楊房溝水電站尾水調壓室開挖施工技術

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

1.1 工程布置

楊房溝水電站尾水調壓室位于主變洞下游，與主廠房、主變洞平行布置，其與主變洞之間巖柱厚度42m。尾水系統采用“兩機一室一洞”的布置方式，調壓室下部由一道中隔墻分隔為兩室，兩機共用一室，中隔墻厚度14.6m，其頂高程2009.5m，中隔墻以上二室連通，調壓室頂拱高程2030.75m。尾水調壓室最大開挖尺寸166.1m×24.0m×79.75m(長×寬×高)，為圓拱直墻型斷面。

1.2 地質條件

尾水調壓室軸線走向N5°E，地面高程約2370m～2470m，上覆巖體厚度340m～440m。圍巖巖性為淺灰色花崗閃長巖(γδ52)，呈微風化～新鮮狀，巖質堅硬，巖石的飽和單軸抗壓強度在80MPa～100MPa之間。尾調室總體位于地下水位之下，為基巖裂隙水，巖體透水性較弱，無大的出水點，僅局部滲水。尾調室共揭露85條Ⅳ級結構面，包括43條小斷層和42條擠壓帶，Ⅳ級結構面構造走向以NWW、NEE為主，NNE向次之，傾角以中陡傾角為主，寬度主要為1cm～5cm；斷層延伸長度一般60m～100m，其中27條為切洞向中陡傾角斷層，6條為切洞向緩傾角，9條為順洞向中陡傾角，1條為順洞向緩傾角；擠壓帶寬度一般1cm～3cm，延伸長度10m～25m不等。

2 總體開挖方案

2.1 傳統開挖方案

傳統的尾調室開挖，均是利用其頂部通風洞、排水洞等作為施工通道，采用平洞開挖方式先將頂部Ⅰ～Ⅱ層開挖支護完成，待尾調室底部的尾水洞或尾水連接管貫通后，再采用豎井井挖的方式開挖其下部結構。此方案有幾大缺點：

(1)安全風險大。眾所周知，豎井開挖大多采用人工作業，其施工通道、安全防護、通風散煙等極難保證，安全隱患突出；

(2)施工效率低。由于尾調室開挖斷面尺寸較大，采用井挖方式作業，需采用反井鉆機先形成導井，再擴挖溜渣井尺寸，最后再進行全斷面擴挖，且相鄰豎井之間還有爆破間距等要求，大型施工機械無法順暢地進入作業面等，造成進度緩慢；

(3)后期混凝土階段施工困難。采用井挖后，尾調室中部無施工通道，后期混凝土施工材料運輸困難，中隔墻以下60.5m高混凝土澆筑全部需要采用搭設高排架施工，混凝土澆筑、模板、鋼筋、排架搭設等材料只能采取垂直吊運，垂直運輸量大、材料周轉慢，施工難度極大。

2.2 楊房溝優化開挖方案

為解決上述井挖方案的弊端，楊房溝尾調室開挖采取平洞分層大開挖方案，即利用周圍相鄰洞室空間關系，分高程增設施工支洞或通道，將尾調室井挖變為平層梯段開挖，大型機械設備直接利用通道進入各工作面，隨層施工，確保施工安全與進度。

圖1 楊房溝水電站尾水調壓室開挖程序示意

3 主要施工方法

3.1 通道布置

除了尾調室上部本身設計結構布置的排風洞、通氣洞及匯水洞外，還增加了4條施工支洞(完工后進行回填封堵及灌漿)作為通道：

(1)增加中支洞：利用主廠房進廠交通洞，在尾調室中部高程增加中支洞，連接進廠交通洞與尾調室右端墻，斷面6m×5m(寬×高)，城門洞型。

(2)增加1#、2#聯系洞：分別在尾調室中隔墻中部和下部高程各增加一條聯系洞，作為1#、2#尾調室之間的連接通道，斷面4.7m×5.5m(寬×高)，城門洞型。

(3)增加下支洞：利用尾水1#施工支洞，在尾調室阻抗板部位增加下支洞，連接尾水1#施工支洞與尾調室下游邊墻，斷面8m×7m(寬×高)，城門洞型。

其中2#聯系洞與下支洞底板高程為阻抗板頂高程，以方便后期混凝土施工。

(4)在開挖至第Ⅵ層過程中，底部利用尾水施工支洞，先開挖形成尾水洞上層先導洞，在尾調室正下方，尾水連接管與尾水洞二合一“Y”字型交叉點部位，可形成溜渣井，第Ⅵ層可通過溜渣井出渣。

