固增水電站調(diào)壓室穹頂開挖支護(hù)施工技術(shù)

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(nèi)的木里河干流上，采用引水式開發(fā)。工程的主要任務(wù)為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。該電站的裝機(jī)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(diào)壓室、壓力管道、廠房等建筑物組成。其中引水隧洞調(diào)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?yàn)?2 m,寬度方向?yàn)?8 m，調(diào)壓井洞室圍巖以變質(zhì)石英砂巖夾板巖為主。上覆圍巖厚度為121～140 m，上游側(cè)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(xiàn)場施工了一條交通洞至調(diào)壓室穹頂?shù)撞?高程2 245.7 m)。

固增水電站調(diào)壓室穹頂跨度大，施工難度大、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工工程中采取了多項(xiàng)施工措施，解決了大跨度穹頂開挖的一系列技術(shù)難題。闡述了固增水電站調(diào)壓室穹頂開挖支護(hù)采用的施工技術(shù)。

2 施工程序及方法

2.1 穹頂開挖與支護(hù)

固增水電站調(diào)壓室穹頂開挖與支護(hù)施工的總則：采用“先導(dǎo)洞，再分層、分段開挖，邊開挖邊支護(hù)”的施工方法。首先在交通洞搭設(shè)施工排架作為開挖、支護(hù)的施工平臺(tái)，然后在交通洞與調(diào)壓室相接部位以22%～27%的坡度進(jìn)行導(dǎo)洞的開挖施工，施工導(dǎo)洞的斷面尺寸與交通洞尺寸相同，施工導(dǎo)洞需開挖至調(diào)壓室另一側(cè)結(jié)構(gòu)線位置；施工導(dǎo)洞的臨時(shí)支護(hù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況進(jìn)行相應(yīng)的施工。施工導(dǎo)洞的開挖及臨時(shí)支護(hù)完成后，返回交通洞與調(diào)壓室相接部位，開始對(duì)施工導(dǎo)洞上方穹頂進(jìn)行分塊擴(kuò)挖至穹頂?shù)脑O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸線并進(jìn)行永久支護(hù)施工[1]。完成施工導(dǎo)洞上部穹頂施工后轉(zhuǎn)向兩側(cè)施工，形成兩個(gè)工作面，在將穹頂全部開挖至結(jié)構(gòu)線并進(jìn)行永久支護(hù)后，再向下層開挖至穹頂?shù)撞扛叱?，繼而完成穹頂開挖。調(diào)壓室開挖分塊情況見圖1。

圖1 調(diào)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(diào)壓室穹頂開挖分為兩個(gè)區(qū)域：(1)調(diào)壓室施工導(dǎo)洞頂部穹頂區(qū)域；(2)調(diào)壓室施工導(dǎo)洞穹頂左右兩側(cè)區(qū)域。將兩個(gè)區(qū)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(diào)壓室施工導(dǎo)洞頂部穹頂區(qū)域采用的開挖施工方法。固增水電站調(diào)壓室穹頂開挖時(shí)，首先在交通洞與調(diào)壓室相接部位進(jìn)行施工導(dǎo)洞的開挖。施工導(dǎo)洞為城門洞型，開挖斷面尺寸和調(diào)壓室交通洞一致，均為5.5 m×6 m(寬×高)。施工導(dǎo)洞采用三排斜向掏槽孔，主爆炮孔交錯(cuò)均勻布置，掏槽孔、輔助孔采用φ32 mm藥卷連續(xù)裝藥，周邊孔采用φ25 mm藥卷間隔裝藥，若遇圍巖很軟時(shí)則采用導(dǎo)爆索代替炸藥卷；施工導(dǎo)洞的爆破開挖進(jìn)尺根據(jù)不同圍巖劃分為三種：Ⅲ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.5 m，Ⅳ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.2 m，Ⅴ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺0.6 m。在施工導(dǎo)洞開挖過程中，每個(gè)開挖循環(huán)均進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，對(duì)于一般圍巖噴5 cm厚混凝土，對(duì)于圍巖差的部位施工隨機(jī)錨桿。當(dāng)施工導(dǎo)洞開挖至調(diào)壓室穹頂設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)線后，將開挖工作面調(diào)整至交通洞與調(diào)壓室相接部位；沿施工導(dǎo)洞進(jìn)行施工導(dǎo)洞上方調(diào)壓室穹頂?shù)拈_挖。隨著施工導(dǎo)洞上方穹頂開挖的施工，開挖的進(jìn)尺、弧度會(huì)有所增大，進(jìn)而對(duì)爆破的要求也有所提高。為保證開挖質(zhì)量，將開挖進(jìn)尺每循環(huán)控制在1 m。測量放線前，計(jì)算出掌子面各個(gè)周邊孔孔深向上的傾斜角度，并在現(xiàn)場用油漆繪出至穹頂中心方向的尾線。鉆孔施工時(shí)，要求根據(jù)傾斜角度調(diào)整鉆機(jī)的角度以保證施工質(zhì)量。穹頂開挖情況見圖2。

