井和洞可以不设。尾水闸门洞底应高出下游校核洪水位和负荷变化时闸门井内可能出现的涌浪高度。

尾水隧洞为有压而长度又较长时，尾水隧洞首部还需建尾水调压井。

5、主变洞、开关洞和出线洞

地下厂房主变压器和开关的位置与地形地质条件有关。在大中型地下水电站中，主变往往放在地下主变洞内，以缩短发电机母线长度，这时需采取专门的通风、排烟、防火和防爆措施，洞内设防爆门和防爆隔墙。主变洞应靠近主厂房以便于变压器的运输、安装和维修，减小母线长度。地面地形陡峻时，开关站也可放在开关洞内，这时需选用高压封闭绝缘组合电气装置。

地下厂房输电线由出线洞引出，引出线为母线时即称母线洞。出线洞可以采用平洞、斜井或竖井。地下厂房内为了敷夜电缆和引出母线去主变洞，需要设置相应的电缆和母线支洞。

6、通风洞

地下厂房应设有完善的通风系统，包括进风洞、出风洞以及通风机室。

进风洞应安排在较低的位置上，便于通过风管将新鲜空气从厂房各层的底部进入厂房。出风洞的位置则应较高，因为热空气比重轻，热空气上升经厂房顶棚上的出风管引出汇合，由出风洞排出比较方便。

通风机噪声大，通＼风机室应远离主、副厂房，一般可放在洞口或单独的洞室内。

在地下厂房的洞室安排上，往往考虑一洞多用，减少洞数。通风洞一般应充分利用交通运输洞（井大出线洞（井）以及无压尾水洞，例如利用交通运输洞或无压尾水洞进风，利用出线洞（井）出风。

三、地下厂房的洞室布置

1、地下厂房的位置选择

地下厂房的位置选择，不仅要考虑主洞室的需要，还要兼顾各辅助洞室的要求。应尽可能将地下厂房放在地质构造简单、岩体完整坚硬、地应力较小、开挖和运行中岩体稳定以及地下水微弱的地段。地下洞室的上覆岩体应有一定的厚度。应尽量避开较大断层带、节理裂隙发育区和破碎带。此外，地表岸坡应该

稳定，便于设置洞、井的出口。

在地形上应考虑能缩短地下厂房对外连系的洞井线路长度。

2、主洞室纵轴线方位选择

地下厂房主洞室纵轴线的方位应考虑地质构造面和地应力场的情况确定。纵轴线的走应尽量与围岩中存在的主要构造弱面如断层、节理、裂隙和层面等保持较大的夹角。同时，还要分析次要构造面对洞室稳定的不利影响。在地应力方面，洞室纵轴线应与水平大主应力方向保持较小的夹角。

3、洞室布置的一般要求

(1)洞顶的最小埋藏深度，根据岩体的完整和坚硬程度，可取洞室开挖宽度的1.5-3倍。

(2）洞室的最小允许间距，与地质条件、洞室规模和施工方法有关，一般不小于相邻洞室中大者开挖宽度的1-1.5倍。

(3)洞室相交应尽量保持正交。

(4)上下层洞室之间的岩石厚度，一般不小于洞室开挖宽度的1-2倍。

(5)洞室布置应考虑勘探和施工的需要，尽可能互相结合。

4、有限元分析在地下厂房洞室布置中的应用

地下厂房洞室布置对洞室围岩的稳定有很大影响，为了安全合理地砷定洞室间距，除了工程地质评价外，目前往往需用地下洞室围岩稳定分析有限元法进行分析研究。

用线弹性有限元法分析计算应用方便，化机时少，目前在工程初步计算中仍有应用。用弹性有限元法进行地下厂房洞室围岩稳定分析时，往往用拉应力区的大小进行评估。

图17-14 丘吉尔瀑布地下厂房围岩拉应力区

分布图（弹性有限元计算结果）

图17-14所示为邱吉尔瀑布水电站用平面弹性有限元法计算得到的地下厂房洞室围岩拉应力区的分布图。该电站水头为313m,首部式地下厂房，总装机5220MW;内装11台机组，主厂房下游平行布置有尾水调压室，厂房主洞长297m、宽24.8m、高45.8m，厂区水平地应力与垂直地应力之比为1.5。图17-14（a）。为洞室布置的初始方案，图17-14(b)为修正方案。计算结果表明主厂房与调压室洞室间距增大时，中间岩柱的拉应力区深度减小；调压室顶的高程降低到接近主厂房洞顶高程时，厂房顶拱下游边的局部拉应力区减小，拱顶应力场比较均匀；调压室宽度增加时，主厂房与调压室间岩柱承担的垂直荷载增大。最后采用的主厂房与调压室洞室间距为30.5m。调压室下游边墙倾斜，一方面可以减小调压室下游高边墙围岩的拉应力区，另一方面对水流条件也有利。

