不良地質條件下尾水調壓室開挖支護施工技術

張永崗，黃金鳳，王歡

（中國水利水電第十四工程局有限公司）

關鍵詞：不良地質　尾水調壓室　開挖支護

1 概況

1.1 工程概況

黃登水電站尾水調壓室為地下式，“二機一尾一調”的布置格局，由2個調壓室組成，高程1455.00m以上為圓筒式調壓井，高程1455.00m以下為調壓室與尾水隧洞、尾水支洞相交部分。調壓井開挖直徑為32.4～36m，底部開挖高程為1437.00m，頂部開挖高程為1514.54m，高77.54m，兩室中心距為70m，調壓井自高程1505.15m以上為球形穹頂，球形半徑為18.68m；兩尾水調壓室間在1488.20m高程設連通上室，連通上室斷面為城門洞形，開挖斷面尺寸為13.9m×16.9m（寬×高）。

1.2 地質條件

黃登水電站尾水調壓室地段地層主要為變質火山角礫巖、變質火山細礫巖夾變質凝灰巖，微風化—新鮮巖體。1#調壓室開挖揭露的Ⅲ級結構面主要有F₂₀₃-1、F₂₃₀-2，圍巖受F₂₃₀-1和F₂₃₀-2兩條相互交叉的Ⅲ級斷層影響較大。其中F₂₃₀-1剛好橫穿1#尾水調壓室，上游側與1#尾水支洞貫通，斷層影響帶寬度約30cm；F₂₃₀-2從左向右分別穿過1#尾水調壓室下游井壁、調壓室連通上室、2#尾水調壓室上游井壁，斷層影響帶寬度約100cm，與F₂₃₀-1在1#調壓室下游側井壁交匯。此外，1#調壓室開挖揭露Ⅳ級結構面有19條，其中斷層7條，擠壓面12條，結構面較為發育，節理面多呈閉合—微張，延伸1～3m。以下兩組節理最為發育：①N40°～60°W，SW∠50°～70°；②N20°～50°E，NW∠40°～55°。其他節理隨機出露，成組性差。

2 施工規劃

2.1 通道布置

（1）調壓室頂部布置5#-1、5#-2、5#-3施工支洞。其中，5#-1施工支洞底板開挖高程為1501.00m，終點與2#尾水調壓井相接；5#-2施工支洞底板開挖高程為1492.00m，縱坡9.51%，終點與尾水調壓井連通上室相接；5#-3施工支洞底板開挖高程為1501.00m，終點與1#尾水調壓室相接。

（2）每條尾水調壓室底部與1條尾水隧洞和2條尾水支洞相貫，井筒出渣主要通過尾水隧洞或尾水支洞經施工支洞運輸出洞外。

2.2 總體施工方法及程序

（1）根據不同的地質條件，1#、2#尾水調壓室穹頂開挖采用不同的開挖方法。1#尾水調壓室先從5#-3施工支洞升坡至調壓室穹頂進行先鋒槽的開挖，然后從兩側進行擴挖，擴挖采取“先剝皮，后掏心”的方式。2#尾水調壓室從5#-1施工支洞升坡至調壓室穹頂進行先鋒槽的開挖，然后從中心向兩側進行擴挖，擴挖采取“先掏心，后剝皮”的方式。

（2）井筒采用先開挖導井，然后擴挖成4.0m直徑的溜渣井，最后分層進行二次擴挖成型的施工方法。二次擴挖時采用挖掘機扒渣代替人工扒渣。

（3）開挖階段由于不同的結構面相互切割，淺表層變形掉塊現象突出，開挖過程中多次出現開裂掉塊及噴混凝土剝落現象，多次暫停施工進行新增加強支護處理。除了增加錨桿、錨筋樁、預應力錨索、預應力錨桿等常見的支護之外，井壁掉塊及噴混凝土剝落部位增加了GPS2型主動防護網，降低安全隱患，有效抑制了施工過程中的人員傷害。

