烏東德水電站尾水調壓井球冠穹頂開挖支護施工技術

王長城+王洪松

摘 ?要：烏東德水電站尾水調壓井目前為國內最大的豎井洞室群，其單個井身開挖斷面為1450㎡。為解決大跨徑對地下硐室穩(wěn)定帶來的不利影響，調壓井頂拱設計為球冠狀，從而實現較好的自穩(wěn)調節(jié)能力。本文結合右岸尾水調壓井球冠穹頂的實際開挖施工情況，從確保大跨度硐室開挖穩(wěn)定和利于球冠穹頂成型的角度，系統(tǒng)簡述巨型球冠穹頂的開挖施工技術和方法，以期對今后特殊體型地下硐室開挖施工具有借鑒指導意義。

關鍵詞：尾水調壓室;球冠穹頂;開挖支護;施工技術

1 ?工程概況

1.1 ?結構特點

烏東德水電站右岸三個尾水調壓室并排布置，單個尾水調壓室頂拱為球冠型，球冠橫向最大跨度53m，高26.5m，拱頂中心高程886.5m，拱腳處高程為860m。在球冠底部852.3～877 m高程有尾水檢修閘門廊道將三個尾水調壓室連為一體。

尾水調壓室球冠型穹頂開挖包括球冠穹頂開挖及851.3 m高程以上的井身開挖，施工主要工程量為：石方洞挖180051m3，普通砂漿錨桿1890根，預應力錨桿540根，無粘結錨索434根，噴混凝土約894m3，掛網約10.9t。

1.2 ?工程地質條件

右岸尾水調壓室位于金沙江峽谷岸坡內，外側端墻距岸邊距離100m，上覆巖體厚，埋深180m～350m。所處地層為Pt2l3-3～Pt2l3-5厚層灰?guī)r、大理巖、石英巖及巨厚層白云巖，巖層傾向175°～185°，傾角70°～80°，軸線與巖層走向夾角約20～30°，斷層f100-2、f100-3位于調壓室下游邊墻附近，其規(guī)模小，與調壓室軸線夾角分別為47°、55°。圍巖總體上巖溶不發(fā)育，局部存在順層面的溶縫，調壓室頂拱（外端墻）附近有A類角礫巖出露。調壓室頂拱圍巖以III類為主，在施工過程中，受爆破等因素影響塊體穩(wěn)定性較差，局部可能產生塊體失穩(wěn)。

2 ?開挖分層

尾調室球冠穹頂開挖自上而下分5層進行施工，開挖分層圖見圖1。其中第I層最大開挖高度10.9m，其余各層分層高度為5～7m。為保證I層開挖施工硐室穩(wěn)定和球冠成型，分環(huán)形導洞、中心預留巖柱、環(huán)形擴挖區(qū)、底部拉槽區(qū)和周邊保護層5個區(qū)域開挖，I層開挖分區(qū)圖見圖2。

3 ?施工方法選擇及程序確定

3.1 ?開挖方法選擇

為確保大跨徑硐室開挖穩(wěn)定和球冠穹頂成型質量，減少超挖量和回填混凝土量，經過充分研究穹頂設計體型，并借鑒以往大洞室"眼鏡法"開挖成功經驗，最后確定采取環(huán)形導洞先行，中間預留巖柱支撐，周邊環(huán)形擴挖的施工方法，充分利用球形體水平剖切面為標準圓的規(guī)律特點，圍繞穹頂中心軸線按不同半徑圓周鉆水平孔的思路進行開挖，從而實現"以圓削球"的施工目的。

3.2 ?施工程序確定

為降低施工過程中相鄰硐室爆破對穹頂穩(wěn)定的不利影響，右岸三個尾調室按隔洞錯距開挖原則組織施工。單個尾調室施工順序為：環(huán)形導洞→預留中心巖柱下部開挖→預留中心巖柱上部保護層→底板拉槽→環(huán)形擴挖，相應分區(qū)開挖結束后，立即進行系統(tǒng)支護。

