大型長廊式調壓室開挖支護施工技術研究與實踐

馬增翼，黎文海，李曉軍

（1.中國水利水電第十四工程局有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000；2.四川華電瀘定水電有限公司，四川 瀘定 626100）

瀘定水電站引水調壓室為長廊阻抗式結構，最大開挖尺寸為260 m×22 m×75.4 m （長×寬×高）， 石方井挖量近30萬m3。調壓室中部有一16 m寬的巖墻相隔，巖墻頂部高程1 402.5 m，調壓室交通洞（兼通風補氣洞）與巖墻相接。巖墻將調壓室1 402.5 m高程以下分為1號調壓室和2號調壓室。調壓室流道斷面頂高程1 414.40 m，非流道斷面頂高程1 400.4 m，流道與非流道頂拱高差達14 m，高低拱之間采用斜拱過渡；流道底板高程1 339 m，非流道底板高程1 357.42～1 350.6 m。調壓室體形類似飛機翅膀造型。調壓室上游邊墻與1、2號引水隧洞相連，下游邊墻與1～4號壓力管道相接。

調壓室為埋藏式，垂直埋深85～160 m，水平埋深90～110 m，所處位置山體雄厚，圍巖巖性為閃長巖，巖石堅硬，巖體微風化～新鮮，部分為弱風化下段，裂隙較發育，完整性較差，頂拱、中隔墻局部為Ⅳ類圍巖，裂隙與不利結構面組合可能形成不穩定塊體，不利于頂拱及高邊墻穩定。

1 施工通道規劃研究

在傳統的調壓室 （井）施工中，受施工通道、結構體形限制，多以井挖方案為主，但瀘定水電站調壓室規模宏大，開挖支護工程量大，工期緊，如采用井挖方案施工成本極高，也無法滿足進度要求，因此采用平層開挖方案，設備直接進入工作面將渣料直接外運勢在必行。技術人員針對如何滿足平層開挖方案展開了多方案論證研究，分別提出了3條施工支洞+挖除部分巖墻方案、4條施工支洞+2次穿墻 （穿中隔墻）方案、4條施工支洞+1次穿墻+1次拉槽降坡方案、5條施工支洞方案。統籌考慮工期、投資、進度、洞室穩定以及混凝土施工等因素，最終決定采用4條施工支洞+1次穿墻+1次拉槽降坡方案，即布置4條施工支洞，1個穿墻洞，1號施工支洞底板拉槽降坡，1號調壓室上游半幅開挖與底部施工通道連通的總體方案。施工支洞布置上，均由調壓室端墻或靠近端墻的邊墻進入調壓室，以利于調壓室高邊墻穩定。穿墻洞使用完成后，下挖前立即對穿墻洞實施封堵，降低對中隔墻的不利影響。

2 施工通風研究與實踐

2.1 通風規劃

根據各階段施工計劃的形象面貌，調壓室施工通風分三期進行。頂層3個工作面連通以前為一期通風，頂層斜拱貫通至與底部通道貫通之間的階段為二期通風，調壓室與底部通道貫通后為三期通風。一期獨頭工作面施工期間，分別對1號施工支洞工作面、交通洞工作面、2號施工支洞工作面采用正壓通風，二期通風采用負壓通風，調壓室與下部壓力管道、引水隧洞及調3、4號施工支洞貫通后，利用通道高差，低進高出，以自然通風為主，負壓通風為輔。

2.2 二期通風規劃與布置

（1）負壓通風原理。布置在空間一面墻壁上的負壓風機把室內的空氣抽出一部分，導致室內空氣壓力瞬時小于大氣壓或常態壓力，在空間的另一面（往往是安裝負壓風機的對面）開有進風口，外界空氣在大氣壓力作用下自動進入空間，在空間內形成定向、穩定的氣流帶，這種通風通常稱為負壓通風。它的特點是氣流定向、穩定，與外界貫通而不是在空間中的內循環。

（2）二期通風風道布置。利用調壓室交通洞洞身及1、2號施工支洞 （均為城門洞型）作為進風風道，在2號調壓室斜拱增設連接洞與PD8探洞連通作為出風通道。通風通道特性見表1。