线弹性有限元法认为介质为线弹性体，这与地下洞室围岩所处的力学性状不符合。地下厂房洞室开挖前，岩体中存在初始地应力，随着洞室的开挖和支护，围岩应力重分布。应力达到屈服准则时，岩石进人塑性状态。此外，拉应力达到抗拉强度的地方会出现拉破裂，岩体中存在的断层、软弱夹层和节理裂隙等构造对洞室围岩应力也有很大影响，沿结构面会产生剪切变形和滑移。所以，要更确切地反映围岩的应力和变位状态，必须采用非线性有限元法，如弹塑性有限元法、粘弹塑性有限元法等。采用什么岩体模型应根据围岩情况和可能确定。在非线性分析中，围岩的稳定性用塑性松弛区的大小和洞壁位移来评估。

图17-15 某水电站厂房洞室围岩松弛区

分布图（非线性有限元分析）

图17-15所示为某水电站厂房洞室布置的一个方案，用非线性平面有限元计算得到的围岩松弛区分布图。

四、主厂房的洞形和吊车支承结构

1、主厂房的洞形

主厂房洞形的确定，除要适应机组设备布置的需要外，应着重考虑围岩的稳定性和地应力的大小。

主洞室最常采用的断面形状为直墙拱顶形，其边墙为垂直，洞顶为拱形，如图17-10(b)和图17-13(b)所示，适用于围岩坚固完整且地应力不大的情况，机组为立式时边墙往往很高。地应力的侧压力系数较小时，洞室开挖中洞顶容易出现拉应力，如洞顶岩体稳定性较差，抗拉强度低，侗顶岩石会出现拉破坏，在自重作用下松动岩石会塌落冒顶，拱形洞顶可改善洞顶岩体失稳的情况。洞顶岩体稳定性较差时，拱的矢跨比应取得大些；反之矢跨比可取得小一些。顶拱曲线一般为圆形和抛物线形。

地应力的侧压力系数较大时，洞室开挖中侧墙容易出现拉应力。在开始开挖洞室顶拱部分的岩石时，拱顶会出现拉应力。随着洞室的向下扩大开挖，拱顶拉应力会减小和转变为压应力，而侧墙则出现拉应力并增大。如侧墙岩体稳定性较差、抗拉强度低，侧墙岩石会松动坍落而失稳。有的地下厂房为改善侧墙的稳定性，将下部直墙做成略向洞室倾斜。

图17-16 椭圆形断面的厂房剖面图

另一类常见的洞形为椭圆形或马蹄形断面，图17-16所示为这类洞形的一种情况。这种洞形主要用于软弱破碎的围岩，或水平地应力较大的中等质量围岩。

由于应力集中的存在，洞室轮廓有突变或锐角的部位最易失稳，在洞室轮廓的确定上应尽量避免。

有限元可用以分析洞室的断面形状。图17-16所示厂房采用椭圆形断面的洞室，经过有限元分析确定椭圆的长短轴之比为32，这时周壁围岩不出现拉应力。为避免出现局部拉应力和应力集中，特别要注意保持轮廓光滑，因而采用锚着式支承梁支承厂房吊顶析架，在洞壁上不开座槽，同时在施工时采用光面爆破，减少开挖面的凹凸不平度。

在主厂房布置上，应特别注意紧凑合理，以减小洞室尺寸，尤其是洞室跨度。

2、吊车支承结构

地下厂房中的吊车支承结构除通常地面厂房中采用的吊车梁、柱这种结构型式外，还可有下面几种结构型式。

(1)悬挂式吊车梁，见图17-17（a），吊车梁悬挂在厂房顶拱的拱座上。

(2)锚着式吊车梁，见图17-17（b），吊车梁用锚杆、锚索锚固于岩壁上。

(3)岩台式吊车梁，见图17-17（C），吊车梁敷设在岩台上。

(4)带形牛腿吊车梁，见图17-18，在整体式钢筋混凝土衬砌上伸出带形牛腿作为吊车梁。吊车梁也可直接建于钢筋混凝土衬砌墙顶。

悬挂式、锚着式和岩台式吊车梁结构的最大优点是不建吊车柱，可在厂房洞室尚未向下扩大开挖时提前施工吊车梁，提早组装吊车，还可以减小厂房的开挖跨度。

五、地下厂房支护结构

地下厂房洞室的永久性支护结构，其作用是提高或充分发挥围岩自身的承载能力，确保围岩稳定，防止岩壁风化，阻止岩块脱落和阻截地下水进人厂房等。

洞室围岩完整、密致、干燥、稳定性好时可不建永久性支护结构。地下厂房洞室常用的支护结构型式有以下几种。

1、喷锚支护

水电站地下厂房中近年来广泛采用喷锚作永久性支护结构。喷锚支护的措施有喷混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆、预应力锚杆和预应力锚索等。喷混凝土的作用是粘结松散岩石颗粒，充填裂缝和凹陷，减少洞室岩壁的应力集中；钢筋网喷混凝土可提高喷层的承载力；锚杆可以将围岩松弛区的岩块连成整体，提高洞室围岩传递应力的能力，在洞顶围岩中形成承载拱，增加层面及裂隙面上的粘结力和摩擦力。

