探析大跨度调压室顶拱开挖支护施工技术和监理

刘洪清 LIU Hong-qing

（中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，长沙 410000）

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

1 工程概况

雅砻江锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上最重要和装机最大的梯级电站。锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段长约150km的大河弯的天然落差，通过长约16.67km的引水隧洞，截弯取直，获得约310m的水头。电站总装机容量4800MW，单机容量600MW。工程枢纽主要由首部拦河闸坝、引水系统和地下厂房三大部分组成，为闸坝、长隧洞、大容量引水式水电站。

在4条引水隧洞末端各设有一座调压室，每座调压室主要由阻抗孔、调压室竖井、事故闸门布置有关的闸墩、闸门检修和启闭平台、闸门后通气孔、调压室底部分岔段等组成。调压室顶拱开挖断面为渐变城门洞形，最大开挖尺寸长宽高分别为49.5m×宽22.532～30m×高15.25m，锚喷支护。该调压室为目前全亚洲最大的阻抗式调压室。如图1。

图1 锦屏二级厂区枢纽调压室工程示意图

锦屏二级厂区枢纽调压室工程于2007年5月1日正式开工。通过施工单位的科学组织、精心施工和监理单位的严格质量控制，锦屏二级厂区枢纽上游调压室工程开挖支护取得了良好的效果，并获得了“锦屏水电工程A级样板工程”称号。

图2

调压室顶拱开挖支护是调压室工程施工的重点和难点，其开挖施工质量要求高、安全风险大，也是监理工程师质量监理工作和安全监理工作的重点和难点。笔者对此成功的案例进行总结，希望能对类似工程的监理工作有一定的参考价值。

2 锦屏二级厂区枢纽调压室工程的基本地质条件

锦屏二级水电站厂区枢纽调压室工程区出露的地层岩性为三迭系中统盐塘组第5大层（T2y5），岩性为中细粒结晶大理岩和白色粗晶厚层块状大理岩。岩层产状为：N5～20°E，NW∠75～83°。1#、2#调压室围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主，局部为Ⅳ类；3#、4#调压室围岩以Ⅲ类为主，部分Ⅳ类，少量Ⅱ类。调压室顶拱发育3组结构面，其中一组为缓倾角结构面、2组中等倾角，3组结构面组合切割形成倒悬楔形体。f7断层穿过4#调压室顶拱上游边墙，断层带宽60cm。

3 调压室顶拱开挖支护施工方案及实施

调压室顶拱开挖支护施工前，施工单位报送了《调压室顶拱开挖支护施工方案》，监理工程师对该方案进行了认真细致地审查，以＜关于《调压室顶拱开挖支护施工方案》的审查批复意见＞对施工方案进行了批复，提出了一些补充意见和建议以及在施工中应注意的问题，并向施工单位提出“将上游调压室顶拱开挖支护工程列为创锦屏样板工程”的建议，得到了施工单位的积极响应和具体实施。

3.1 施工程序

调压室顶拱为渐变城门洞型，顶拱只进行锚喷支护，顶开挖高度15.25m，拱跨度大（最大开挖跨度30m），为大跨度洞室开挖，开挖质量要求高、施工难度及安全风险大。为确保顶拱开挖施工质量、工程稳定和施工安全，针对该工程特点，采取两层、四区、六序的开挖支护方案进行施工。其中，Ⅰ区为中部导洞（宽8.5m）和中部顶拱保护层开挖支护；Ⅱ、Ⅲ区为左右两侧扩挖及支护，宽度分别为7.02m和3.73m；Ⅳ区为底部开挖及支护，宽为22.532～30m。根据新奥法施工原理，每层、每序开挖完成后适时进行支护施工。开挖支护分层分块见图3。

