探析大跨度調壓室頂拱開挖支護施工技術和監理

劉洪清 LIU Hong-qing

（中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，長沙 410000）

（China South Central Water Conservancy&Hydropower Engineering Consulting Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

1 工程概況

雅礱江錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上最重要和裝機最大的梯級電站。錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段長約150km的大河彎的天然落差，通過長約16.67km的引水隧洞，截彎取直，獲得約310m的水頭。電站總裝機容量4800MW，單機容量600MW。工程樞紐主要由首部攔河閘壩、引水系統和地下廠房三大部分組成，為閘壩、長隧洞、大容量引水式水電站。

在4條引水隧洞末端各設有一座調壓室，每座調壓室主要由阻抗孔、調壓室豎井、事故閘門布置有關的閘墩、閘門檢修和啟閉平臺、閘門后通氣孔、調壓室底部分岔段等組成。調壓室頂拱開挖斷面為漸變城門洞形，最大開挖尺寸長寬高分別為49.5m×寬22.532～30m×高15.25m，錨噴支護。該調壓室為目前全亞洲最大的阻抗式調壓室。如圖1。

圖1 錦屏二級廠區樞紐調壓室工程示意圖

錦屏二級廠區樞紐調壓室工程于2007年5月1日正式開工。通過施工單位的科學組織、精心施工和監理單位的嚴格質量控制，錦屏二級廠區樞紐上游調壓室工程開挖支護取得了良好的效果，并獲得了“錦屏水電工程A級樣板工程”稱號。

圖2

調壓室頂拱開挖支護是調壓室工程施工的重點和難點，其開挖施工質量要求高、安全風險大，也是監理工程師質量監理工作和安全監理工作的重點和難點。筆者對此成功的案例進行總結，希望能對類似工程的監理工作有一定的參考價值。

2 錦屏二級廠區樞紐調壓室工程的基本地質條件

錦屏二級水電站廠區樞紐調壓室工程區出露的地層巖性為三迭系中統鹽塘組第5大層（T2y5），巖性為中細粒結晶大理巖和白色粗晶厚層塊狀大理巖。巖層產狀為：N5～20°E，NW∠75～83°。1#、2#調壓室圍巖以Ⅱ、Ⅲ類為主，局部為Ⅳ類；3#、4#調壓室圍巖以Ⅲ類為主，部分Ⅳ類，少量Ⅱ類。調壓室頂拱發育3組結構面，其中一組為緩傾角結構面、2組中等傾角，3組結構面組合切割形成倒懸楔形體。f7斷層穿過4#調壓室頂拱上游邊墻，斷層帶寬60cm。

3 調壓室頂拱開挖支護施工方案及實施

調壓室頂拱開挖支護施工前，施工單位報送了《調壓室頂拱開挖支護施工方案》，監理工程師對該方案進行了認真細致地審查，以＜關于《調壓室頂拱開挖支護施工方案》的審查批復意見＞對施工方案進行了批復，提出了一些補充意見和建議以及在施工中應注意的問題，并向施工單位提出“將上游調壓室頂拱開挖支護工程列為創錦屏樣板工程”的建議，得到了施工單位的積極響應和具體實施。

3.1 施工程序

調壓室頂拱為漸變城門洞型，頂拱只進行錨噴支護，頂開挖高度15.25m，拱跨度大（最大開挖跨度30m），為大跨度洞室開挖，開挖質量要求高、施工難度及安全風險大。為確保頂拱開挖施工質量、工程穩定和施工安全，針對該工程特點，采取兩層、四區、六序的開挖支護方案進行施工。其中，Ⅰ區為中部導洞（寬8.5m）和中部頂拱保護層開挖支護；Ⅱ、Ⅲ區為左右兩側擴挖及支護，寬度分別為7.02m和3.73m；Ⅳ區為底部開挖及支護，寬為22.532～30m。根據新奧法施工原理，每層、每序開挖完成后適時進行支護施工。開挖支護分層分塊見圖3。

