不良地质条件下尾水调压室开挖支护施工技术

张永岗，黄金凤，王欢

（中国水利水电第十四工程局有限公司）

关键词：不良地质　尾水调压室　开挖支护

1 概况

1.1 工程概况

黄登水电站尾水调压室为地下式，“二机一尾一调”的布置格局，由2个调压室组成，高程1455.00m以上为圆筒式调压井，高程1455.00m以下为调压室与尾水隧洞、尾水支洞相交部分。调压井开挖直径为32.4～36m，底部开挖高程为1437.00m，顶部开挖高程为1514.54m，高77.54m，两室中心距为70m，调压井自高程1505.15m以上为球形穹顶，球形半径为18.68m；两尾水调压室间在1488.20m高程设连通上室，连通上室断面为城门洞形，开挖断面尺寸为13.9m×16.9m（宽×高）。

1.2 地质条件

黄登水电站尾水调压室地段地层主要为变质火山角砾岩、变质火山细砾岩夹变质凝灰岩，微风化—新鲜岩体。1#调压室开挖揭露的Ⅲ级结构面主要有F₂₀₃-1、F₂₃₀-2，围岩受F₂₃₀-1和F₂₃₀-2两条相互交叉的Ⅲ级断层影响较大。其中F₂₃₀-1刚好横穿1#尾水调压室，上游侧与1#尾水支洞贯通，断层影响带宽度约30cm；F₂₃₀-2从左向右分别穿过1#尾水调压室下游井壁、调压室连通上室、2#尾水调压室上游井壁，断层影响带宽度约100cm，与F₂₃₀-1在1#调压室下游侧井壁交汇。此外，1#调压室开挖揭露Ⅳ级结构面有19条，其中断层7条，挤压面12条，结构面较为发育，节理面多呈闭合—微张，延伸1～3m。以下两组节理最为发育：①N40°～60°W，SW∠50°～70°；②N20°～50°E，NW∠40°～55°。其他节理随机出露，成组性差。

2 施工规划

2.1 通道布置

（1）调压室顶部布置5#-1、5#-2、5#-3施工支洞。其中，5#-1施工支洞底板开挖高程为1501.00m，终点与2#尾水调压井相接；5#-2施工支洞底板开挖高程为1492.00m，纵坡9.51%，终点与尾水调压井连通上室相接；5#-3施工支洞底板开挖高程为1501.00m，终点与1#尾水调压室相接。

（2）每条尾水调压室底部与1条尾水隧洞和2条尾水支洞相贯，井筒出渣主要通过尾水隧洞或尾水支洞经施工支洞运输出洞外。

2.2 总体施工方法及程序

（1）根据不同的地质条件，1#、2#尾水调压室穹顶开挖采用不同的开挖方法。1#尾水调压室先从5#-3施工支洞升坡至调压室穹顶进行先锋槽的开挖，然后从两侧进行扩挖，扩挖采取“先剥皮，后掏心”的方式。2#尾水调压室从5#-1施工支洞升坡至调压室穹顶进行先锋槽的开挖，然后从中心向两侧进行扩挖，扩挖采取“先掏心，后剥皮”的方式。

（2）井筒采用先开挖导井，然后扩挖成4.0m直径的溜渣井，最后分层进行二次扩挖成型的施工方法。二次扩挖时采用挖掘机扒渣代替人工扒渣。

（3）开挖阶段由于不同的结构面相互切割，浅表层变形掉块现象突出，开挖过程中多次出现开裂掉块及喷混凝土剥落现象，多次暂停施工进行新增加强支护处理。除了增加锚杆、锚筋桩、预应力锚索、预应力锚杆等常见的支护之外，井壁掉块及喷混凝土剥落部位增加了GPS2型主动防护网，降低安全隐患，有效抑制了施工过程中的人员伤害。