图3 调压室顶拱开挖分层分块图

3.2 实施方案

①序施工：

在完成各调压室横向交通洞（8.5*7.35m）后进行调压室顶拱①序导洞开挖，导洞底板高程从EL1696.25爬升至EL1704.15后改为平洞开挖，利用交通洞开挖支护时的自制施工钻爆平台配合手风钻钻孔，中间掏槽，按照图5的爆破网络周边光面爆破，爆破开挖的原则为弱爆破，在满足开挖质量的前提下，尽量采用弱爆破，减少单孔药量和最大单响药量，减少开挖爆破对周边围岩的扰动破坏。每循环进尺3m，开挖过程中根据围岩情况进行随机支护。导洞开挖爆破设计见图4。

②序施工：

利用①序最后一茬炮的爆破碴料对①序导洞进行垫碴处理，利用自制平台配合手风钻钻孔，反向进行周边光面爆破。为避免爆破超挖现象，在顶拱下游侧端墙起点处先向上打垂直预裂孔，孔距为80cm，其孔内不装药，完后再进行②序最后一茬炮的爆破开挖施工。②序开挖完成后，为确保开挖后洞室稳定，立即进行系统锚杆、钢筋挂网等支护，调压室顶拱所用支护锚杆为机械涨壳式预应力中空注浆锚杆，其锚杆支护参数：Ф28，T=120kN，L=6m和Ф32，T=120kN，L=8m，钢筋网为φ8@15cm*15cm。

顶拱导洞开挖钻爆参数表

图4 调压室顶拱中导洞钻爆设计图

机械涨壳式预应力中空注浆锚杆梅花型交错布置，间排距均为1.5m。因锚杆的特殊性，利用自制平台配合FJY25C圆盘钻造孔，根据锚杆直径大小，分别造Ф45mm和Ф55mm的锚杆孔，人工插杆张拉。其施工流程为：施工准备→测量放线→圆盘钻造孔→孔道清理→快速水泥砂浆找平→预应力中空锚杆安装→锚具安装及施加预应力→从注浆管关注水泥砂浆→密实度无损检测。

为保证机械涨壳式预应力中空注浆锚杆的施工质量，在锚杆施加预应力前扭力扳手经过率定校核无误后方用于锚杆张拉施工。锚杆施工完成后，进行钢筋网制安。

③序施工：

待②序开挖支护施工完成后，开始进行③序降底板高程开挖施工，将中导洞开挖成型的地板高程开挖下降3.15m。完后进行两侧④⑤序施工。

④⑤序施工：

待③序施工完成后，从上游侧端墙向下游侧进行顶拱④⑤序开挖施工；施工中为避免超挖，在顶拱上游侧端墙终点处先向左右两侧打预裂孔，孔距为80cm，其孔内不装药，后进行第一茬开挖爆破施工，完后利用自制平台配合手风钻造孔，完后按照图5的爆破网络图进行周边光面爆破。

开挖完成后立即进行顶拱锚杆、钢筋挂网支护施工。由于④⑤序开挖完后，锚杆支护工程量较大，为提高工作效率，锚杆施工采用三臂钻造孔。在完成锚杆及钢筋挂网后，立即采用湿喷台车进行上半层顶拱混凝土喷射施工。在④⑤序开挖过程中，上下游端墙开挖均预先垂直预裂孔后进行光面爆破开挖。开挖爆破设计见图5。

4、5序典型断面钻爆参数表

图5 调压室顶拱④⑤序钻爆设计图

⑥序施工：

待④⑤序开挖支护全部完成后，利用自制钻爆平台配合手风钻造孔，先进行顶拱开挖周边预裂爆破，预裂孔间距为60cm，然后进行全断面光面爆破开挖施工。开挖完成后利用自制平台完成剩余锚杆支护，安装钢筋网，湿喷台车喷射混凝土。

