大型长廊式调压室开挖支护施工技术研究与实践

马增翼，黎文海，李晓军

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司曲靖分公司，云南 曲靖 655000；2.四川华电泸定水电有限公司，四川 泸定 626100）

泸定水电站引水调压室为长廊阻抗式结构，最大开挖尺寸为260 m×22 m×75.4 m （长×宽×高）， 石方井挖量近30万m3。调压室中部有一16 m宽的岩墙相隔，岩墙顶部高程1 402.5 m，调压室交通洞（兼通风补气洞）与岩墙相接。岩墙将调压室1 402.5 m高程以下分为1号调压室和2号调压室。调压室流道断面顶高程1 414.40 m，非流道断面顶高程1 400.4 m，流道与非流道顶拱高差达14 m，高低拱之间采用斜拱过渡；流道底板高程1 339 m，非流道底板高程1 357.42～1 350.6 m。调压室体形类似飞机翅膀造型。调压室上游边墙与1、2号引水隧洞相连，下游边墙与1～4号压力管道相接。

调压室为埋藏式，垂直埋深85～160 m，水平埋深90～110 m，所处位置山体雄厚，围岩岩性为闪长岩，岩石坚硬，岩体微风化～新鲜，部分为弱风化下段，裂隙较发育，完整性较差，顶拱、中隔墙局部为Ⅳ类围岩，裂隙与不利结构面组合可能形成不稳定块体，不利于顶拱及高边墙稳定。

1 施工通道规划研究

在传统的调压室 （井）施工中，受施工通道、结构体形限制，多以井挖方案为主，但泸定水电站调压室规模宏大，开挖支护工程量大，工期紧，如采用井挖方案施工成本极高，也无法满足进度要求，因此采用平层开挖方案，设备直接进入工作面将渣料直接外运势在必行。技术人员针对如何满足平层开挖方案展开了多方案论证研究，分别提出了3条施工支洞+挖除部分岩墙方案、4条施工支洞+2次穿墙 （穿中隔墙）方案、4条施工支洞+1次穿墙+1次拉槽降坡方案、5条施工支洞方案。统筹考虑工期、投资、进度、洞室稳定以及混凝土施工等因素，最终决定采用4条施工支洞+1次穿墙+1次拉槽降坡方案，即布置4条施工支洞，1个穿墙洞，1号施工支洞底板拉槽降坡，1号调压室上游半幅开挖与底部施工通道连通的总体方案。施工支洞布置上，均由调压室端墙或靠近端墙的边墙进入调压室，以利于调压室高边墙稳定。穿墙洞使用完成后，下挖前立即对穿墙洞实施封堵，降低对中隔墙的不利影响。

2 施工通风研究与实践

2.1 通风规划

根据各阶段施工计划的形象面貌，调压室施工通风分三期进行。顶层3个工作面连通以前为一期通风，顶层斜拱贯通至与底部通道贯通之间的阶段为二期通风，调压室与底部通道贯通后为三期通风。一期独头工作面施工期间，分别对1号施工支洞工作面、交通洞工作面、2号施工支洞工作面采用正压通风，二期通风采用负压通风，调压室与下部压力管道、引水隧洞及调3、4号施工支洞贯通后，利用通道高差，低进高出，以自然通风为主，负压通风为辅。

2.2 二期通风规划与布置

（1）负压通风原理。布置在空间一面墙壁上的负压风机把室内的空气抽出一部分，导致室内空气压力瞬时小于大气压或常态压力，在空间的另一面（往往是安装负压风机的对面）开有进风口，外界空气在大气压力作用下自动进入空间，在空间内形成定向、稳定的气流带，这种通风通常称为负压通风。它的特点是气流定向、稳定，与外界贯通而不是在空间中的内循环。

（2）二期通风风道布置。利用调压室交通洞洞身及1、2号施工支洞 （均为城门洞型）作为进风风道，在2号调压室斜拱增设连接洞与PD8探洞连通作为出风通道。通风通道特性见表1。