4 ?鉆爆法開挖

4.1 ?環(huán)形導洞開挖施工

在完成施工支洞徑向鎖口支護后，沿支洞軸線方向開挖至距穹頂圓心5m位置停止;然后由測量放出穹頂中心位置，從穹頂中心點向實際開挖巖面引出邊線，逐炮修邊擴挖，將開挖面拉齊至于環(huán)形導洞軸線垂直;接下來以穹頂中心為基點預留直徑為10.0m的中心巖柱，沿預留中心巖柱外側開挖環(huán)形導洞，環(huán)形導洞開挖寬度為8.0m，高度為7.49m～10.42m;導洞開挖分兩序進行，先進行底部掏槽，然后進行上部保護層開挖。

環(huán)形導洞掏槽開挖利用支洞開挖鉆爆臺車人工持YT-28手風鉆進行鉆孔，人工裝藥、爆破。開挖鉆孔采用同心圓切線方向水平造孔，爆破孔孔距為80～90cm，排距為70～80cm，靠近巖柱側光爆孔孔距為50cm，穹頂輪廓線光爆孔間距40cm。造孔前，必須通過測量放線，根據爆破設計圖和實際開挖邊線定出每個爆破孔點位、尾線點及每個孔的造孔深度，手風鉆沿圓弧切線方向鉆水平孔，最內側孔深為1.0m（設計深度，實際深度由測量控制）。為最大限度控制穹頂邊線超欠挖，每循環(huán)對環(huán)形導洞標準開挖斷面爆破孔深、孔位及裝藥參數進行編程計算。每排炮鉆孔結束后均由現場質檢人員用鋼卷尺測量孔深，如果孔深超過設計要求，則用炮泥堵塞至符合設計要求后才允許裝藥。環(huán)形導洞開挖炮孔布置詳見圖4。

4.2 ?中心預留巖柱及穹頂保護層施工

在環(huán)形導洞開挖及頂拱系統(tǒng)支護完成后進行中心預留巖柱的開挖。預留中心巖柱開挖分上下兩部分進行，下部為導洞開挖，上部為預留保護層開挖。下部導洞開挖尺寸為10×7.9m（寬×高），分左右半幅進行開挖。上部保護層開挖厚度為2.5～3m，保護層開挖以穹頂中心為軸線，鉆輻射狀孔，由外側向穹頂中心逐層開挖。開挖鉆孔均采用人工持YT-28手風鉆配合鉆爆臺車進行，人工裝藥、爆破，爆破孔孔距為80～90cm，排距為70～80cm，周邊孔孔距為40cm。穹頂造孔前，通過測量放線，根據爆破設計圖定出周邊孔點位、尾線點及每個孔的造孔深度，手風鉆沿圓弧切線方向鉆水平孔，孔深超深20cm為1.5m（設計深度，實際深度由測量控制）。每排炮鉆孔結束后由現場技術人員用鋼卷尺測量孔深，如果孔深超過設計要求，則用炮泥堵塞至符合設計要求后才允許裝藥。

為滿足環(huán)形擴挖區(qū)頂拱9m長錨桿施工空間需求以及鉆爆臺車尺寸需求，在預留中心巖柱開挖及系統(tǒng)支護施工完成后先將巖柱及環(huán)形導洞范圍內的底板進行拉槽下臥，拉槽深度為3.5m，拉槽鉆孔采用D7液壓鉆鉆孔梯段爆破;拉槽施工完成后再進行環(huán)形擴挖施工，開挖寬度為5.4m，高度6.56～10.84m，環(huán)形擴挖采用環(huán)形導洞開挖階段鉆爆臺車，人工持YT-28手風鉆進行鉆孔、裝藥、爆破。爆破鉆孔及裝藥參數控制同環(huán)形導洞開挖階段。I層外緣剩余2.5m范圍隨下層保護層一同開挖。endprint

