穹顶施工技术在大截面水电站调压室工程中的应用研究



穹顶施工技术在大截面水电站调压室工程中的应用研究

徐镇南邓志华

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌330038)

【摘要】水电站工程中尾水调压井断面大截面以及大跨径会影响到尾水调压井围岩的稳定性，在设计过程中改变尾水调压井顶部的形状即采用穹顶状，可以解决上述问题。本文基于印度尼西亚PAKKAT水电站尾水调压井球冠穹顶所具有的大截面以及大跨径的特点，针对水电站实际施工过程，对开挖的施工技术、施工方法作了较为详细的阐述，具有一定的指导作用。

【关键词】尾水调压室；球冠穹顶；开挖支护；施工技术

1工程概述

1.1　工程简况

印度尼西亚PAKKAT水电站工程包括3个尾水调压室顶端，3个顶端均设计为球冠状，按照并排布置的原则进行相应的布置。其顶部球冠横向最大跨度为53m，高度为26.5m，尾水调压室筒状部分高度为860m，在尾水调压室852.3~877m高程处有尾水检修闸门廊道，3个尾水调压室通过中间的检修闸门廊道形成一个整体。施工项目为尾水检修闸门廊道底端以上的开挖以及高程851.3m以上的井身开挖工程。

1.2　地形地质

印度尼西亚PAKKAT水电站大坝基岩出露，分布地层属于薄—中厚层灰岩，其岩性是T1yn1-3。河床段坝基所处的岩性为弱风化基岩，具体位于基岩的中下部。两岸坝肩段所处的岩性为弱风化基岩，具体位于基岩的下部—中上部。岩质边坡属于逆向坡，岩层斜插入河底，自然边坡稳定性相对较好。调压室的顶拱围岩主要为Ⅲ类，施工时，由于爆破等原因造成围岩块体的稳定性不佳，甚至会出现块体失稳的现象。

1.3　分层开挖

此次施工包括5层，冠状穹顶的开挖顺序由下至上，上部的开挖层是Ⅰ 层，下部以此类推，开挖分层见图1。最大的开挖高度确定为10.8m，除了最高的位置，其他每层开挖高度为5~7m。为确保最上层的穹顶成型以及保持围岩的稳定性，开挖施工时将最上层分为5个区域，分别为：分环形导洞；中心预留岩柱；环形扩挖区；底部拉槽区；周边保护层。具体分区见图2。

图1　尾水调压室穹顶开挖分层

图2　尾水调压室Ⅰ层开挖分区 (单位：m)

2开挖支护施工方案

2.1　开挖方法与施工程序选择

在开挖时，为了保证大跨径硐室的稳定性，确保球冠穹顶成型时的质量，并尽可能使超挖量以及回填混凝土量降至最低，参考之前成功开挖大硐室的案例，确定采用如下施工方法：ⓐ先进行环形导洞的开挖；ⓑ中间位置支撑预留的岩柱；ⓒ对周边进行环形扩挖。由于球形物体的水平剖切面均属于标准圆，因此，开挖思路可确定为以穹顶中心的轴线为核心，选择不同半径的圆周钻水平孔，达到“以圆削球”的效果。

施工时，若相邻最近的硐室发生爆破，会严重影响到穹顶的稳定性，为确保不出现上述不利状况，确定采用隔洞错距的开挖原则。对于每一个尾调室，施工顺序如下:ⓐ开挖环形导洞；ⓑ对预留中心岩柱的下部进行开挖；ⓒ预留岩柱上部保护层；ⓓ底板进行拉槽操作；ⓔ环形扩挖，完成每个区域的开挖后迅速采取系统支护的措施。具体的施工顺序模拟见图3。

图3　尾水调压室开挖程序三维模拟图

2.2　环形导洞施工过程

施工支洞径向锁口支护完成之后，开挖方向改变为支洞轴线方向，以距穹顶圆心5m的长度为开挖距离；接下来根据相应的测量，放出穹顶中心位置并引出边线，引出边线的方向为穹顶的中心点至实际开挖岩面，逐炮修边扩挖，拉齐开挖面垂直于环形导洞的轴线；之后基点为穹顶的中心，预留一根中心岩柱，该中心岩柱的直径为10m，环形导洞开挖顺着中心岩柱的外侧进行，其宽度选择为8m，高度选择为7.49~10.42m；导洞开挖按照如下方式进行：ⓐ底部掏槽；ⓑ上部保护层开挖。