（3）二期通风量计算。地下洞室通风量根据施工人员所需新鲜风量、稀释爆破气体所需风量以及冲淡柴油设备出渣时排放尾气所需风量来确定。经计算，二期通风阶段实际需风量为3 211 m3/min。

（4）二期通风设施布置。根据通风量计算成果，在通风平洞即PD8探洞内布置1台轴流风机向洞外负压排风，排出调压室内的污浊空气，利用调压室交通洞及两条施工支洞作为进风通道。

表1 各通风通道特性

（5）风机选型。通风机的主要参数有电机功率、转速、风量、风压等，由于风机布置在探洞出口，直接向大气排风，风机运行效率高，风阻力小，风压要求较低；通风效果取决于通风流量，要求风量大，在满足上述条件下功率越低越经济。按照上述原则，经过筛选，最终选用南昌风机厂生产的K40（C）-18型风机， 排风量为7.4万～19.6万m3/min，功率仅为37 kW，风量是常规轴流通风机的10余倍，结构简单，体积小，质量轻，不足3 t，外钢圈可以按要求加工成两瓣，便于在边坡上运输、安装。

（6）改善通风散烟效果的其他措施。为避免气流紊乱，在通风平洞与连接洞岔口位置设置堵头，防止交通洞内新鲜空气经探洞 （探洞末端与交通洞贯通）直接排出形成 “短路”。在调压室交通洞等进风通道内经常洒水，保持路面湿润，避免洞内扬尘“被吸入”调压室。锚索钻机造孔过程中，利用高压水在孔口实施喷淋，降低粉尘污染，爆破后对工作面进行洒水降尘。

（7）负压通风效果评价。实施负压通风后，各进风通道内进风明显，出风通道排风量较大，调压室内空气满足施工要求，极大地改善了作业环境，节约了通风成本，达到了预期目的。

3 开挖支护施工技术研究与实践

3.1 开挖分层设计

顶层开挖分层一般统筹考虑施工通道布置以及长锚杆施工等因素。边墙锚索工程量大，施工工序多，技术要求高，施工强度大，成为制约调压室下层开挖支护施工进度最主要的施工项目。因此，下层开挖除考虑施工通道布置外，尽可能结合锚索分层，利用分层底板完成锚索造孔、下索、注浆等工序，后续张拉、自由段灌浆及封锚等工序可采用反铲安装操作平台配合人工进行，以减少锚索施工脚手架，加快施工进度。此外，开挖分层高度应充分考虑钻爆、支护造孔设备能力，以及设备钻孔有效高度，便于发挥设备效率。为利于高边墙稳定，控制高边墙变形，尽可能采用薄层开挖，薄层支护。按照上述原则，自上而下共分Ⅸ层开挖支护，其中顶层分层高度为9.4 m，最大开挖分层高度为10.6 m，下层分层高度与锚索分层一致，为6 m。

3.2 开挖施工技术

顶层采用手风钻造孔，周边光面爆破，为加快施工进度，顶层采用左右半幅开挖方式，左右半幅前后错距开挖，跟进支护，确保顶拱稳定，正常循环排炮进尺控制在3.0 m左右，不良地质段排炮进尺按1.5～2.0 m控制。调压室顶层端墙部位采用手风钻双向光面爆破，以控制端墙与边墙及顶拱相交部位的体形。

下层采用液压潜孔钻垂直拉槽梯段爆破，周边预留保护层，手风钻水平造孔，光面爆破，正常循环梯段爆破排炮进尺4～6 m，保护层开挖正常循环排炮进尺4.0 m。中隔墙两侧预留保护层手风钻光面爆破。施工支洞、压力管道、引水隧洞与高边墙相贯部位均采用先洞后墙方案，在高边墙下挖前进入调压室，并完成相贯部位的加强支护。引水隧洞末端为25 m长圆变方渐变段，高边墙底部为方形断面，跨度达19.3 m，原设计采用径向锚索加强支护，后建议按照圆变城门洞形断面开挖，高边墙底部适当起拱，通过加强锚杆支护确保洞室稳定。