3.2 通風散煙

為了解決開挖階段的通風散煙問題，在尾調室正式開挖前，提前形成上部排風洞、通氣洞及匯水洞，同時，結合主廠房通風排煙系統，在其頂部提前形成排煙平洞，在排煙平洞與匯水洞之間，利用反井鉆機施工一條直徑φ2m的排煙豎井，豎井上部井口安裝一臺1×75kW風機進行抽風，在排風洞外部洞口處安裝一臺1×132kW風機，或在進廠交通洞外部洞口處安裝一臺2×160kW風機進行送風(風筒均為直徑φ2m的定制帆布風袋)，以形成完整的風流系統，改善作業環境。

3.3 主要施工方法

楊房溝水電站尾水調壓室總體共分Ⅷ層進行開挖，支護緊跟開挖工作面。具體開挖情況詳見表1。

表1 尾水調壓室開挖特性

注：手風鉆為YT28型手風鉆，液壓鉆為D7或D9液壓鉆機，潛孔鉆為KQD-100B或100Y潛孔鉆機。

4 過程中遇到的主要問題及處理

尾水調壓室第Ⅰ層于2016年6月25日開始，第Ⅶ、Ⅷ層于2018年5月18日基本完工，比原合同工期提前近半年開挖完成。

4.1 上游邊墻變形偏大

2017年9月以來，隨著尾調室第Ⅴ層和第Ⅵ層的開挖，尾調室上游邊墻位移監測點Mwt-0+000-5(廠右0+000、上游側2010m高程)、錨索應力監測點DPwt-0+000-1(廠右0+000、上游側2022.5m高程)的測值持續增長，截止2017年12月25日，該部位位移測值已超安全預警值，累計變形為45.11mm，錨索應力測值已超設計噸位值，達到2044.77kN。

引起尾調室廠右0+000上游邊墻快速變形增長的主要原因是：①尾調室高邊墻形成后的應力調整；②順洞向陡傾角反傾優勢節理發育，在尾調室高邊墻形成后，在該陡傾角節理切割和圍巖應力調整的雙重作用下，圍巖易發生松弛變形；③尾調室第Ⅴ層和Ⅵ層的快速開挖和卸荷是該部位圍巖變形持續增長和巖體松弛損傷的主要誘因。

考慮到該部位部分圍巖松弛深度達5m～6m，為約束圍巖進一步快速變形和持續松弛，提高系統支護的有效支護力，有必要對該部位邊墻進行加強支護。根據分析成果及現場實際情況，設計決定在1#尾水調壓室上游邊墻樁號廠左0+21m～廠右0+21m、高程2015.75m增加9根預應力錨索加強支護，在PS1-3排水廊道內對穿布置。

截止2018年8月5日，尾調室上游邊墻位移監測點Mwt-0+000-5測值最大變形位移為62.75mm，近7d平均變形速率為0mm/d，變形已收斂；錨索應力監測點DPwt-0+000-1的錨索荷載值為2282.9kN，近7d平均變化速率為0kN/d，錨索荷載增長速率也已收斂。變形監測成果和錨索應力監測成果均表明，目前該部位圍巖變形已穩定，圍巖整體是穩定的。

4.2 中隔墻頂部基巖局部變形開裂

2018年6月20日，巡視發現尾調室中隔墻頂部基巖有開裂現象，隨后對中隔墻頂基巖進行了清理和裂縫排查工作，根據基巖清理后的地質素描資料，中隔墻頂基巖共出現5條裂縫，均沿NW向(順發電水流方向)陡傾角節理張裂，長度1.2m～3.5m，寬度1mm～15mm。