（4）尾水調壓室下部與尾水隧洞和2條尾水支洞相貫通，形成“四岔口”。在尾水調壓室“四岔口”開挖時，為了保證下部尾水隧洞、尾水支洞圍巖的穩定，采取先導洞后擴挖的原則，并對交叉口部位臨近尾調側12m長洞段的尾水隧洞和尾水支洞進行0.5m厚的一期鋼筋混凝土預襯砌。在頂部及高邊墻部位增加了上仰、對穿錨索及預應力錨桿，在“四岔口”貫通之前對部位進行固結灌漿施工，有效解決了復雜地質條件下“四岔口”坍塌、掉塊的危險，從而保證了施工安全。

3 主要施工方法

3.1 施工準備

施工前應進行尾水調壓室開挖施工方案規劃，其內容包括：施工道路布置；監測斷面及儀器設備的布置；施工風、水、電規劃；尾水調壓室開挖施工的程序、施工方法、施工機械設備配備和人員配置；進度計劃；質量安全文明施工及環保水保措施等。

3.2 尾水調壓室施工分區

每個尾水調壓室從上至下共分為五個區施工，各區分區高度分別為13.538m、3m、5m、37m、18m，Ⅱ區、Ⅲ區與聯通上室同步施工，Ⅳ區為豎井。尾水調壓室開挖分區見圖1。

3.3 尾水調壓室Ⅰ區開挖

3.3.1 1＃尾水調壓室Ⅰ區開挖

1#尾水調壓室以5#-3施工支洞作為施工通道先進行先鋒槽的開挖。先鋒槽起始斷面為7m×5m（高×寬），采用短進尺弱爆破施工。頂部沿設計邊線進行造孔開挖至穹頂中心部位，下部采用升坡，坡度為20%。該槽段開挖時，為避免錯臺每次進尺不得大于1.2m。每次出渣后，及時進行系統支護，支護完成后再進行下一段的爆破。

先鋒槽完成后，從兩側進行擴挖，擴挖采取“先剝皮，后掏心”的方式（圖2），即分兩區進行施工，先進行設計邊線處的開挖（A區），臨時支護及時跟進，進尺為1m。中間剩余區域（B區）滯后A區4排炮施工，進尺控制為2m。擴挖完成后，最后進行高程1503.00～1501.00m的開挖支護施工。

3.3.2 2＃尾水調壓室Ⅰ區開挖

2#尾水調壓室以5#-1施工支洞作為施工通道進行先鋒槽的施工，先鋒槽高7m，寬5m，水平開挖，開挖至穹頂設計邊線。

在先鋒槽開挖至設計邊線后，大斷面進行槽段的開挖，頂部沿設計邊線進行造孔，開挖至穹頂中心部位，下部均用石渣進行回填，坡度可達20%，施工方法同1#尾水調壓室。

先鋒槽施工完成后，自中心向兩側進行開挖。鑒于開挖斷面較寬，因此，開挖過程分為A、B、C 三個區進行施工（圖3），寬度分別為5m、5m、6m，B、C區開挖滯后A區兩排炮，每次進尺不得大于1.0m。開挖完成后及時進行系統支護，支護完成后方可進行下一段開挖，最后完成剩余區域的開挖支護施工。

3.4 尾水調壓室Ⅱ區開挖

尾水調壓室Ⅱ區開挖底部高程為1498.00m，從5#-1施工支洞進入2#尾調室，然后降坡10.8%開挖至連通上室Ⅰ層底部1498.00m開挖高程。先向右開挖，待完成1#尾調室Ⅱ區開挖支護后，再從右向左推進，依次完成連通上室Ⅰ層剩余工程、2#尾調室Ⅱ區開挖支護工程，同時以14%的坡比回填施工道路至5#-3施工支洞作為施工通道。

尾水調壓室Ⅱ區施工高度為3m，采用YT-28手風鉆進行造孔爆破，先進行掏槽至調壓室中心，再向兩側進行擴挖。擴挖時設計周邊預留2m厚的保護層，隨下一次擴挖進行爆破（可調整）。擴挖采用YT-28手風鉆造豎直孔（周邊光爆），開挖完成后及時進行支護施工；連通上室Ⅰ層采用鉆架臺車配手風鉆造水平孔開挖，周邊光爆。Ⅱ、Ⅲ類圍巖全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段分上下臺階開挖，支護及時跟進。