喷锚支护为柔性支护结构。它的优点是可以适应和调整围岩的变形，从而可以充分利用岩体本身的承载能力，减小支护结构承受的围岩压力。喷锚支护施工方便，可以及早地发挥支护作用，可以根据围岩变形发展的情况及时调整支护参数，充分利用支护结构的承载能力，便于分次实施。

喷锚支护结构的待定参数有喷层的厚度、锚杆的直径、间距和长度等等。参数的确定目前主要是根据围岩类别和工程类比先初步确定，再在洞室开挖的过程中通过现场监测，如喷层和锚杆的应力测量、围岩变形量测以及断面收敛量测等，及时控制调整支护参数，确定是否需要实施二次喷混凝土层和提高锚杆参数。在不同的围岩中，喷锚支护结构所起的作用不完全相同，可以根据围岩的条件、失稳的机理和支护的作用，选择一定的方法，对喷锚参数进行计算确定，但是目前在喷锚参数的确定中，计算只起辅助作用。

应用有限元法可以分析喷锚支护对围岩应力和稳定性的影响。

图17-10中所示地下厂房完全用喷锚为永久支护结构。图17-16中所示厂房主要用喷锚支护围岩，另在岩石软弱地段每隔一定距离加建钢筋混凝土拱肋支护。该电站主厂房位于带裂隙的页岩和花岗岩中，开挖几天后立即装置锚杆和实施钢筋网喷混凝土，喷层的厚度在坚固岩石的部位为3-5cm，在软弱岩石的部位为7-10cm。

2、钢筋混凝土拱肋支护

单一的钢筋混凝土拱肋支护适用于稳定或基本稳定的围岩，利用设置拱肋支护的空间效应，提高洞顶围岩的稳定性。

3、钢筋混凝土顶拱衬砌

采用钢筋棍凝土顶拱衬砌的洞室洞顶全部用现浇钢筋混凝土衬砌，边墙如不予支护或者采用喷锚支护。这种支护结构在以往的地下厂房中最为常见，主要用于洞顶围岩稳定性差和洞顶围岩压力大的情况。采用这种衬砌的地下厂房横剖面见图17-15。

由图17-15可见在顶拱衬砌的拱座处，围岩开掘较深，轮廓突变，应力集中严重，该处附近最易出现岩石松动坍塌。图17-15表示了该地下厂房用有限元分析计算得到的洞室围岩松弛区分布图，由图可见，顶拱部位的松弛区深度为2-3m，而拱座附近边墙的松弛区深度达11m。为了改善拱座附近的这种不利条件，拱的矢跨比不能过大，一般在14左右。

此外，钢筋混凝土顶拱在洞室拱顶部开挖后往往立即进行浇筑，开始时顶拱主要承受垂直的围岩压力，如围岩中水平地应力较大，随着洞室的向下扩大开挖，侧墙向洞室变形位移，拱座内移，顶拱在水平围岩压力作用下，拱顶衬砌断面会产生较大的压应力，设计不周时拱顶衬砌断面处会出现压裂破坏，在顶拱衬砌结构设计中应考虑这方面的荷载。

4、全断面钢筋混凝土整体衬砌

全断面钢筋混凝土整体衬砌的厂房，顶拱和边墙全部用钢筋混凝土衬砌支护，见图17-18。这种支护结构应用于围岩稳定性较差、岩石松软破碎、节理发育、地下水较丰或水平围岩压力较大的情况。图17-18所示地下厂房位于泥灰岩内，不仅采用卵形洞室断面，厂房的端墙也略具拱形，每台机组的水轮机和主阀布置在各自的井内，发电机层下面井外部分的岩体保留不挖，这样厂房洞室边墙的高度得以大大减小。

以上2、3和4三种支护结构为刚性支护结构。

遇到复杂的地质结构时应研究采用专门的支护措施。

在永久性支护结构的内侧一般顶部建有顶棚，四边建有隔墙，用以防潮、排除渗水、防止岩石碎片掉人厂房和装饰。顶棚上和隔墙背后的空间作检查岩壁和支护结构情况的通道，布置通风管，敷设排水沟管。顶棚一般吊于顶拱下，称为吊顶。有的电站地下厂房围岩很坚固，地下水很少，不设永久性支护，隔墙也仅用高1-2m的矮墙代替。