固增水電站調壓室穹頂開挖支護施工技術

楊 爽， 余 文 華

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

固增水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，采用引水式開發。工程的主要任務為發電，兼顧下游生態環境用水要求。該電站的裝機容量為172 MW，引用流量為185.2 m3/s，水庫正常蓄水位高程2 215 m，總庫容48.4萬m3，利用落差127 m。

固增水電站主要由首部樞紐、引水隧洞、調壓室、壓力管道、廠房等建筑物組成。其中引水隧洞調壓室位于廠房旁的山體中，平面形狀為橢圓型，垂直高度為84 m，長度方向為42 m,寬度方向為18 m，調壓井洞室圍巖以變質石英砂巖夾板巖為主。上覆圍巖厚度為121～140 m，上游側水平埋深約81～110 m，垂直方向的水平深度為135～160 m，穹頂高12 m(高程在2 245.7～2 257.7 m之間)。為方便施工，現場施工了一條交通洞至調壓室穹頂底部(高程2 245.7 m)。

固增水電站調壓室穹頂跨度大，施工難度大、施工安全風險高，施工工程中采取了多項施工措施，解決了大跨度穹頂開挖的一系列技術難題。闡述了固增水電站調壓室穹頂開挖支護采用的施工技術。

2 施工程序及方法

2.1 穹頂開挖與支護

固增水電站調壓室穹頂開挖與支護施工的總則：采用“先導洞，再分層、分段開挖，邊開挖邊支護”的施工方法。首先在交通洞搭設施工排架作為開挖、支護的施工平臺，然后在交通洞與調壓室相接部位以22%～27%的坡度進行導洞的開挖施工，施工導洞的斷面尺寸與交通洞尺寸相同，施工導洞需開挖至調壓室另一側結構線位置；施工導洞的臨時支護應根據現場圍巖情況進行相應的施工。施工導洞的開挖及臨時支護完成后，返回交通洞與調壓室相接部位，開始對施工導洞上方穹頂進行分塊擴挖至穹頂的設計結構尺寸線并進行永久支護施工[1]。完成施工導洞上部穹頂施工后轉向兩側施工，形成兩個工作面，在將穹頂全部開挖至結構線并進行永久支護后，再向下層開挖至穹頂底部高程，繼而完成穹頂開挖。調壓室開挖分塊情況見圖1。

圖1 調壓室開挖分塊示意圖

2.2 穹頂開挖采用的主要施工方法

將調壓室穹頂開挖分為兩個區域：(1)調壓室施工導洞頂部穹頂區域；(2)調壓室施工導洞穹頂左右兩側區域。將兩個區域劃分為兩層開挖：第一層高7 m，高程為2 257.7～2 250.7 m；第二層高5 m.高程為2 250.72～2 245.7 m。

(1)調壓室施工導洞頂部穹頂區域采用的開挖施工方法。固增水電站調壓室穹頂開挖時，首先在交通洞與調壓室相接部位進行施工導洞的開挖。施工導洞為城門洞型，開挖斷面尺寸和調壓室交通洞一致，均為5.5 m×6 m(寬×高)。施工導洞采用三排斜向掏槽孔，主爆炮孔交錯均勻布置，掏槽孔、輔助孔采用φ32 mm藥卷連續裝藥，周邊孔采用φ25 mm藥卷間隔裝藥，若遇圍巖很軟時則采用導爆索代替炸藥卷；施工導洞的爆破開挖進尺根據不同圍巖劃分為三種：Ⅲ類圍巖每循環進尺1.5 m，Ⅳ類圍巖每循環進尺1.2 m，Ⅴ類圍巖每循環進尺0.6 m。在施工導洞開挖過程中，每個開挖循環均進行臨時支護，對于一般圍巖噴5 cm厚混凝土，對于圍巖差的部位施工隨機錨桿。當施工導洞開挖至調壓室穹頂設計結構線后，將開挖工作面調整至交通洞與調壓室相接部位；沿施工導洞進行施工導洞上方調壓室穹頂的開挖。隨著施工導洞上方穹頂開挖的施工，開挖的進尺、弧度會有所增大，進而對爆破的要求也有所提高。為保證開挖質量，將開挖進尺每循環控制在1 m。測量放線前，計算出掌子面各個周邊孔孔深向上的傾斜角度，并在現場用油漆繪出至穹頂中心方向的尾線。鉆孔施工時，要求根據傾斜角度調整鉆機的角度以保證施工質量。穹頂開挖情況見圖2。