3.5 尾水調壓室Ⅲ區開挖

連通上室Ⅱ層開挖施工時，5#-2施工支洞底板高程為1492.00m。因此，從5#-2施工支洞向兩側進行連通上室Ⅱ層開挖，開挖高度為6m。Ⅱ、Ⅲ類圍巖段全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段分上下臺階開挖，支護及時跟進。開挖方法同Ⅰ層。

尾調Ⅲ區從連通上室Ⅱ層向兩側進行開挖，開挖方法同Ⅱ區。鑒于開挖高度較大，可根據揭露的地質情況分2層進行。

3.6 尾水調壓室Ⅳ區開挖

尾調室Ⅳ區主要為井挖，因此主要施工程序為先進行導井開挖，后進行溜渣井一次擴挖，最后分層進行二次擴挖施工。在尾水調壓室Ⅳ區開挖之前，應先通過尾水隧洞打設中導洞至尾水調壓室底部，中導洞開挖斷面為8m×9m。

3.6.1 導井施工

導井采用LM200反井鉆機開挖，設備通過連通上室運至工作面，安裝完成后先從上至下用反井鉆機打φ216先導孔與下部中導洞貫通，再用LM200反井鉆機從下反向掘進擴挖成直徑1.4m導井。

3.6.2 溜渣井開挖施工

鑒于調壓井開挖斷面較大，為了保證開挖石渣不造成堵孔等情況發生，溜渣井確定直徑為4.0m，自上而下依次通過擴挖形成。利用吊籠，人工采用YT-28手風鉆進行造孔、裝藥，每段爆破高度為2m，一次爆破擴挖至直徑4.0m。

3.6.3 擴挖成型施工

溜渣井成型后，再自上而下分層進行擴挖，分層高度為3m。導井擴挖清渣完成后，利用直徑5.0m的井蓋將溜渣井封閉，人工在其上進行掏槽開挖，掏槽斷面為2m×2m，采用手風鉆進行造孔，分段爆破，每次進尺不得大于4m，直至開挖至設計線。人工配合0.8m³反鏟進行扒渣，渣料從溜渣井溜至豎井下方，采用3.4m³裝載機裝20t自卸汽車出渣，尾水隧洞作為出渣通道。

由于開挖斷面較大，為了提高扒渣效率，在井筒內放置一臺斗容0.8m³的挖掘機，用于爆渣扒甩及工作面清理，并隨開挖工作面逐步下降，有效地提高了施工效率，縮短了排炮循環時間。擴挖分區避炮，對設備進行遮擋。

為了解決鉆爆、支護過程中的人員安全，在作業過程中對先期施工的溜渣井采取井蓋防護的措施，井蓋利用布置于連通上室1492.00m高程的卷揚機進行提升。

3.7 尾水調壓室Ⅴ區（“四岔口”）開挖

3.7.1 “四岔口”開挖分層

尾水調壓室“四岔口”開挖是尾水調壓室開挖施工的關鍵，以水平向開挖為主。“四岔口”垂直方向分Ⅰ～Ⅲ三個區，水平方向分五層進行開挖支護（圖4），水平分層高度分別為5.0m、9.0m、4m、4m、2.7m。第②層為前期已開挖的導洞，第⑤層為保護層。

尾水調壓室“四岔口”分三區、五層開挖，每層完成一區開挖支護后再進行另一區開挖支護施工，每層開挖支護全部完成后再進行下一層開挖施工。

3.7.2 “四岔口”開挖程序

尾水調壓室“四岔口”開挖總體程序為：高程1461.70m以上開挖支護→與尾水調壓室相交的尾水隧洞和尾水支洞一期預襯砌混凝土施工→高程1461.70～1456.70m開挖、支護→尾水調壓室與尾水隧洞、尾水支洞相交部位鎖口預應力錨桿施工→第②層中導洞擴挖至設計邊線→第③層邊墻預裂→第③層造水平孔爆破→第③層支護→第④層邊墻預裂→第④層造水平孔爆破→第④層支護→保護層水平光面爆破→支護。

由于“四岔口”挖空率較高，開挖后應力調整幅度大，所留巖梗體承受應力增幅大，所以采用導洞超前先行釋放部分應力，再分層分塊開挖，并且開挖一部分，支護一部分，以免產生較大的應力調整從而產生過多的片幫剝離、應力松弛等現象。