Ⅰ层环形导洞的开挖见图4。

图4　Ⅰ层环形导洞开挖示意图(单位：m)

2.3　中心预留岩柱施工与穹顶保护层施工

中心预留岩柱的开挖包括两个部分：ⓐ导洞的开挖；ⓑ预留保护层的开挖。导洞的开挖尺寸(宽×高)确定为10m×7.9m。保护层的开挖厚度处于2~2.3m之间，开挖保护层的轴线为穹顶中心，开挖方向确定为由外侧至穹顶的中心。

2.4　底部拉槽与环形扩挖施工

为满足环形扩挖区域施工空间(顶拱9m长锚杆的施工空间)的要求，当结束环形导洞的开挖以及采取顶拱系统的支护措施之后，对于中心预留的岩柱以及环形导洞的底板要进行拉槽下卧的操作，深度确定为3.5m，钻孔方式为液压钻孔梯段爆破；结束后开始环形扩挖施工，开挖的宽度确定为5.4m，高度确定为36.56~10.84m，选择环形导洞开挖阶段钻爆台车，工程施工人员持手风钻进行如下操作：ⓐ钻孔；ⓑ装药；ⓒ爆破。

2.5　Ⅱ~Ⅴ层开挖施工

Ⅱ~Ⅴ层的开挖方式确定如下：中间梯段爆破，两侧预留保护层。预先留出5.5m厚的保护层，为了保证设计结构线开挖成型的质量，分两次对保护层进行开挖，当完成中间梯段爆破之后，开挖靠近中心侧3.0m的保护层，另外，外缘2.5m保护层的开挖时间应与下层同时进行。选择液压钻以及梯段爆破的方式进行中间钻孔，保护层的开挖方向为环向进行。开挖施工见图5。

图5　Ⅱ~Ⅴ层开挖施工示意图

2.6　支护程序及方法

尾水调压室穹顶具有两个显著特征：ⓐ开挖高度高；ⓑ断面尺寸大。为确保顶拱的稳定性，在开挖时必须迅速进行必要的支护，不同层不同区开挖完成之后，应迅速采取安全有效的支护措施。基于围岩应力的变化，支护原则为先进行浅层支护，再进行深层支护，不同工序之间的作业方式为交替流水作业。具体支护过程为: 开挖→初喷混凝土→6m锚杆→排水孔施工→钢筋挂网→复喷混凝土→9m预应力锚杆施工→锚索施工。

3结语

通过印度尼西亚PAKKAT水电站的设计与验证，调压室施工效果良好，质量稳定，满足预期的设计要求。环形导洞球冠结构面各项指标(包括开挖半孔率、超欠挖控制)全部满足要求，整个断面具备以下优点：ⓐ过渡平缓；ⓑ美观。基于球冠穹顶体型的复杂性，在施工时，工程设计人员对过程进行动态模拟，通过计算机编程计算了环形开挖爆破孔的孔位及孔深，提高了准确度，对于环形扩挖施工意义重大。

参考文献

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Application study on dome construction technology in surge

chamber project of large cross section hydropower station

XU Zhennan, DENG Zhihua

(JiangxiGanyuEngineeringConstructionCo.,Ltd.,Nanchang330038,China)

Abstract:The large cross section and long span of tail water surge shaft section in hydropower station project will affect the stability of tail water surge shaft surrounding rock. The shape at the top of tail water surge shaft can be changed in the design process, namely dome shape can be adopted for solving the above problems. In the paper, the excavation construction technology and construction methods are described in detail aiming at practical the construction process on the basis of large cross section and large span features in Indonesia PAKKAT Hydropower Station tail water surge shaft spherical cap dome. It has certain guidance role.

Key words:tail water surge chamber; spherical cap dome; excavation support; construction technology

中图分类号：TV732.5

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)01-0003-04

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.002