（3）二期通風量計算。地下洞室通風量根據施工人員所需新鮮風量、稀釋爆破氣體所需風量以及沖淡柴油設備出渣時排放尾氣所需風量來確定。經計算，二期通風階段實際需風量為3 211 m3/min。

（4）二期通風設施布置。根據通風量計算成果，在通風平洞即PD8探洞內布置1臺軸流風機向洞外負壓排風，排出調壓室內的污濁空氣，利用調壓室交通洞及兩條施工支洞作為進風通道。

表1 各通風通道特性

（5）風機選型。通風機的主要參數有電機功率、轉速、風量、風壓等，由于風機布置在探洞出口，直接向大氣排風，風機運行效率高，風阻力小，風壓要求較低；通風效果取決于通風流量，要求風量大，在滿足上述條件下功率越低越經濟。按照上述原則，經過篩選，最終選用南昌風機廠生產的K40（C）-18型風機， 排風量為7.4萬～19.6萬m3/min，功率僅為37 kW，風量是常規軸流通風機的10余倍，結構簡單，體積小，質量輕，不足3 t，外鋼圈可以按要求加工成兩瓣，便于在邊坡上運輸、安裝。

（6）改善通風散煙效果的其他措施。為避免氣流紊亂，在通風平洞與連接洞岔口位置設置堵頭，防止交通洞內新鮮空氣經探洞 （探洞末端與交通洞貫通）直接排出形成 “短路”。在調壓室交通洞等進風通道內經常灑水，保持路面濕潤，避免洞內揚塵“被吸入”調壓室。錨索鉆機造孔過程中，利用高壓水在孔口實施噴淋，降低粉塵污染，爆破后對工作面進行灑水降塵。

（7）負壓通風效果評價。實施負壓通風后，各進風通道內進風明顯，出風通道排風量較大，調壓室內空氣滿足施工要求，極大地改善了作業環境，節約了通風成本，達到了預期目的。

3 開挖支護施工技術研究與實踐

3.1 開挖分層設計

頂層開挖分層一般統籌考慮施工通道布置以及長錨桿施工等因素。邊墻錨索工程量大，施工工序多，技術要求高，施工強度大，成為制約調壓室下層開挖支護施工進度最主要的施工項目。因此，下層開挖除考慮施工通道布置外，盡可能結合錨索分層，利用分層底板完成錨索造孔、下索、注漿等工序，后續張拉、自由段灌漿及封錨等工序可采用反鏟安裝操作平臺配合人工進行，以減少錨索施工腳手架，加快施工進度。此外，開挖分層高度應充分考慮鉆爆、支護造孔設備能力，以及設備鉆孔有效高度，便于發揮設備效率。為利于高邊墻穩定，控制高邊墻變形，盡可能采用薄層開挖，薄層支護。按照上述原則，自上而下共分Ⅸ層開挖支護，其中頂層分層高度為9.4 m，最大開挖分層高度為10.6 m，下層分層高度與錨索分層一致，為6 m。

3.2 開挖施工技術

頂層采用手風鉆造孔，周邊光面爆破，為加快施工進度，頂層采用左右半幅開挖方式，左右半幅前后錯距開挖，跟進支護，確保頂拱穩定，正常循環排炮進尺控制在3.0 m左右，不良地質段排炮進尺按1.5～2.0 m控制。調壓室頂層端墻部位采用手風鉆雙向光面爆破，以控制端墻與邊墻及頂拱相交部位的體形。

下層采用液壓潛孔鉆垂直拉槽梯段爆破，周邊預留保護層，手風鉆水平造孔，光面爆破，正常循環梯段爆破排炮進尺4～6 m，保護層開挖正常循環排炮進尺4.0 m。中隔墻兩側預留保護層手風鉆光面爆破。施工支洞、壓力管道、引水隧洞與高邊墻相貫部位均采用先洞后墻方案，在高邊墻下挖前進入調壓室，并完成相貫部位的加強支護。引水隧洞末端為25 m長圓變方漸變段，高邊墻底部為方形斷面，跨度達19.3 m，原設計采用徑向錨索加強支護，后建議按照圓變城門洞形斷面開挖，高邊墻底部適當起拱，通過加強錨桿支護確保洞室穩定。