（4）尾水调压室下部与尾水隧洞和2条尾水支洞相贯通，形成“四岔口”。在尾水调压室“四岔口”开挖时，为了保证下部尾水隧洞、尾水支洞围岩的稳定，采取先导洞后扩挖的原则，并对交叉口部位临近尾调侧12m长洞段的尾水隧洞和尾水支洞进行0.5m厚的一期钢筋混凝土预衬砌。在顶部及高边墙部位增加了上仰、对穿锚索及预应力锚杆，在“四岔口”贯通之前对部位进行固结灌浆施工，有效解决了复杂地质条件下“四岔口”坍塌、掉块的危险，从而保证了施工安全。

3 主要施工方法

3.1 施工准备

施工前应进行尾水调压室开挖施工方案规划，其内容包括：施工道路布置；监测断面及仪器设备的布置；施工风、水、电规划；尾水调压室开挖施工的程序、施工方法、施工机械设备配备和人员配置；进度计划；质量安全文明施工及环保水保措施等。

3.2 尾水调压室施工分区

每个尾水调压室从上至下共分为五个区施工，各区分区高度分别为13.538m、3m、5m、37m、18m，Ⅱ区、Ⅲ区与联通上室同步施工，Ⅳ区为竖井。尾水调压室开挖分区见图1。

3.3 尾水调压室Ⅰ区开挖

3.3.1 1＃尾水调压室Ⅰ区开挖

1#尾水调压室以5#-3施工支洞作为施工通道先进行先锋槽的开挖。先锋槽起始断面为7m×5m（高×宽），采用短进尺弱爆破施工。顶部沿设计边线进行造孔开挖至穹顶中心部位，下部采用升坡，坡度为20%。该槽段开挖时，为避免错台每次进尺不得大于1.2m。每次出渣后，及时进行系统支护，支护完成后再进行下一段的爆破。

先锋槽完成后，从两侧进行扩挖，扩挖采取“先剥皮，后掏心”的方式（图2），即分两区进行施工，先进行设计边线处的开挖（A区），临时支护及时跟进，进尺为1m。中间剩余区域（B区）滞后A区4排炮施工，进尺控制为2m。扩挖完成后，最后进行高程1503.00～1501.00m的开挖支护施工。

3.3.2 2＃尾水调压室Ⅰ区开挖

2#尾水调压室以5#-1施工支洞作为施工通道进行先锋槽的施工，先锋槽高7m，宽5m，水平开挖，开挖至穹顶设计边线。

在先锋槽开挖至设计边线后，大断面进行槽段的开挖，顶部沿设计边线进行造孔，开挖至穹顶中心部位，下部均用石渣进行回填，坡度可达20%，施工方法同1#尾水调压室。

先锋槽施工完成后，自中心向两侧进行开挖。鉴于开挖断面较宽，因此，开挖过程分为A、B、C 三个区进行施工（图3），宽度分别为5m、5m、6m，B、C区开挖滞后A区两排炮，每次进尺不得大于1.0m。开挖完成后及时进行系统支护，支护完成后方可进行下一段开挖，最后完成剩余区域的开挖支护施工。

3.4 尾水调压室Ⅱ区开挖

尾水调压室Ⅱ区开挖底部高程为1498.00m，从5#-1施工支洞进入2#尾调室，然后降坡10.8%开挖至连通上室Ⅰ层底部1498.00m开挖高程。先向右开挖，待完成1#尾调室Ⅱ区开挖支护后，再从右向左推进，依次完成连通上室Ⅰ层剩余工程、2#尾调室Ⅱ区开挖支护工程，同时以14%的坡比回填施工道路至5#-3施工支洞作为施工通道。

尾水调压室Ⅱ区施工高度为3m，采用YT-28手风钻进行造孔爆破，先进行掏槽至调压室中心，再向两侧进行扩挖。扩挖时设计周边预留2m厚的保护层，随下一次扩挖进行爆破（可调整）。扩挖采用YT-28手风钻造竖直孔（周边光爆），开挖完成后及时进行支护施工；连通上室Ⅰ层采用钻架台车配手风钻造水平孔开挖，周边光爆。Ⅱ、Ⅲ类围岩全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ类围岩段分上下台阶开挖，支护及时跟进。