4.3 ?II～V層開挖施工

第Ⅱ～Ⅴ層開挖采取中間梯段爆破，兩側預留保護層方式開挖。在設計邊線預留5.5m厚保護層，為保證設計結構線開挖成型質量，保護層分兩次進行開挖，靠中心側3.0m范圍保護層在中間梯段爆破后進行開挖，剩余外緣2.5m范圍保護層隨下層一同開挖。中間采用ROC-D7型液壓鉆垂直進行鉆孔，梯段爆破。保護層開挖采用手風鉆鉆設水平孔，環(huán)向開挖。

第Ⅱ、Ⅲ層開挖時按照12%的坡比修筑環(huán)形便道，利用尾調室上層施工支洞作進行交通。4#、5#調壓室斜坡道開挖利用6#調壓室斜坡道經閘門廊道進行開挖;第Ⅳ～Ⅴ層及6#調壓室第Ⅱ、Ⅲ層剩余斜坡道開挖利用尾調交通洞作為施工通道，開挖時先將Ⅲ層底板與尾調交通洞頂高程挖穿，以此為臨空面，沿閘門廊道上游側按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作為Ⅳ～Ⅴ層施工通道。出渣采用3.0m？反鏟裝20t自卸車出渣，3.0m？裝載機裝輔助裝渣。

4.4 ?支護程序及方法

由于尾水調壓室穹頂開挖高度高，斷面尺寸大，為保證頂拱的穩(wěn)定，開挖過程中必須及時支護，根據鉆爆分層分區(qū)，每層每區(qū)開挖后及時支護，相鄰區(qū)域支護未完，不進行下一分區(qū)的開挖。根據圍巖應力的釋放規(guī)律，支護遵照先淺層支護后深層支護的原則進行，具體施工程序如下：開挖→初噴混凝土5cm→6m/9m錨桿、排水孔施工→鋼筋掛網→復噴混凝土10cm→錨索施工。各工序間交替流水作業(yè)，6/9m孔深錨桿采用353E多臂鉆造孔，砂漿錨桿采用YSB-2B砂漿泵注漿，人工配合平臺吊車安插錨桿和鋼筋掛網，噴混凝土采用aliva混凝土噴射機進行濕噴，錨索采用YG-80錨索鉆機鉆孔。

5 ?質量控制過程

（1）加強技術管理的基礎工作，施工每道工序嚴格執(zhí)行施工質量的"三檢制"，在三檢合格的情況下由施工局質檢員將檢驗合格證交給監(jiān)理工程師，再對申請驗收的部位進行聯檢，在聯檢合格后，監(jiān)理工程師在驗收合格證上簽字后方可進行下道工序的施工作業(yè)。

（2）加強與業(yè)主、監(jiān)理、設計單位的聯系，在施工技術方面取得廣泛的合作與支持，并及時解決施工中遇到的技術難題和問題。開挖前認真做好控制爆破設計，并先在監(jiān)理工程師批準的地方進行試驗，選定合理的爆破參數，并使爆破震動對圍巖影響最小，開挖過程中，根據地質情況變化及時改變鉆孔和爆破技術，修正爆破參數，達到鉆孔定位準確，爆破效果良好，以保證爆破后獲得滿意的開挖面。

（3）球冠光面爆破質量控制。鉆孔前進行爆破孔位和孔深編程計算，利用全站儀測量放線，精確定位球面上控制點，并適當加密頂拱輪廓線放樣點。放線的同時，對上一排炮的光爆殘孔進行釬孔水平直線率檢查，并填寫檢查記錄。

（4）現場管理人員在鉆孔過程中加強造孔質量管理，嚴格控制鉆孔的間排距，尤其是周邊孔造孔質量，起爆前應對其鉆孔質量進行檢查，如鉆孔質量不符合要求，責令其整改，或重新造孔，并做好檢查記錄。周邊孔的線裝藥，藥卷必須采用竹片按照裝藥結構綁扎，嚴禁無竹片光爆。