4 增加随机支护

在调压室顶拱开挖支护过程中除适时按设计要求进行系统支护外，遇到一些地质条件较差洞段和部位，监理工程师及时组织施工、设计和业主单位进行协商，相应增加了一些随机支护。如，3#、4#调压室顶拱多处揭露出溶洞和岩溶裂隙，为保证顶拱围岩稳定，在发育溶洞和岩溶裂隙部位增加布置了φ28、@0.75m的钢筋肋拱，并对原系统机械涨壳式中空注浆锚杆进行排间加密；对顶拱存在缓倾结构面和存在局部不稳定楔形体的地段，在原布置φ8@15cm*15cm钢筋网的基础上新增φ16@150cm*150cm与钢筋网、系统锚杆焊接的龙骨钢筋进行加强支护制；对上游侧高边墙存在地质缺陷地段在原系统锚杆支护基础上排间加密支护，特别是4#调压室顶拱，在f7断层通过段在系统加强支护基础上又增加布置了2排L=15m，T=1500kN、@4.0m*4.0m的压力分散型预应力锚索；由于调压室顶拱只进行锚喷支护，混凝土喷护厚度为15cm，为调压室顶拱围岩的稳定，在原C25混凝土喷护基础上，又增加了10cm的CF30聚丙烯纳米钢纤维喷护，其总喷护厚度为25cm。通过增加随机支护，确保了洞室围岩的稳定。

5 开挖质量验收

2#、3#调压室顶拱开挖完成后，监理工程师分别进行了检查和测量，经监理工程师检查统计，顶拱开挖面成型良好，开挖炮孔残留率2#调压室顶拱达95%以上、3#调压室顶拱达90%以上，平均超挖值小于5cm，无欠挖。在跨度如此之大、且以Ⅲ类围岩为主的围岩地段进行开挖施工能达到如此的效果，令监理工程师和业主满意。其顶拱开挖质量和效果见图6、图7。

图6 2#调压室顶拱开挖照片

图7 3#调压室顶拱开挖照片

6 调压室顶拱围岩变形情况

在调压室顶拱开挖支护过程中按设计要求和设计指定位置埋设了安全监测仪器。安全监测仪器数据统计如表1所示。

表1 调压室顶拱安全监测数据表

从表1统计数据可以看出，2#、3#调压室顶拱开挖支护完成后围岩变形量较小、变形值满足设计要求。目前，2#、3#调压室顶顶拱围岩变形已趋于稳定。

7 监理质量控制

监理工程师通过采取事前控制、过程控制和检查验收等方法对调压室顶拱开挖支护施工进行全过程的质量控制。

事前控制主要是施工前对施工单位的施工方案和措施进行审查，重点审查其施工措施、施工工艺、质量保证措施、安全保障措施、施工资源投入（含施工人员和施工设备的投入）和工期计划等。

开工前，监理工程师主要检查施工单位施工措施的落实情况。对喷锚支护所需的原材料质量进行有效的质量控制（对支护所需主要材料如钢筋、水泥、砂等材料进行检查）。施工过程中，监理工程师通过采取巡视、旁站等方法对施工质量等进行过程控制，其中重点对炮孔单孔装药量和总装药量进行控制（避免因单孔装药量和总装药量过大在爆破时对围岩产生过大的扰动）、开挖断面尺寸和平整度检查、锚杆施工质量控制（对锚杆注浆施工进行旁站监理）和喷混凝土质量控制等。

单元工程施工完成后，监理工程师及时组织验收，并进行质量评价。

通过采取以上措施和手段对工程施工质量进行全过程控制，取得了良好的效果。

8 结语

目前，锦屏二级水电站厂区枢纽工程调压室顶拱开挖支护施工已全部完成，根据调压室顶拱安全监测数据，顶拱围岩变形量较小、满足设计要求，目前围岩变形均已趋于稳定。对开挖跨度如此之大（最大跨度达30m）的无衬砌地下洞室，采用分层、分序、预裂与光面爆破开挖和喷锚支护等相结合的施工方法是有效和成功的。给大跨度地下洞室开挖支护设计、施工和监理等均提供了成功的范例，对大跨度地下洞室开挖支护设计、施工和监理均有一定的参考价值。

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