3.5 尾水调压室Ⅲ区开挖

连通上室Ⅱ层开挖施工时，5#-2施工支洞底板高程为1492.00m。因此，从5#-2施工支洞向两侧进行连通上室Ⅱ层开挖，开挖高度为6m。Ⅱ、Ⅲ类围岩段全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ类围岩段分上下台阶开挖，支护及时跟进。开挖方法同Ⅰ层。

尾调Ⅲ区从连通上室Ⅱ层向两侧进行开挖，开挖方法同Ⅱ区。鉴于开挖高度较大，可根据揭露的地质情况分2层进行。

3.6 尾水调压室Ⅳ区开挖

尾调室Ⅳ区主要为井挖，因此主要施工程序为先进行导井开挖，后进行溜渣井一次扩挖，最后分层进行二次扩挖施工。在尾水调压室Ⅳ区开挖之前，应先通过尾水隧洞打设中导洞至尾水调压室底部，中导洞开挖断面为8m×9m。

3.6.1 导井施工

导井采用LM200反井钻机开挖，设备通过连通上室运至工作面，安装完成后先从上至下用反井钻机打φ216先导孔与下部中导洞贯通，再用LM200反井钻机从下反向掘进扩挖成直径1.4m导井。

3.6.2 溜渣井开挖施工

鉴于调压井开挖断面较大，为了保证开挖石渣不造成堵孔等情况发生，溜渣井确定直径为4.0m，自上而下依次通过扩挖形成。利用吊笼，人工采用YT-28手风钻进行造孔、装药，每段爆破高度为2m，一次爆破扩挖至直径4.0m。

3.6.3 扩挖成型施工

溜渣井成型后，再自上而下分层进行扩挖，分层高度为3m。导井扩挖清渣完成后，利用直径5.0m的井盖将溜渣井封闭，人工在其上进行掏槽开挖，掏槽断面为2m×2m，采用手风钻进行造孔，分段爆破，每次进尺不得大于4m，直至开挖至设计线。人工配合0.8m³反铲进行扒渣，渣料从溜渣井溜至竖井下方，采用3.4m³装载机装20t自卸汽车出渣，尾水隧洞作为出渣通道。

由于开挖断面较大，为了提高扒渣效率，在井筒内放置一台斗容0.8m³的挖掘机，用于爆渣扒甩及工作面清理，并随开挖工作面逐步下降，有效地提高了施工效率，缩短了排炮循环时间。扩挖分区避炮，对设备进行遮挡。

为了解决钻爆、支护过程中的人员安全，在作业过程中对先期施工的溜渣井采取井盖防护的措施，井盖利用布置于连通上室1492.00m高程的卷扬机进行提升。

3.7 尾水调压室Ⅴ区（“四岔口”）开挖

3.7.1 “四岔口”开挖分层

尾水调压室“四岔口”开挖是尾水调压室开挖施工的关键，以水平向开挖为主。“四岔口”垂直方向分Ⅰ～Ⅲ三个区，水平方向分五层进行开挖支护（图4），水平分层高度分别为5.0m、9.0m、4m、4m、2.7m。第②层为前期已开挖的导洞，第⑤层为保护层。

尾水调压室“四岔口”分三区、五层开挖，每层完成一区开挖支护后再进行另一区开挖支护施工，每层开挖支护全部完成后再进行下一层开挖施工。

3.7.2 “四岔口”开挖程序

尾水调压室“四岔口”开挖总体程序为：高程1461.70m以上开挖支护→与尾水调压室相交的尾水隧洞和尾水支洞一期预衬砌混凝土施工→高程1461.70～1456.70m开挖、支护→尾水调压室与尾水隧洞、尾水支洞相交部位锁口预应力锚杆施工→第②层中导洞扩挖至设计边线→第③层边墙预裂→第③层造水平孔爆破→第③层支护→第④层边墙预裂→第④层造水平孔爆破→第④层支护→保护层水平光面爆破→支护。

由于“四岔口”挖空率较高，开挖后应力调整幅度大，所留岩梗体承受应力增幅大，所以采用导洞超前先行释放部分应力，再分层分块开挖，并且开挖一部分，支护一部分，以免产生较大的应力调整从而产生过多的片帮剥离、应力松弛等现象。