（5）質檢人員進行每一排炮光爆殘孔的檢查和統(tǒng)計，并對檢查記錄進行分析和評價，對施工過程進行巡查，有不符合要求的施工行為和方法，及時對相關單位及個人提出整改意見并監(jiān)督其整改，直至符合要求為止。

（6）技術人員適時跟蹤，參與光爆質量分析，提出整改建議，必要時，根據實際情況，對鉆爆參數進行優(yōu)化。

6 ?結束語

烏東德尾水調壓井目前已完成4#、5#兩個調壓井球冠穹頂的環(huán)形導洞開挖，預留巖柱成型良好，達到了預期支撐效果。環(huán)形導洞球冠結構面開挖半孔率達90%以上，超欠挖控制在10cm以內，整個斷面過渡平緩、美觀，預留巖柱和球冠穹頂結構面開挖成形效果見附圖3、附圖4。鑒于球冠穹頂體型和施工工藝的復雜性，技術人員在施工過程中，引入了三維動畫模擬和環(huán)形開挖爆破孔孔位及孔深編程計算，向地下硐室開挖數字化和精確化施工做了淺顯嘗試，在后續(xù)環(huán)形擴挖施工中還有待進一步加強質量控制和技術探討。

參考文獻：

[1] 《水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]《水電水利工程爆破施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2001.endprint

4.3 ?II～V層開挖施工

第Ⅱ～Ⅴ層開挖采取中間梯段爆破，兩側預留保護層方式開挖。在設計邊線預留5.5m厚保護層，為保證設計結構線開挖成型質量，保護層分兩次進行開挖，靠中心側3.0m范圍保護層在中間梯段爆破后進行開挖，剩余外緣2.5m范圍保護層隨下層一同開挖。中間采用ROC-D7型液壓鉆垂直進行鉆孔，梯段爆破。保護層開挖采用手風鉆鉆設水平孔，環(huán)向開挖。

第Ⅱ、Ⅲ層開挖時按照12%的坡比修筑環(huán)形便道，利用尾調室上層施工支洞作進行交通。4#、5#調壓室斜坡道開挖利用6#調壓室斜坡道經閘門廊道進行開挖;第Ⅳ～Ⅴ層及6#調壓室第Ⅱ、Ⅲ層剩余斜坡道開挖利用尾調交通洞作為施工通道，開挖時先將Ⅲ層底板與尾調交通洞頂高程挖穿，以此為臨空面，沿閘門廊道上游側按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作為Ⅳ～Ⅴ層施工通道。出渣采用3.0m？反鏟裝20t自卸車出渣，3.0m？裝載機裝輔助裝渣。

4.4 ?支護程序及方法

由于尾水調壓室穹頂開挖高度高，斷面尺寸大，為保證頂拱的穩(wěn)定，開挖過程中必須及時支護，根據鉆爆分層分區(qū)，每層每區(qū)開挖后及時支護，相鄰區(qū)域支護未完，不進行下一分區(qū)的開挖。根據圍巖應力的釋放規(guī)律，支護遵照先淺層支護后深層支護的原則進行，具體施工程序如下：開挖→初噴混凝土5cm→6m/9m錨桿、排水孔施工→鋼筋掛網→復噴混凝土10cm→錨索施工。各工序間交替流水作業(yè)，6/9m孔深錨桿采用353E多臂鉆造孔，砂漿錨桿采用YSB-2B砂漿泵注漿，人工配合平臺吊車安插錨桿和鋼筋掛網，噴混凝土采用aliva混凝土噴射機進行濕噴，錨索采用YG-80錨索鉆機鉆孔。

5 ?質量控制過程

（1）加強技術管理的基礎工作，施工每道工序嚴格執(zhí)行施工質量的"三檢制"，在三檢合格的情況下由施工局質檢員將檢驗合格證交給監(jiān)理工程師，再對申請驗收的部位進行聯檢，在聯檢合格后，監(jiān)理工程師在驗收合格證上簽字后方可進行下道工序的施工作業(yè)。

