復雜地質條件下大斷面調壓室工程施工技術初探

吳勇，陳波

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

近年來，隨著水電工程開發的不斷深入，一批地質條件復雜且開挖斷面巨大的調壓室相繼開工建設，其施工期的圍巖穩定性和運行期的結構安全性問題非常突出，已成為制約該類水電工程建設周期、投資和安全的關鍵技術問題。為此，筆者結合川西地區福堂、桑坪、姜射壩、柳坪、毛爾蓋等多個水電站的調壓室工程實例，從施工特點和難點、設計意圖與施工關鍵技術三個方面進行了總結和探討。

1 施工特點和難點

這些調壓室工程處于四川省阿壩州茂汶黑地區，地質條件均較復雜，有的雖為花崗巖，但處于強卸荷巖帶，巖體破碎，結構面發育，卸荷強烈，部分呈松動或松散狀態，完整性很差;有的為千枚巖夾灰巖，處于強卸荷帶內，各類結構面發育，裂隙呈張開狀，巖體破碎呈碎裂結構，巖層傾倒變形顯著，且多為IV、V 類圍巖。以上所述各水電站調壓室工程特性見表1。

表1 各水電站調壓室工程特性表

結合上述工程實際，筆者將這些調壓室工程的施工特點和難點歸納為以下三個主要方面:調壓室的斷面大、深度高，在復雜地質條件下，防止井壁坍塌是施工的重點和難點;施工組織方案的合理性，在保證質量和安全的前提下，可加快施工進度，控制工程投資;做好關鍵部位的施工管控。

2 設計意圖

(1)調壓室是設置在壓力水道上、具有下述功能的建筑物:①由調壓室自由水面(或氣墊層)反射水擊波，限制水擊波進入壓力引(尾)水道，以滿足機組調節保證的技術要求;②改善機組在負荷變化時的運行條件及供電質量。

(2)調壓室的設計可參閱《水電站調壓室設計規范》(DL/T5058-1996)。

關于桑坪水電站調壓室工程的穩定性及其結構特性以及初期安全支護設計和永久襯砌設計，已通過模擬試驗得出研究成果，其在四川大學水電學院的研究報告“調壓室穩定性和結構特性三維有限元分析報告”中已有論述。筆者從該報告中摘錄了一些淺顯、實用的結論，以便大家對調壓室工程的結構特性有所了解和認識。

①在調壓室采用分層開挖、及時錨噴支護和滯后一層混凝土襯砌施工過程中，大井支護結構(襯砌)變形具有兩個特點:一是中下部高程襯砌向井內的變形值大于底部和上部高程;二是同一高程井周的襯砌變形存在明顯的不對稱性，隧洞側和鋼管側的襯砌變形明顯大于上下游(另外兩側)，這種不對稱變形以上部高程表現尤為突出，甚至出現上游側向井外側變形的情況，整個大井襯砌變形近似為“橢圓形”。

②三維非線性有限元計算成果表明:調壓室采用分層開挖，錨噴支護及時跟進和混凝土滯后一層形成的施工程序是可行的，但分層的高度應結合調壓室圍巖類別加以分析確定。

③受斜坡地形因素影響，調壓室所賦存的地應力環境存在偏壓現象，中上部高程圍巖厚度存在較大差異，致使施工期和運行期調壓室結構變形和應力沿井周分布存在不均勻性，這種不均勻性在圍巖質量較差的上部高程表現相對突出，故在工程中應注意由此產生的影響，在分層開挖過程中應盡早形成沿井周閉合的混凝土襯砌，以改善襯砌的受力條件，提高圍巖的穩定性。

④建議在調壓室施工過程中開展地下水位、圍巖變形和支護結構的應力監測，及時了解支護結構的工作狀態和圍巖穩定性，以確保施工期和運行期調壓室的安全。

3 調壓室工程施工的關鍵技術

3.1 超前預固結灌漿加固井周圍巖，對井口及外側邊坡采取防護措施

(1)福堂水電站和桑坪水電站的調壓室工程均采取超前預固結灌漿+錨筋束的施工技術。所不同的是鑒于其復雜的地質條件，福堂水電站調壓室超前預固結灌漿的耗量很大;而桑坪水電站超前預固結灌漿采取了延米單耗包干的形式，從而控制了工程投資。故在圍巖條件稍好的前提下，建議研究采用鋼管群樁加固的比較方案，即:在造孔階段，只對孔壁做固壁處理，滿足成孔要求即可，可避免出現灌漿費用過高的現象;成孔后下鋼管并注漿封孔;對于井壁巖體局部穩定問題，可以通過在開挖時及時做好深錨桿掛網噴護或采用小導管注漿予以解決。