3.7.3 “四岔口”开挖方法

（1）尾水调压室高程1456.70m以下为“四岔口”，采用平洞开挖方法，尾水调压井随着尾水隧洞及尾水支洞逐层向下开挖。在尾水调压室开挖至高程1464.00m时，开挖的石渣暂不出渣（起到暂时抑制井筒变形的作用），在底部垫渣进行高程1464.00～1456.70m的扩挖，距高程1456.70m上部约5m时开始采用造竖直孔分两区光面爆破。待高程1456.70m以上全部开挖支护结束后，再将除施工通道垫渣外多余石渣运输至洞外。前期，在进行调压井开挖的过程中已将尾水隧洞导洞贯通，尾水调压室下挖至下部隧洞洞顶后即进入“四岔口”的开挖。“四岔口”开挖以尾水隧洞为施工通道。首先，进行尾水调压室高程1456.70m预应力锁口锚杆的施工，然后，对尾水支洞及尾水隧洞导洞进行扩挖至设计边线，并进行尾水隧洞、尾水支洞预应力锁口锚杆的施工，然后分层下挖。

（2）第②层导洞两侧预留岩体的开挖采用光面爆破，第③、④层每区开挖时，先进行边墙预裂，然后采用手风钻造水平孔开挖，底部保护层厚2.7m，采用水平光爆。边墙预裂采用手风钻造φ42竖直孔，孔深4.2m，然后采用竹片绑扎药卷间隔装药，磁电雷管起爆。岩柱开挖根据分层高度，采用手风钻造φ42水平孔开挖，孔深3.0m，孔内连续装药，磁电雷管起爆。

（3）尾水隧洞、尾水支洞与尾水调压室相交突变部位开挖方法：从尾水隧洞（尾水支洞）将前期开挖的中导洞按尾水隧洞（尾水支洞）开挖宽度扩挖至调压室底部，然后从上至下对“四岔口”预留岩体爆破挖除。剩余边角部位采取从调压室底部往尾水隧洞（尾水支洞）造孔，另一边从尾水隧洞（尾水支洞）突变部位造孔，两侧同时爆破挖除。

4 浅表层变形及掉块处理措施

在尾水调压室开挖支护施工过程中，由于受F₂₃₀-1、F₂₃₀-2断层影响，岩体呈碎块化严重，开挖支护施工期间多次出现掉块、开裂、喷混凝土剥落等严重威胁施工人员安全的现象。为保证围岩稳定及施工安全，及时进行加强支护处理。除了增加锚杆、锚筋桩、预应力锚索、预应力锚杆等常见的支护之外，井壁掉块及喷混凝土剥落部位大面积增加了GPS2主动防护网，以降低安全隐患。主动防护网为GPS2型，其结构组成为：φ16纵横向支撑钢绳，钢格栅网(直径2.2mm，网孔50mm×50mm)，钢丝绳网(菱形网，直径8mm，网孔300mm×300mm)，φ10缝合钢绳，以及钢绳卡，采用φ22钢筋龙骨，2.0m×2.0m间排距进行压服。

5 结语

黄登水电站尾水调压室地质情况较差，在开挖过程中采取了很多行之有效的施工方法。穹顶开挖时，对地质情况不相同的1#、2#调压室分别采取了不同的开挖方法。在井壁施工阶段，除了常规的锚杆、锚筋桩、预应力锚索、预应力锚杆等支护之外，还对井壁大面积增设了GPS2型主动防护网，从而确保施工期施工人员及设备的安全。在进行尾水调压室井筒开挖前将底部的尾水支洞和尾水隧洞贯通至调压室底部，同时对尾水支洞和尾水隧洞靠近调压室段进行一期加强钢筋混凝土预衬砌，并在隧洞顶拱增加上仰锚索，从而确保“四岔口”开挖阶段相邻洞室的稳定。虽尾水调压室在开挖期间多次出现掉块、开裂、喷混凝土剥落、空腔等情况，但在施工时根据开挖揭露的地质条件进行了动态支护设计并多次对施工方法进行调整，从而确保了尾水调压室按要求完成开挖，同时保证了施工期的安全。