3.7.3 “四岔口”開挖方法

（1）尾水調壓室高程1456.70m以下為“四岔口”，采用平洞開挖方法，尾水調壓井隨著尾水隧洞及尾水支洞逐層向下開挖。在尾水調壓室開挖至高程1464.00m時，開挖的石渣暫不出渣（起到暫時抑制井筒變形的作用），在底部墊渣進行高程1464.00～1456.70m的擴挖，距高程1456.70m上部約5m時開始采用造豎直孔分兩區光面爆破。待高程1456.70m以上全部開挖支護結束后，再將除施工通道墊渣外多余石渣運輸至洞外。前期，在進行調壓井開挖的過程中已將尾水隧洞導洞貫通，尾水調壓室下挖至下部隧洞洞頂后即進入“四岔口”的開挖。“四岔口”開挖以尾水隧洞為施工通道。首先，進行尾水調壓室高程1456.70m預應力鎖口錨桿的施工，然后，對尾水支洞及尾水隧洞導洞進行擴挖至設計邊線，并進行尾水隧洞、尾水支洞預應力鎖口錨桿的施工，然后分層下挖。

（2）第②層導洞兩側預留巖體的開挖采用光面爆破，第③、④層每區開挖時，先進行邊墻預裂，然后采用手風鉆造水平孔開挖，底部保護層厚2.7m，采用水平光爆。邊墻預裂采用手風鉆造φ42豎直孔，孔深4.2m，然后采用竹片綁扎藥卷間隔裝藥，磁電雷管起爆。巖柱開挖根據分層高度，采用手風鉆造φ42水平孔開挖，孔深3.0m，孔內連續裝藥，磁電雷管起爆。

（3）尾水隧洞、尾水支洞與尾水調壓室相交突變部位開挖方法：從尾水隧洞（尾水支洞）將前期開挖的中導洞按尾水隧洞（尾水支洞）開挖寬度擴挖至調壓室底部，然后從上至下對“四岔口”預留巖體爆破挖除。剩余邊角部位采取從調壓室底部往尾水隧洞（尾水支洞）造孔，另一邊從尾水隧洞（尾水支洞）突變部位造孔，兩側同時爆破挖除。

4 淺表層變形及掉塊處理措施

在尾水調壓室開挖支護施工過程中，由于受F₂₃₀-1、F₂₃₀-2斷層影響，巖體呈碎塊化嚴重，開挖支護施工期間多次出現掉塊、開裂、噴混凝土剝落等嚴重威脅施工人員安全的現象。為保證圍巖穩定及施工安全，及時進行加強支護處理。除了增加錨桿、錨筋樁、預應力錨索、預應力錨桿等常見的支護之外，井壁掉塊及噴混凝土剝落部位大面積增加了GPS2主動防護網，以降低安全隱患。主動防護網為GPS2型，其結構組成為：φ16縱橫向支撐鋼繩，鋼格柵網(直徑2.2mm，網孔50mm×50mm)，鋼絲繩網(菱形網，直徑8mm，網孔300mm×300mm)，φ10縫合鋼繩，以及鋼繩卡，采用φ22鋼筋龍骨，2.0m×2.0m間排距進行壓服。

5 結語

黃登水電站尾水調壓室地質情況較差，在開挖過程中采取了很多行之有效的施工方法。穹頂開挖時，對地質情況不相同的1#、2#調壓室分別采取了不同的開挖方法。在井壁施工階段，除了常規的錨桿、錨筋樁、預應力錨索、預應力錨桿等支護之外，還對井壁大面積增設了GPS2型主動防護網，從而確保施工期施工人員及設備的安全。在進行尾水調壓室井筒開挖前將底部的尾水支洞和尾水隧洞貫通至調壓室底部，同時對尾水支洞和尾水隧洞靠近調壓室段進行一期加強鋼筋混凝土預襯砌，并在隧洞頂拱增加上仰錨索，從而確保“四岔口”開挖階段相鄰洞室的穩定。雖尾水調壓室在開挖期間多次出現掉塊、開裂、噴混凝土剝落、空腔等情況，但在施工時根據開挖揭露的地質條件進行了動態支護設計并多次對施工方法進行調整，從而確保了尾水調壓室按要求完成開挖，同時保證了施工期的安全。