圖3 調壓室頂拱開挖分層分塊圖

3.2 實施方案

①序施工：

在完成各調壓室橫向交通洞（8.5*7.35m）后進行調壓室頂拱①序導洞開挖，導洞底板高程從EL1696.25爬升至EL1704.15后改為平洞開挖，利用交通洞開挖支護時的自制施工鉆爆平臺配合手風鉆鉆孔，中間掏槽，按照圖5的爆破網絡周邊光面爆破，爆破開挖的原則為弱爆破，在滿足開挖質量的前提下，盡量采用弱爆破，減少單孔藥量和最大單響藥量，減少開挖爆破對周邊圍巖的擾動破壞。每循環進尺3m，開挖過程中根據圍巖情況進行隨機支護。導洞開挖爆破設計見圖4。

②序施工：

利用①序最后一茬炮的爆破碴料對①序導洞進行墊碴處理，利用自制平臺配合手風鉆鉆孔，反向進行周邊光面爆破。為避免爆破超挖現象，在頂拱下游側端墻起點處先向上打垂直預裂孔，孔距為80cm，其孔內不裝藥，完后再進行②序最后一茬炮的爆破開挖施工。②序開挖完成后，為確保開挖后洞室穩定，立即進行系統錨桿、鋼筋掛網等支護，調壓室頂拱所用支護錨桿為機械漲殼式預應力中空注漿錨桿，其錨桿支護參數：Ф28，T=120kN，L=6m和Ф32，T=120kN，L=8m，鋼筋網為φ8@15cm*15cm。

頂拱導洞開挖鉆爆參數表

圖4 調壓室頂拱中導洞鉆爆設計圖

機械漲殼式預應力中空注漿錨桿梅花型交錯布置，間排距均為1.5m。因錨桿的特殊性，利用自制平臺配合FJY25C圓盤鉆造孔，根據錨桿直徑大小，分別造Ф45mm和Ф55mm的錨桿孔，人工插桿張拉。其施工流程為：施工準備→測量放線→圓盤鉆造孔→孔道清理→快速水泥砂漿找平→預應力中空錨桿安裝→錨具安裝及施加預應力→從注漿管關注水泥砂漿→密實度無損檢測。

為保證機械漲殼式預應力中空注漿錨桿的施工質量，在錨桿施加預應力前扭力扳手經過率定校核無誤后方用于錨桿張拉施工。錨桿施工完成后，進行鋼筋網制安。

③序施工：

待②序開挖支護施工完成后，開始進行③序降底板高程開挖施工，將中導洞開挖成型的地板高程開挖下降3.15m。完后進行兩側④⑤序施工。

④⑤序施工：

待③序施工完成后，從上游側端墻向下游側進行頂拱④⑤序開挖施工；施工中為避免超挖，在頂拱上游側端墻終點處先向左右兩側打預裂孔，孔距為80cm，其孔內不裝藥，后進行第一茬開挖爆破施工，完后利用自制平臺配合手風鉆造孔，完后按照圖5的爆破網絡圖進行周邊光面爆破。

開挖完成后立即進行頂拱錨桿、鋼筋掛網支護施工。由于④⑤序開挖完后，錨桿支護工程量較大，為提高工作效率，錨桿施工采用三臂鉆造孔。在完成錨桿及鋼筋掛網后，立即采用濕噴臺車進行上半層頂拱混凝土噴射施工。在④⑤序開挖過程中，上下游端墻開挖均預先垂直預裂孔后進行光面爆破開挖。開挖爆破設計見圖5。

4、5序典型斷面鉆爆參數表

圖5 調壓室頂拱④⑤序鉆爆設計圖

⑥序施工：

待④⑤序開挖支護全部完成后，利用自制鉆爆平臺配合手風鉆造孔，先進行頂拱開挖周邊預裂爆破，預裂孔間距為60cm，然后進行全斷面光面爆破開挖施工。開挖完成后利用自制平臺完成剩余錨桿支護，安裝鋼筋網，濕噴臺車噴射混凝土。