圖2 調(diào)壓室穹頂開挖示意圖

(2)調(diào)壓室施工導(dǎo)洞穹頂左右兩側(cè)區(qū)域采用的開挖施工方法。由于調(diào)壓室穹頂跨度為18 m,安全風(fēng)險(xiǎn)高，在施工導(dǎo)洞上方穹頂系統(tǒng)支護(hù)全部完成后，對(duì)穹頂兩側(cè)的開挖進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)以確定最終的開挖方法。每側(cè)劃分為15個(gè)施工區(qū)域，將每個(gè)開挖循環(huán)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(jìn)行控制，測量放線時(shí)以同心圓原理先計(jì)算周邊孔各個(gè)孔的進(jìn)尺末端與周邊孔形成的方向角，依此放出各孔位線[2]。調(diào)壓室施工導(dǎo)洞穹頂左右兩側(cè)區(qū)域開挖情況見圖3。

圖3 調(diào)壓室施工導(dǎo)洞穹頂左右兩側(cè)區(qū)域開挖示意圖

2.3 穹頂支護(hù)采用的施工方法

設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)：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(cuò)布置，環(huán)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(wǎng)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(shè)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(wǎng)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(cuò)布置，間排距1.2 m，外露12 cm。

在調(diào)壓室穹頂開挖、支護(hù)過程中，其支護(hù)類型分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)。臨時(shí)支護(hù)在施工導(dǎo)洞開挖過程中施工，其余支護(hù)為永久支護(hù)。調(diào)壓室支護(hù)施工步驟為：開挖完成→清理掌子面→掌子面封閉噴護(hù)→6 m錨桿施工→鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)→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(huán)開挖施工。

頂拱開挖后及時(shí)噴射5 cm厚混凝土對(duì)巖體進(jìn)行封閉，然后安裝φ6.5 mm@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)，再安裝I20b鋼拱架。為保證錨桿質(zhì)量，噴混凝土?xí)r采用分層噴護(hù)(預(yù)留10 cm厚度)方式，待錨桿檢測合格后再噴至設(shè)計(jì)厚度。由于調(diào)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(hù)質(zhì)量，拱腳處必須按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。

錨桿施工：錨桿造孔采用潛孔鉆，臨時(shí)錨桿造孔采用手風(fēng)鉆；對(duì)于長度12 m的錨桿采用套筒連接。當(dāng)拱肩長9 m的錨桿在現(xiàn)場無法安裝時(shí)，采用套筒連接。錨桿的安裝施工采用腳手架作為施工平臺(tái)，配合手拉葫蘆和裝載機(jī)進(jìn)行安裝。

因調(diào)壓室穹頂開挖支護(hù)分區(qū)導(dǎo)致現(xiàn)場出現(xiàn)多個(gè)臨時(shí)斷面，為保證施工安全，在圍巖較差的部位施工隨機(jī)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(shí)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(qiáng)度未達(dá)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(wǎng)噴混凝土施工：清除松動(dòng)危石，對(duì)于欠挖的部位先行進(jìn)行局部處理。掛網(wǎng)噴護(hù)部位采用φ6.5 mm@15 cm×15 cm單層鋼筋網(wǎng)；系統(tǒng)錨桿施工完成后開始安裝鋼筋網(wǎng)，利用系統(tǒng)錨桿固定鋼筋網(wǎng)，如系統(tǒng)錨桿間距過大，可以采用錨釘進(jìn)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(jié)拼裝組成，相鄰兩節(jié)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(shè)鋼架在簡易改裝的臺(tái)車上進(jìn)行?，F(xiàn)場的工字鋼采用裝載機(jī)或吊車結(jié)合人工進(jìn)行吊裝。在工字鋼架設(shè)的同時(shí)，用Φ25 mm聯(lián)系鋼筋與上一榀工字鋼進(jìn)行連接，聯(lián)系筋間距1 m。每架設(shè)一節(jié)時(shí)，先上好M24連接螺栓(不上緊)，用臨時(shí)支撐撐住工字鋼，再用Φ25 mm聯(lián)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(diǎn)引線的誤差后再進(jìn)行局部調(diào)整。