（2）加強與業(yè)主、監(jiān)理、設計單位的聯系，在施工技術方面取得廣泛的合作與支持，并及時解決施工中遇到的技術難題和問題。開挖前認真做好控制爆破設計，并先在監(jiān)理工程師批準的地方進行試驗，選定合理的爆破參數，并使爆破震動對圍巖影響最小，開挖過程中，根據地質情況變化及時改變鉆孔和爆破技術，修正爆破參數，達到鉆孔定位準確，爆破效果良好，以保證爆破后獲得滿意的開挖面。

（3）球冠光面爆破質量控制。鉆孔前進行爆破孔位和孔深編程計算，利用全站儀測量放線，精確定位球面上控制點，并適當加密頂拱輪廓線放樣點。放線的同時，對上一排炮的光爆殘孔進行釬孔水平直線率檢查，并填寫檢查記錄。

（4）現場管理人員在鉆孔過程中加強造孔質量管理，嚴格控制鉆孔的間排距，尤其是周邊孔造孔質量，起爆前應對其鉆孔質量進行檢查，如鉆孔質量不符合要求，責令其整改，或重新造孔，并做好檢查記錄。周邊孔的線裝藥，藥卷必須采用竹片按照裝藥結構綁扎，嚴禁無竹片光爆。

（5）質檢人員進行每一排炮光爆殘孔的檢查和統(tǒng)計，并對檢查記錄進行分析和評價，對施工過程進行巡查，有不符合要求的施工行為和方法，及時對相關單位及個人提出整改意見并監(jiān)督其整改，直至符合要求為止。

（6）技術人員適時跟蹤，參與光爆質量分析，提出整改建議，必要時，根據實際情況，對鉆爆參數進行優(yōu)化。

6 ?結束語

烏東德尾水調壓井目前已完成4#、5#兩個調壓井球冠穹頂的環(huán)形導洞開挖，預留巖柱成型良好，達到了預期支撐效果。環(huán)形導洞球冠結構面開挖半孔率達90%以上，超欠挖控制在10cm以內，整個斷面過渡平緩、美觀，預留巖柱和球冠穹頂結構面開挖成形效果見附圖3、附圖4。鑒于球冠穹頂體型和施工工藝的復雜性，技術人員在施工過程中，引入了三維動畫模擬和環(huán)形開挖爆破孔孔位及孔深編程計算，向地下硐室開挖數字化和精確化施工做了淺顯嘗試，在后續(xù)環(huán)形擴挖施工中還有待進一步加強質量控制和技術探討。

參考文獻：

[1] 《水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]《水電水利工程爆破施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2001.endprint

4.3 ?II～V層開挖施工

第Ⅱ～Ⅴ層開挖采取中間梯段爆破，兩側預留保護層方式開挖。在設計邊線預留5.5m厚保護層，為保證設計結構線開挖成型質量，保護層分兩次進行開挖，靠中心側3.0m范圍保護層在中間梯段爆破后進行開挖，剩余外緣2.5m范圍保護層隨下層一同開挖。中間采用ROC-D7型液壓鉆垂直進行鉆孔，梯段爆破。保護層開挖采用手風鉆鉆設水平孔，環(huán)向開挖。

第Ⅱ、Ⅲ層開挖時按照12%的坡比修筑環(huán)形便道，利用尾調室上層施工支洞作進行交通。4#、5#調壓室斜坡道開挖利用6#調壓室斜坡道經閘門廊道進行開挖;第Ⅳ～Ⅴ層及6#調壓室第Ⅱ、Ⅲ層剩余斜坡道開挖利用尾調交通洞作為施工通道，開挖時先將Ⅲ層底板與尾調交通洞頂高程挖穿，以此為臨空面，沿閘門廊道上游側按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作為Ⅳ～Ⅴ層施工通道。出渣采用3.0m？反鏟裝20t自卸車出渣，3.0m？裝載機裝輔助裝渣。