4 增加隨機支護

在調壓室頂拱開挖支護過程中除適時按設計要求進行系統支護外，遇到一些地質條件較差洞段和部位，監理工程師及時組織施工、設計和業主單位進行協商，相應增加了一些隨機支護。如，3#、4#調壓室頂拱多處揭露出溶洞和巖溶裂隙，為保證頂拱圍巖穩定，在發育溶洞和巖溶裂隙部位增加布置了φ28、@0.75m的鋼筋肋拱，并對原系統機械漲殼式中空注漿錨桿進行排間加密；對頂拱存在緩傾結構面和存在局部不穩定楔形體的地段，在原布置φ8@15cm*15cm鋼筋網的基礎上新增φ16@150cm*150cm與鋼筋網、系統錨桿焊接的龍骨鋼筋進行加強支護制；對上游側高邊墻存在地質缺陷地段在原系統錨桿支護基礎上排間加密支護，特別是4#調壓室頂拱，在f7斷層通過段在系統加強支護基礎上又增加布置了2排L=15m，T=1500kN、@4.0m*4.0m的壓力分散型預應力錨索；由于調壓室頂拱只進行錨噴支護，混凝土噴護厚度為15cm，為調壓室頂拱圍巖的穩定，在原C25混凝土噴護基礎上，又增加了10cm的CF30聚丙烯納米鋼纖維噴護，其總噴護厚度為25cm。通過增加隨機支護，確保了洞室圍巖的穩定。

5 開挖質量驗收

2#、3#調壓室頂拱開挖完成后，監理工程師分別進行了檢查和測量，經監理工程師檢查統計，頂拱開挖面成型良好，開挖炮孔殘留率2#調壓室頂拱達95%以上、3#調壓室頂拱達90%以上，平均超挖值小于5cm，無欠挖。在跨度如此之大、且以Ⅲ類圍巖為主的圍巖地段進行開挖施工能達到如此的效果，令監理工程師和業主滿意。其頂拱開挖質量和效果見圖6、圖7。

圖6 2#調壓室頂拱開挖照片

圖7 3#調壓室頂拱開挖照片

6 調壓室頂拱圍巖變形情況

在調壓室頂拱開挖支護過程中按設計要求和設計指定位置埋設了安全監測儀器。安全監測儀器數據統計如表1所示。

表1 調壓室頂拱安全監測數據表

從表1統計數據可以看出，2#、3#調壓室頂拱開挖支護完成后圍巖變形量較小、變形值滿足設計要求。目前，2#、3#調壓室頂頂拱圍巖變形已趨于穩定。

7 監理質量控制

監理工程師通過采取事前控制、過程控制和檢查驗收等方法對調壓室頂拱開挖支護施工進行全過程的質量控制。

事前控制主要是施工前對施工單位的施工方案和措施進行審查，重點審查其施工措施、施工工藝、質量保證措施、安全保障措施、施工資源投入（含施工人員和施工設備的投入）和工期計劃等。

開工前，監理工程師主要檢查施工單位施工措施的落實情況。對噴錨支護所需的原材料質量進行有效的質量控制（對支護所需主要材料如鋼筋、水泥、砂等材料進行檢查）。施工過程中，監理工程師通過采取巡視、旁站等方法對施工質量等進行過程控制，其中重點對炮孔單孔裝藥量和總裝藥量進行控制（避免因單孔裝藥量和總裝藥量過大在爆破時對圍巖產生過大的擾動）、開挖斷面尺寸和平整度檢查、錨桿施工質量控制（對錨桿注漿施工進行旁站監理）和噴混凝土質量控制等。

單元工程施工完成后，監理工程師及時組織驗收，并進行質量評價。

通過采取以上措施和手段對工程施工質量進行全過程控制，取得了良好的效果。

8 結語

目前，錦屏二級水電站廠區樞紐工程調壓室頂拱開挖支護施工已全部完成，根據調壓室頂拱安全監測數據，頂拱圍巖變形量較小、滿足設計要求，目前圍巖變形均已趨于穩定。對開挖跨度如此之大（最大跨度達30m）的無襯砌地下洞室，采用分層、分序、預裂與光面爆破開挖和噴錨支護等相結合的施工方法是有效和成功的。給大跨度地下洞室開挖支護設計、施工和監理等均提供了成功的范例，對大跨度地下洞室開挖支護設計、施工和監理均有一定的參考價值。

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