3.3 支護施工技術

頂拱支護緊跟開挖工作面。頂拱錨桿采用三臂鑿巖臺車造孔，人工配合反鏟注裝。斜拱部位緩傾角裂隙發育，為確保頂拱穩定，增加12 m預應力錨桿加強支護，采用鑿巖臺車造孔，錨固段采用錨固槍注裝早強型錨固劑，桿體采用9 m+3 m鋼筋制作，套筒接長，錨固段終凝后采用扭力扳手張拉，自由段安裝注漿管在張拉后注漿。噴鋼纖維混凝土由拌和站集中拌制，攪拌車運至現場，麥斯特噴車施噴。

下層按照 “薄層開挖、隨層支護”的總體思路，開挖一層支護一層，上層相應部位支護完成后再開挖下一層，在長度方向上，上層支護與下層開挖適當搭接，前后形成臺階作業，縮短直線工期。邊墻淺層支護主要為6、9 m長砂漿錨桿，錨桿采用古河液壓潛孔鉆造孔，簡易平臺車配合人工安裝，鋼纖維混凝土采用麥斯特噴車、小型濕噴機施噴。深層支護主要為全長粘結性預應力錨索，分端頭錨索與對穿錨索，采用鋼墊板替代鋼筋混凝土錨墩，鋼墊板與巖面之間采用鋼纖維混凝土找平，邊墻襯砌部位采用噴鋼纖維混凝土替代封錨。開挖分層較每層錨索低0.5 m，開挖到位后，只搭設簡單的腳手架即可進行錨索鉆孔作業，大大加快了施工進度，節約了施工成本。采用MG-60型錨固鉆機造孔，在就近的施工支洞內搭設作業平臺編索，人工轉運至作業面，采用布袋子止漿工藝，注漿7 d后即可實施張拉，采用YDC240Q型千斤頂單根循環分級預緊，YCW250B型千斤頂整體分級張拉，OVM錨具鎖定。起初，因錨固段較長，張拉伸長量較小，鎖定后錨固力損失較大，后經與各方協商研究，適當縮短了錨固段長度，錨固力損失符合規范要求。通過采取上述措施，在實際施工過程中，在開挖下層之前，完成了上層相應部位所有淺層、深層支護，包括錨索張拉封錨等作業，有利于控制高邊墻變形。

3.4 施工期安全監測

施工期安全監測是掌握大型地下洞室穩定的重要手段，是驗證設計參數、指導優化施工方案的重要依據。瀘定水電站調壓室主要埋設有多點位移計、錨桿應力計、錨索測力計等監測儀器。

從多點位移計觀測成果看，在頂拱開挖支護期間，頂拱位移不明顯，頂拱下一層開挖后淺表產生較明顯的正位移，深層位移不明顯，表明隨著下層的開挖，淺表巖體產生上拱位移；高邊墻上的多點位移計受邊墻下挖影響較大，安裝初期位移變化不明顯，隨著邊墻下挖產生正位移，淺表測點位移較深層測點位移大，邊墻開挖支護接近尾聲時邊墻中部位移達到最大值，接近10 mm，表明隨著調壓室的下挖，高邊墻產生正向位移，且淺表位移大于深層巖體位移。從錨桿應力計監測成果看，初始值較小，隨著調壓室的下挖普遍呈現拉應力，最大拉應力達50 MPa，雖然普遍產生拉應力且有逐步增長的趨勢，但因變化幅度不大，錨桿應力計溫度值并未產生明顯變化。從錨索測力計的觀測成果看，鎖定后的錨索均呈現錨固力損失狀態，隨著時間的推移多數讀數逐步趨于穩定，但當開挖接近尾聲時，在邊墻中部1 360 m高程左右的錨索測力計讀數出現增長，且超過鎖定值，表明隨著調壓室下挖，邊墻中部產生拉應力，跨中部位產生了正位移。

4 結語

（1）通過合理的通道布置與施工分層優化，調壓室開挖變井挖為平層開挖，節約了施工成本，加快了施工進度。

（2）負壓通風技術適用于地下洞室群網絡通風，具有較好的應用前景。

（3）開挖分層與錨索布置相結合，有利于節約施工成本，加快施工進度，控制高邊墻變形。