3.3 支护施工技术

顶拱支护紧跟开挖工作面。顶拱锚杆采用三臂凿岩台车造孔，人工配合反铲注装。斜拱部位缓倾角裂隙发育，为确保顶拱稳定，增加12 m预应力锚杆加强支护，采用凿岩台车造孔，锚固段采用锚固枪注装早强型锚固剂，杆体采用9 m+3 m钢筋制作，套筒接长，锚固段终凝后采用扭力扳手张拉，自由段安装注浆管在张拉后注浆。喷钢纤维混凝土由拌和站集中拌制，搅拌车运至现场，麦斯特喷车施喷。

下层按照 “薄层开挖、随层支护”的总体思路，开挖一层支护一层，上层相应部位支护完成后再开挖下一层，在长度方向上，上层支护与下层开挖适当搭接，前后形成台阶作业，缩短直线工期。边墙浅层支护主要为6、9 m长砂浆锚杆，锚杆采用古河液压潜孔钻造孔，简易平台车配合人工安装，钢纤维混凝土采用麦斯特喷车、小型湿喷机施喷。深层支护主要为全长粘结性预应力锚索，分端头锚索与对穿锚索，采用钢垫板替代钢筋混凝土锚墩，钢垫板与岩面之间采用钢纤维混凝土找平，边墙衬砌部位采用喷钢纤维混凝土替代封锚。开挖分层较每层锚索低0.5 m，开挖到位后，只搭设简单的脚手架即可进行锚索钻孔作业，大大加快了施工进度，节约了施工成本。采用MG-60型锚固钻机造孔，在就近的施工支洞内搭设作业平台编索，人工转运至作业面，采用布袋子止浆工艺，注浆7 d后即可实施张拉，采用YDC240Q型千斤顶单根循环分级预紧，YCW250B型千斤顶整体分级张拉，OVM锚具锁定。起初，因锚固段较长，张拉伸长量较小，锁定后锚固力损失较大，后经与各方协商研究，适当缩短了锚固段长度，锚固力损失符合规范要求。通过采取上述措施，在实际施工过程中，在开挖下层之前，完成了上层相应部位所有浅层、深层支护，包括锚索张拉封锚等作业，有利于控制高边墙变形。

3.4 施工期安全监测

施工期安全监测是掌握大型地下洞室稳定的重要手段，是验证设计参数、指导优化施工方案的重要依据。泸定水电站调压室主要埋设有多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计等监测仪器。

从多点位移计观测成果看，在顶拱开挖支护期间，顶拱位移不明显，顶拱下一层开挖后浅表产生较明显的正位移，深层位移不明显，表明随着下层的开挖，浅表岩体产生上拱位移；高边墙上的多点位移计受边墙下挖影响较大，安装初期位移变化不明显，随着边墙下挖产生正位移，浅表测点位移较深层测点位移大，边墙开挖支护接近尾声时边墙中部位移达到最大值，接近10 mm，表明随着调压室的下挖，高边墙产生正向位移，且浅表位移大于深层岩体位移。从锚杆应力计监测成果看，初始值较小，随着调压室的下挖普遍呈现拉应力，最大拉应力达50 MPa，虽然普遍产生拉应力且有逐步增长的趋势，但因变化幅度不大，锚杆应力计温度值并未产生明显变化。从锚索测力计的观测成果看，锁定后的锚索均呈现锚固力损失状态，随着时间的推移多数读数逐步趋于稳定，但当开挖接近尾声时，在边墙中部1 360 m高程左右的锚索测力计读数出现增长，且超过锁定值，表明随着调压室下挖，边墙中部产生拉应力，跨中部位产生了正位移。

4 结语

（1）通过合理的通道布置与施工分层优化，调压室开挖变井挖为平层开挖，节约了施工成本，加快了施工进度。

（2）负压通风技术适用于地下洞室群网络通风，具有较好的应用前景。

（3）开挖分层与锚索布置相结合，有利于节约施工成本，加快施工进度，控制高边墙变形。