(2)受斜坡等地形因素影響，調壓室所賦存的地應力環境存在偏壓現象。不論是否采取倒掛混凝土襯襯，鎖口混凝土都是必要的，其通常可以同時作為超前預固結灌漿的蓋重混凝土，且施工便捷，可有效控制成本。鎖口混凝土一般設置在開挖結構線外，且采用鋼筋混凝土形式較為穩妥，其斷面形式見圖1。

(3)開敞式調壓室布置受地形和地質條件限制，多數場地狹窄:其一，調壓室口接后邊坡的坡腳，在大室開挖后，該部位應力調整且應力集中，易出現開裂或滑移現象。例如茂縣吉魚水電站調壓室，對其坡腳部位采取了抗滑樁處理措施。其二，調壓室同一平切高程室周變形存在不均勻性，鋼管側井壁變形明顯大于隧洞側，這種差異在中上部高程表現相對突出，主要是由于外側邊坡水平埋深較淺、鋼管側圍巖相對單薄所致。

圖1 鎖口(蓋重)混凝土結構圖

若調壓室及壓力管道的外側邊坡為坡積體之類的不良地質條件，應高度重視邊坡的防護處理，否則易出現滑塌。在吉魚水電站，其調壓室外側的壓力管道邊坡就出現過較大的滑塌事故。

3.2 適時、合理地開挖分區及可行的支護方案，可有效地防止室壁坍塌

(1)無論何種形式的調壓室開挖，導井開挖都是調壓室開挖成功的關鍵因素。從某種意義上講，導井開挖成功，調壓室開挖就成功了一半。在此，筆者重點介紹了利用反井鉆機開挖導井的施工方法。利用反井鉆機開挖導井的施工程序為:沿豎井中心線布置LM300型反井鉆機，自上而下形成φ216導孔，導孔完成后，在豎井底部安裝擴孔鉆頭，自下而上擴挖溜渣井(φ1400)，溜渣井形成后，其直徑尚不能滿足正常的溜渣需要，應采用人工擴孔將孔徑擴大至2.5～3 m 為宜(圖2)。

(2)根據調壓室開挖斷面面積及地質條件，井身開挖應采取光面爆破，預留保護層，減少超挖及回填工程量，控制工程投資;大斷面調壓室應分區開挖，同時跟進必要的初期安全支護，防止井壁出現大型坍塌。常采用的支護形式有錨網噴、格柵拱架、鋼支撐等或是幾種形式的聯合支護，也可采取錨網噴+倒掛混凝土初襯的形式。茂縣吉魚水電站調壓室(開挖直徑為35 m)采取鋼支撐+錨網噴作為初期安全支護，跟進了有效的施工期安全監測措施，保證了大井的安全貫通。

圖2 導井開挖施工程序圖

(3)對于開敞式調壓室，采用錨網噴+倒掛混凝土初襯，在井壁開挖成型后，應及時跟進錨網噴支護封閉巖面，與圍巖結合形成共同受力的結構;根據桑坪水電站調壓室的施工經驗，倒掛混凝土可以采取小鋼模+鋼管支撐的方式，施工便捷，節約成本。對于埋藏式調壓室而言，宜采取邊挖邊襯的方式，以確保井壁開挖施工期間的安全。

(4)調壓室下部、阻抗孔與隧洞結合部位的防坍塌施工技術。姜射壩水電站在進行調壓室底部井壁坍塌處理時，阻抗孔下部隧洞因地質原因出現了邊頂拱以上部位的大面積塌方事故，搶險處理費時一個月，造成發電目標推遲。為防患于未然，在桑坪水電站引水隧洞開挖時，對調壓室下部的隧洞部位采取工字鋼+錨網噴初期強支護，并對阻抗孔部位降低了支護強度(考慮挖掘機須從阻抗孔部位出去，適當加大了該部位)，以便阻抗孔擴挖時，不會對強支護系統造成大的破壞，進而引起初期支護成本浪費或坍塌等安全事故。在后期混凝土施工中，將阻抗孔下部的隧洞洞身混凝土與阻抗孔孔壁混凝土一起澆筑，從而保證了該部位的整體性。

3.3 確定合理的施工流程并做好施工組織

(1)對于開敞式調壓室工程，根據類似工程成熟的施工經驗制定的施工程序一般為:超前預固結灌漿施工→導井施工→大井開挖→錨噴初期安全支護+倒掛混凝土護壁→滑模井筒混凝土→固結灌漿。對于埋藏式調壓室工程，多采取邊挖邊襯的方式，同時澆筑井內橫向支撐大梁構成整體受力框架系統以保證每一層井身穩定，同時為下一層的開挖和混凝土澆筑提供可靠的安全施工環境。