為研究尾調室中隔墻頂部基巖裂縫成因，展開了詳細分析和研究。分析認為尾調室中隔墻頂部基巖開裂的主要成因是：①受力條件：中隔墻巖柱處于三面卸荷，兩端受上下游邊墻擠壓的不利受力狀態；②地質原因：開挖揭露中隔墻NW向(順發電水流方向)陡傾角節理較為發育，在卸荷松弛及擠壓作用下，易沿NW向陡傾角節理發生開裂；③施工原因：中隔墻頂部開挖成形較差，兩側端墻局部超挖較嚴重，爆破震動加劇了圍巖松弛。

鑒于尾調室開挖已全部結束，中隔墻監測成果表明，尾調室中隔墻上部圍巖變化速率逐步減小，趨于平穩，說明中隔墻的支護強度是足夠能保證中隔墻安全穩定的，但為了進一步控制中隔墻變形及提供圍壓，提高中隔墻圍巖整體穩定安全裕度，一是在中隔墻1969.5m高程以下增設3排200t預應力對穿錨索；二是在尾調中隔墩頂部2008.5m平臺沿裂縫方向增設左右交叉插筋。截止2018年8月，監測數據表明，中隔墻上部近15d平均變形速率為0.01mm/d，已基本收斂。

5 圍巖穩定反饋分析

(1)尾調室開挖完成后，尾調室頂拱圍巖累計變形一般在15mm～25mm，上游側拱肩累計變形一般在15mm～25mm，下游側拱肩累計變形一般在20mm～35mm。上游側邊墻累計變形一般在35mm～55mm，其中廠右0+00區域(2002m～2018m高程附近)累計變形較大，可達到約55mm～65mm；下游側邊墻累計變形一般在45mm～65mm，其中f3-36斷層下盤淺部巖體最大變形可達60mm～75mm，該部位邊墻淺層圍巖松弛問題相對突出。

(2)尾調室的應力場分布特征與主廠房相似，最大主應力一般在20MPa～26MPa。高邊墻應力松弛深度一般在4m～8m，在不利結構面影響部位表現相對突出，邊墻應力松弛深度一般在6m～10m。

(3)尾調室頂拱圍巖塑性區深度約1.5m～3m，邊墻中部區域塑性區深度一般7m～10m，局部受不利結構面影響洞段可達到10m～12m。

尾調室中隔墻部位存在塑性區貫通現象，其安全裕度相對偏低。為此，設計復核了中隔墻運行期邊墻襯砌安全穩定性，數值計算成果表明，運行期在各種工況下，尾調室邊墻或中隔墻襯砌均能保持整體穩定，在外水壓力作用下，襯砌錨筋應力最大增長幅度約30MPa～40MPa，增長幅度較小，錨桿仍是安全可靠的。但是，為了進一步提高其整體穩定性，設計決定對中隔墻1985.75m～1997.75m高程之間增加5排對穿錨筋束(3φ32)，間排距3m×3m，矩形布置；同時，在中隔墻1981.25m～1999.25m高程之間增加裸巖固結灌漿，垂直入巖13m，間距1.5m，排距3m，0～4.5m段、10m～13m段灌漿壓力0.5MPa～0.6MPa，4.5m～10m段灌漿壓力1MPa～1.2MPa。

6 結語

(1)目前楊房溝水電站尾水調壓室開挖支護已全部施工完畢，施工質量優良，且未發生安全事故，其施工方法是合適的。

(2)尾調室采用增加施工支洞，將井挖方式改為平洞分層開挖，不但節約了施工成本，而且有效降低了施工安全風險，提高了施工效率，改善了后期混凝土施工條件，其施工方式值得進一步推廣。

(3)根據監測數據及計算分析成果表明，楊房溝水電站尾水調壓室圍巖處于穩定狀態，工程是安全可靠的。