圖2 調壓室穹頂開挖示意圖

(2)調壓室施工導洞穹頂左右兩側區域采用的開挖施工方法。由于調壓室穹頂跨度為18 m,安全風險高，在施工導洞上方穹頂系統支護全部完成后，對穹頂兩側的開挖進行了生產性試驗以確定最終的開挖方法。每側劃分為15個施工區域，將每個開挖循環控制在1.8 m。開挖過程中，周邊孔的孔距按照0.5 m布置，鉆孔的角度控制按照同心圓同一高程進行控制，測量放線時以同心圓原理先計算周邊孔各個孔的進尺末端與周邊孔形成的方向角，依此放出各孔位線[2]。調壓室施工導洞穹頂左右兩側區域開挖情況見圖3。

圖3 調壓室施工導洞穹頂左右兩側區域開挖示意圖

2.3 穹頂支護采用的施工方法

設計支護參數：①頂拱部位：帶墊板的砂漿錨桿直徑為32 mm(L=9 m)，普通砂漿錨桿的直徑為28 mm(L=6 m)，交錯布置，環向間距為1.2 m，縱向排距為1 m，錨桿外露20 cm；噴混凝土C25，厚25 cm；掛鋼筋網φ6.5 mm@15 cm×15 cm，布置I20b鋼拱架，間距1 m；在拱腳附近2 252.3 m高程、2 251.1 m高程設置兩層鎖腳帶墊板(墊板尺寸為15 cm×15 cm×0.6 cm)砂漿錨桿，直徑為32 mm(L=12 m)[4]，縱向間距1 m，錨桿外露12 cm。②2 245.7 m高程以上邊墻、端墻部位：噴混凝土C25，厚15 cm；掛鋼筋網φ6.5 mm@15 cm×15 cm；帶墊板砂漿錨桿直徑32 mm(L=12 m)，普通砂漿錨桿直徑32 mm(L=9 m)，交錯布置，間排距1.2 m，外露12 cm。

在調壓室穹頂開挖、支護過程中，其支護類型分為臨時支護和永久支護。臨時支護在施工導洞開挖過程中施工，其余支護為永久支護。調壓室支護施工步驟為：開挖完成→清理掌子面→掌子面封閉噴護→6 m錨桿施工→鋪設鋼筋網→安裝I20b工字鋼→9 m帶墊板錨桿施工→噴射混凝土施工→下一循環開挖施工。

頂拱開挖后及時噴射5 cm厚混凝土對巖體進行封閉，然后安裝φ6.5 mm@15 cm×15 cm鋼筋網，再安裝I20b鋼拱架。為保證錨桿質量，噴混凝土時采用分層噴護(預留10 cm厚度)方式，待錨桿檢測合格后再噴至設計厚度。由于調壓室穹頂鋼拱架拱腳處受力較大，為保證穹頂I20b鋼拱架的支護質量，拱腳處必須按照設計圖紙進行施工。

錨桿施工：錨桿造孔采用潛孔鉆，臨時錨桿造孔采用手風鉆；對于長度12 m的錨桿采用套筒連接。當拱肩長9 m的錨桿在現場無法安裝時，采用套筒連接。錨桿的安裝施工采用腳手架作為施工平臺，配合手拉葫蘆和裝載機進行安裝。

因調壓室穹頂開挖支護分區導致現場出現多個臨時斷面，為保證施工安全，在圍巖較差的部位施工隨機錨桿。

錨桿采用先插桿后注漿的方式施工，帶墊板的錨桿在錨桿砂漿終凝后再加裝墊板，加裝墊板時必須保證螺母車絲牢固，墊板采用15 cm×15 cm×0.6 cm的A3鋼板。錨桿安裝后，在砂漿強度未達到70%前避免敲擊、碰撞和拉拔錨桿。帶墊板錨桿情況見圖4。

圖4 帶墊板錨桿示意圖

網噴混凝土施工：清除松動危石，對于欠挖的部位先行進行局部處理。掛網噴護部位采用φ6.5 mm@15 cm×15 cm單層鋼筋網；系統錨桿施工完成后開始安裝鋼筋網，利用系統錨桿固定鋼筋網，如系統錨桿間距過大，可以采用錨釘進行固定。

鋼拱架施工：在穹頂布置I20b鋼拱架，間距1 m，拱架間布置φ25 mm的螺紋鋼筋@1 m，鋼拱架與錨桿通過鎖定鋼筋焊接連接。鋼拱架施工情況見圖5。

圖5 鋼拱架施工示意圖

單榀I20b工字鋼由6節拼裝組成，相鄰兩節之間通過兩塊28 mm×28 mm×15 mm的鋼板和4套M24螺栓螺母連接。工字鋼連接板情況見圖6。

圖6 工字鋼連接板示意圖

架設鋼架在簡易改裝的臺車上進行。現場的工字鋼采用裝載機或吊車結合人工進行吊裝。在工字鋼架設的同時，用Φ25 mm聯系鋼筋與上一榀工字鋼進行連接，聯系筋間距1 m。每架設一節時，先上好M24連接螺栓(不上緊)，用臨時支撐撐住工字鋼，再用Φ25 mm聯系鋼筋與上一榀工字鋼連接，安裝完成后檢查工字鋼與測量參照點引線的誤差后再進行局部調整。