(2)合理的擴挖分區+錨網噴支護+倒掛混凝土初襯的施工方案合理有效，可有效解決進度、安全與投資之間的矛盾。在桑坪水電站調壓室工程實際施工中，考慮到調壓室的開挖斷面面積大，結合現場施工資源的配置情況，將大井擴挖的斷面分為了四個區，形成了井身擴挖、錨網噴支護和初襯倒掛混凝土三道工序的循環作業，形成了流水作業面，有效地解決了井壁開挖施工中的安全問題，未出現傷人毀機的安全事故。倒掛混凝土初襯采取小鋼模+鋼管支撐，比起福堂水電站的大型全圓鋼模倒掛系統(由卷揚機提升系統和框架式全圓定型組合模板兩大部分組成)，可節約不少施工成本。在實踐中，桑坪水電站的調壓室開挖(含倒掛混凝土)正常月進尺可達9～12 m。可以說該方案是成功的。

(3)對于深、大調壓井(室)工程，下井安全爬梯的設計、井內所需材料的垂直運輸安全、井內設備的安全防護、井口安全防護措施以及井內通風、照明、通訊等一系列問題都是在調壓井(室)施工中必須確保萬無一失的。

3.4 結合工程特點，實施固結灌漿及滲控措施

(1)在桑坪水電站調壓室井身固結灌漿中，設計將環向固結灌漿孔改為豎孔灌漿，雖然施工便捷，但增加了灌漿延米數量。在有超前預固結灌漿的基礎上，本次固結灌漿后期采取降低灌漿壓力、1∶1開灌水灰比、越級變漿等方式，適當地控制了灌漿超耗量。另外，應加強施工過程中的質量控制，以便在保證施工質量的同時控制工程投資。

(2)考慮到桑坪水電站調壓室與引水隧洞和壓力管道結合部位在開挖過程中均未發現地下滲水現象，設計人員對該部位的阻水帷幕灌漿采取了以下幾種方式進行處理:①調壓室豎孔灌漿在外側(靠廠房后邊坡一側)增加了一排固結灌漿;②在調壓室井筒下部21 m 及其底板迎水面(含阻抗孔)、引水隧洞末端50 m 范圍周邊混凝土表面涂刷了帕斯卡PSI-200水泥基滲透結晶型防水涂料。該電站已運行5年多時間，期間，經歷了2008年“5.12”汶川大地震，調壓室外側邊坡穩定，未發現有滲漏水現象。

3.5 妥善處理混凝土

倒掛混凝土施工縫的處理措施:①層間施工縫。在桑坪水電站施工中，每層倒掛混凝土澆筑高度為3.6 m，將底部施工縫做成45°外斜面，下層倒掛混凝土頂部設置30 cm 的楔形體入料口，同時，加強了對施工縫面的振搗工作。②垂直施工縫。可參照福堂水電站在倒掛混凝土垂直縫面上涂刷建筑工程常用的“界面劑”，以增加倒掛混凝土與滑模混凝土之間的粘接力。柳坪水電站調壓室井壁結構混凝土采取分層倒掛澆筑，應用微膨脹混凝土與接縫灌漿相結合的方式處理反向施工縫，保證了新老混凝土的緊密結合，避免了滲漏，保證了調壓室在運行期間的安全。

4 幾點體會

(1)在復雜地質條件下，防止井壁坍塌是調壓室施工的重點和難點。初期安全支護的形式多樣，不必死搬硬套，宜結合工程實際制定合理的開挖及支護方案，以保證大井開挖施工安全為先。同時，筆者認為:應加強施工期的觀測，對初期安全支護進行監測，杜絕初期支護方案過于保守而浪費資源，或是過于冒進造成坍塌，導致安全事故，影響施工進度。

(2)無論是開敞式或埋藏式調壓室的施工，合理的施工組織方案可以有效地解決進度、安全與投資之間的矛盾，這就需要我們不斷地進行總結和技術創新。

(3)調壓室超前預固結灌漿應采取措施防止漿液流失，進而控制工程投資。筆者認為:調壓室井身的固結灌漿由環向灌漿孔改為豎向灌漿孔，對于有超前預固結灌漿措施、深度大于60 m 的開敞式調壓室有一定的實用價值，但可否作為成熟技術進行推廣應用，則有待于進一步研究和論證。

(4)作為水電站引水系統的一個重要水工建筑物，調壓室工程有其施工特點和難點。在初步了解其設計意圖的基礎上，我們的主要任務還是照圖施工，對于不同型式的調壓室工程，實施合理的施工方案，做好工程管理，提交一個在質量、進度、安全和投資等方面整體目標最優的合格產品。