4.4 ?支護程序及方法

由于尾水調壓室穹頂開挖高度高，斷面尺寸大，為保證頂拱的穩(wěn)定，開挖過程中必須及時支護，根據鉆爆分層分區(qū)，每層每區(qū)開挖后及時支護，相鄰區(qū)域支護未完，不進行下一分區(qū)的開挖。根據圍巖應力的釋放規(guī)律，支護遵照先淺層支護后深層支護的原則進行，具體施工程序如下：開挖→初噴混凝土5cm→6m/9m錨桿、排水孔施工→鋼筋掛網→復噴混凝土10cm→錨索施工。各工序間交替流水作業(yè)，6/9m孔深錨桿采用353E多臂鉆造孔，砂漿錨桿采用YSB-2B砂漿泵注漿，人工配合平臺吊車安插錨桿和鋼筋掛網，噴混凝土采用aliva混凝土噴射機進行濕噴，錨索采用YG-80錨索鉆機鉆孔。

5 ?質量控制過程

（1）加強技術管理的基礎工作，施工每道工序嚴格執(zhí)行施工質量的"三檢制"，在三檢合格的情況下由施工局質檢員將檢驗合格證交給監(jiān)理工程師，再對申請驗收的部位進行聯檢，在聯檢合格后，監(jiān)理工程師在驗收合格證上簽字后方可進行下道工序的施工作業(yè)。

（2）加強與業(yè)主、監(jiān)理、設計單位的聯系，在施工技術方面取得廣泛的合作與支持，并及時解決施工中遇到的技術難題和問題。開挖前認真做好控制爆破設計，并先在監(jiān)理工程師批準的地方進行試驗，選定合理的爆破參數，并使爆破震動對圍巖影響最小，開挖過程中，根據地質情況變化及時改變鉆孔和爆破技術，修正爆破參數，達到鉆孔定位準確，爆破效果良好，以保證爆破后獲得滿意的開挖面。

（3）球冠光面爆破質量控制。鉆孔前進行爆破孔位和孔深編程計算，利用全站儀測量放線，精確定位球面上控制點，并適當加密頂拱輪廓線放樣點。放線的同時，對上一排炮的光爆殘孔進行釬孔水平直線率檢查，并填寫檢查記錄。

（4）現場管理人員在鉆孔過程中加強造孔質量管理，嚴格控制鉆孔的間排距，尤其是周邊孔造孔質量，起爆前應對其鉆孔質量進行檢查，如鉆孔質量不符合要求，責令其整改，或重新造孔，并做好檢查記錄。周邊孔的線裝藥，藥卷必須采用竹片按照裝藥結構綁扎，嚴禁無竹片光爆。

（5）質檢人員進行每一排炮光爆殘孔的檢查和統(tǒng)計，并對檢查記錄進行分析和評價，對施工過程進行巡查，有不符合要求的施工行為和方法，及時對相關單位及個人提出整改意見并監(jiān)督其整改，直至符合要求為止。

（6）技術人員適時跟蹤，參與光爆質量分析，提出整改建議，必要時，根據實際情況，對鉆爆參數進行優(yōu)化。

6 ?結束語

烏東德尾水調壓井目前已完成4#、5#兩個調壓井球冠穹頂的環(huán)形導洞開挖，預留巖柱成型良好，達到了預期支撐效果。環(huán)形導洞球冠結構面開挖半孔率達90%以上，超欠挖控制在10cm以內，整個斷面過渡平緩、美觀，預留巖柱和球冠穹頂結構面開挖成形效果見附圖3、附圖4。鑒于球冠穹頂體型和施工工藝的復雜性，技術人員在施工過程中，引入了三維動畫模擬和環(huán)形開挖爆破孔孔位及孔深編程計算，向地下硐室開挖數字化和精確化施工做了淺顯嘗試，在后續(xù)環(huán)形擴挖施工中還有待進一步加強質量控制和技術探討。

參考文獻：

[1] 《水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]《水電水利工程爆破施工技術規(guī)范》[M].北京：中國電力出版社，2001.endprint