排水口施工：對(duì)于調(diào)壓室2 246 m高程以上的井筒四周以及穹頂布置系統(tǒng)排水孔，孔深深入基巖3 m。穹頂環(huán)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(shè)排水孔用于引排。

安全監(jiān)測：在調(diào)壓室穹頂開挖、支護(hù)施工過程中，安排專業(yè)監(jiān)測人員在現(xiàn)場布置臨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)和永久監(jiān)測點(diǎn)，劃分觀測標(biāo)段并安裝觀測儀器，監(jiān)測人員每天對(duì)觀測結(jié)果進(jìn)行收集和分析并提供給施工方。施工方根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整下一階段的施工方法以保證施工安全及質(zhì)量。具體設(shè)置要求為：在穹頂頂部設(shè)置14個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)和6套多點(diǎn)位移計(jì)。

3 針對(duì)不良地質(zhì)洞段采用的施工方法

3.1 不良地質(zhì)洞段的開挖

在調(diào)壓室開挖過程中會(huì)遇到各種不良地質(zhì)情況，為保證施工安全及質(zhì)量，項(xiàng)目部堅(jiān)持采用了“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，勤觀測”的施工方法[4]。

(1)涌水段采用的開挖措施。根據(jù)水文地質(zhì)資料和對(duì)交通洞已經(jīng)開挖情況進(jìn)行分析得知：調(diào)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(jié)合的工程措施。在排水設(shè)施上，做到有充裕的排量準(zhǔn)備。項(xiàng)目部根據(jù)已掌握的地質(zhì)資料，對(duì)可能出現(xiàn)突水涌水的洞段加強(qiáng)了觀測并密切關(guān)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(shí)，項(xiàng)目部會(huì)同地質(zhì)工程師、工程技術(shù)人員、設(shè)計(jì)代表和現(xiàn)場監(jiān)理工程師一起查明現(xiàn)場詳細(xì)的地質(zhì)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(zhì)洞段中開挖洞室時(shí)，必須制定切實(shí)可行的施工方案，一般應(yīng)遵守下列原則：進(jìn)一步調(diào)查地質(zhì)條件，必要時(shí)可采用超前鉆探、打探洞等方法進(jìn)一步了解地質(zhì)情況，做好地質(zhì)預(yù)報(bào)。減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用“短進(jìn)尺、弱爆破、及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)和勤觀測”的原則進(jìn)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(duì)圍巖的擾動(dòng)，宜采用先護(hù)后挖、邊挖邊擴(kuò)或先對(duì)巖體進(jìn)行加固后再開挖等方法?；蛘卟扇∫痪蛞恢ёo(hù)，穩(wěn)步推進(jìn)，即每開挖完成—循環(huán)后先噴混凝土、然后打錨桿、掛網(wǎng)，再噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度的方法，如此循環(huán)掘進(jìn)。當(dāng)圍巖穩(wěn)定性特別差時(shí)，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(wǎng)、噴混凝土。

③在圍巖較差洞段設(shè)置臨時(shí)變形觀測點(diǎn)并加強(qiáng)對(duì)該部位的觀察。如果后續(xù)發(fā)現(xiàn)變形，將根據(jù)變形情況采取不同的支護(hù)措施。

3.2 針對(duì)不良地質(zhì)洞段采用的處理方法

對(duì)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(zhì)洞段，項(xiàng)目部采取了安全防護(hù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、安全監(jiān)測等處理措施進(jìn)行治理[5]。

對(duì)于不良工程地質(zhì)洞段的施工，一般遵守以下原則：

(1)詳細(xì)調(diào)查該洞段的地質(zhì)條件，必要時(shí)可布置勘探孔、勘探洞等進(jìn)一步了解地質(zhì)情況，做好地質(zhì)預(yù)報(bào)。

(2)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用短鉆孔、弱爆破和多循環(huán)作業(yè)措施。

(3)做好排水工作，鎖好洞口，清除危石，做到一掘一支護(hù)。

(4)分部開挖、分部支護(hù)。

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

(6)掌握不良工程地質(zhì)問題的性質(zhì)，及時(shí)采取有效的支護(hù)措施。

(7)加強(qiáng)監(jiān)測，勤檢查、勤巡視并及時(shí)分析所取得的監(jiān)測成果和檢查情況。

4 結(jié) 語

固增水電站引水隧洞調(diào)壓室造型獨(dú)特，平面呈橢圓型，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且多變，開挖時(shí)存在諸多問題，針對(duì)這些問題，施工中采用“先導(dǎo)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(jié)合的支護(hù)方法，并在施工過程中進(jìn)行了安全監(jiān)測，取得了較好的施工效果，保證了調(diào)壓室穹頂開挖的施工安全及施工質(zhì)量。