排水口施工：對于調壓室2 246 m高程以上的井筒四周以及穹頂布置系統排水孔，孔深深入基巖3 m。穹頂環向間距為2.4 m，縱向排距為2 m；邊墻及端墻的間排距為2.4 m。開挖過程中，在地下水集中出露位置增設排水孔用于引排。

安全監測：在調壓室穹頂開挖、支護施工過程中，安排專業監測人員在現場布置臨時監測點和永久監測點，劃分觀測標段并安裝觀測儀器，監測人員每天對觀測結果進行收集和分析并提供給施工方。施工方根據監測數據及時調整下一階段的施工方法以保證施工安全及質量。具體設置要求為：在穹頂頂部設置14個錨桿應力計和6套多點位移計。

3 針對不良地質洞段采用的施工方法

3.1 不良地質洞段的開挖

在調壓室開挖過程中會遇到各種不良地質情況，為保證施工安全及質量，項目部堅持采用了“短進尺，弱爆破，強支護，勤觀測”的施工方法[4]。

(1)涌水段采用的開挖措施。根據水文地質資料和對交通洞已經開挖情況進行分析得知：調壓室的圍巖以Ⅳ類為主，地下水較豐富，存在塌方和涌水的可能。主要采取“防、排、引”相結合的工程措施。在排水設施上，做到有充裕的排量準備。項目部根據已掌握的地質資料，對可能出現突水涌水的洞段加強了觀測并密切關注。

(2)破碎段采用的開挖措施。在開挖過程中，如遇斷層、軟弱夾層或破碎帶時，項目部會同地質工程師、工程技術人員、設計代表和現場監理工程師一起查明現場詳細的地質條件，并視具體情況分別采取了以下處理方法：

①在不良工程地質洞段中開挖洞室時，必須制定切實可行的施工方案，一般應遵守下列原則：進一步調查地質條件，必要時可采用超前鉆探、打探洞等方法進一步了解地質情況，做好地質預報。減少對圍巖的擾動，采用“短進尺、弱爆破、及時加強支護和勤觀測”的原則進行洞挖施工。

②在松散、軟弱破碎的巖體中開挖洞室，盡量減少對圍巖的擾動，宜采用先護后挖、邊挖邊擴或先對巖體進行加固后再開挖等方法。或者采取一掘一支護，穩步推進，即每開挖完成—循環后先噴混凝土、然后打錨桿、掛網，再噴混凝土至設計厚度的方法，如此循環掘進。當圍巖穩定性特別差時，爆破后立即噴混凝土封閉巖面，出渣后再安裝工字鋼、打錨桿、掛網、噴混凝土。

③在圍巖較差洞段設置臨時變形觀測點并加強對該部位的觀察。如果后續發現變形，將根據變形情況采取不同的支護措施。

3.2 針對不良地質洞段采用的處理方法

對于施工過程中遭遇到的斷層破碎帶、塌方、涌水、裂隙等不良地質洞段，項目部采取了安全防護、超前地質預報、安全監測等處理措施進行治理[5]。

對于不良工程地質洞段的施工，一般遵守以下原則：

(1)詳細調查該洞段的地質條件，必要時可布置勘探孔、勘探洞等進一步了解地質情況，做好地質預報。

(2)減少對圍巖的擾動，采用短鉆孔、弱爆破和多循環作業措施。

(3)做好排水工作，鎖好洞口，清除危石，做到一掘一支護。

(4)分部開挖、分部支護。

(5)采用小導管加注漿或預注漿等方法進行超前支護，然后按照邊開挖、邊支護、邊襯砌的方法施工。

(6)掌握不良工程地質問題的性質，及時采取有效的支護措施。

(7)加強監測，勤檢查、勤巡視并及時分析所取得的監測成果和檢查情況。

4 結 語

固增水電站引水隧洞調壓室造型獨特，平面呈橢圓型，地質結構復雜且多變，開挖時存在諸多問題，針對這些問題，施工中采用“先導洞，再分層、分段開挖”的施工工藝，使用普通錨桿與帶墊板錨桿結合的支護方法，并在施工過程中進行了安全監測，取得了較好的施工效果，保證了調壓室穹頂開挖的施工安全及施工質量。