复杂地质条件下大断面调压室工程施工技术初探

吴勇，陈波

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

近年来，随着水电工程开发的不断深入，一批地质条件复杂且开挖断面巨大的调压室相继开工建设，其施工期的围岩稳定性和运行期的结构安全性问题非常突出，已成为制约该类水电工程建设周期、投资和安全的关键技术问题。为此，笔者结合川西地区福堂、桑坪、姜射坝、柳坪、毛尔盖等多个水电站的调压室工程实例，从施工特点和难点、设计意图与施工关键技术三个方面进行了总结和探讨。

1 施工特点和难点

这些调压室工程处于四川省阿坝州茂汶黑地区，地质条件均较复杂，有的虽为花岗岩，但处于强卸荷岩带，岩体破碎，结构面发育，卸荷强烈，部分呈松动或松散状态，完整性很差;有的为千枚岩夹灰岩，处于强卸荷带内，各类结构面发育，裂隙呈张开状，岩体破碎呈碎裂结构，岩层倾倒变形显著，且多为IV、V 类围岩。以上所述各水电站调压室工程特性见表1。

表1 各水电站调压室工程特性表

结合上述工程实际，笔者将这些调压室工程的施工特点和难点归纳为以下三个主要方面:调压室的断面大、深度高，在复杂地质条件下，防止井壁坍塌是施工的重点和难点;施工组织方案的合理性，在保证质量和安全的前提下，可加快施工进度，控制工程投资;做好关键部位的施工管控。

2 设计意图

(1)调压室是设置在压力水道上、具有下述功能的建筑物:①由调压室自由水面(或气垫层)反射水击波，限制水击波进入压力引(尾)水道，以满足机组调节保证的技术要求;②改善机组在负荷变化时的运行条件及供电质量。

(2)调压室的设计可参阅《水电站调压室设计规范》(DL/T5058-1996)。

关于桑坪水电站调压室工程的稳定性及其结构特性以及初期安全支护设计和永久衬砌设计，已通过模拟试验得出研究成果，其在四川大学水电学院的研究报告“调压室稳定性和结构特性三维有限元分析报告”中已有论述。笔者从该报告中摘录了一些浅显、实用的结论，以便大家对调压室工程的结构特性有所了解和认识。

①在调压室采用分层开挖、及时锚喷支护和滞后一层混凝土衬砌施工过程中，大井支护结构(衬砌)变形具有两个特点:一是中下部高程衬砌向井内的变形值大于底部和上部高程;二是同一高程井周的衬砌变形存在明显的不对称性，隧洞侧和钢管侧的衬砌变形明显大于上下游(另外两侧)，这种不对称变形以上部高程表现尤为突出，甚至出现上游侧向井外侧变形的情况，整个大井衬砌变形近似为“椭圆形”。

②三维非线性有限元计算成果表明:调压室采用分层开挖，锚喷支护及时跟进和混凝土滞后一层形成的施工程序是可行的，但分层的高度应结合调压室围岩类别加以分析确定。

③受斜坡地形因素影响，调压室所赋存的地应力环境存在偏压现象，中上部高程围岩厚度存在较大差异，致使施工期和运行期调压室结构变形和应力沿井周分布存在不均匀性，这种不均匀性在围岩质量较差的上部高程表现相对突出，故在工程中应注意由此产生的影响，在分层开挖过程中应尽早形成沿井周闭合的混凝土衬砌，以改善衬砌的受力条件，提高围岩的稳定性。

④建议在调压室施工过程中开展地下水位、围岩变形和支护结构的应力监测，及时了解支护结构的工作状态和围岩稳定性，以确保施工期和运行期调压室的安全。

3 调压室工程施工的关键技术

3.1 超前预固结灌浆加固井周围岩，对井口及外侧边坡采取防护措施

(1)福堂水电站和桑坪水电站的调压室工程均采取超前预固结灌浆+锚筋束的施工技术。所不同的是鉴于其复杂的地质条件，福堂水电站调压室超前预固结灌浆的耗量很大;而桑坪水电站超前预固结灌浆采取了延米单耗包干的形式，从而控制了工程投资。故在围岩条件稍好的前提下，建议研究采用钢管群桩加固的比较方案，即:在造孔阶段，只对孔壁做固壁处理，满足成孔要求即可，可避免出现灌浆费用过高的现象;成孔后下钢管并注浆封孔;对于井壁岩体局部稳定问题，可以通过在开挖时及时做好深锚杆挂网喷护或采用小导管注浆予以解决。

(2)受斜坡等地形因素影响，调压室所赋存的地应力环境存在偏压现象。不论是否采取倒挂混凝土衬衬，锁口混凝土都是必要的，其通常可以同时作为超前预固结灌浆的盖重混凝土，且施工便捷，可有效控制成本。锁口混凝土一般设置在开挖结构线外，且采用钢筋混凝土形式较为稳妥，其断面形式见图1。

(3)开敞式调压室布置受地形和地质条件限制，多数场地狭窄:其一，调压室口接后边坡的坡脚，在大室开挖后，该部位应力调整且应力集中，易出现开裂或滑移现象。例如茂县吉鱼水电站调压室，对其坡脚部位采取了抗滑桩处理措施。其二，调压室同一平切高程室周变形存在不均匀性，钢管侧井壁变形明显大于隧洞侧，这种差异在中上部高程表现相对突出，主要是由于外侧边坡水平埋深较浅、钢管侧围岩相对单薄所致。

图1 锁口(盖重)混凝土结构图

若调压室及压力管道的外侧边坡为坡积体之类的不良地质条件，应高度重视边坡的防护处理，否则易出现滑塌。在吉鱼水电站，其调压室外侧的压力管道边坡就出现过较大的滑塌事故。

3.2 适时、合理地开挖分区及可行的支护方案，可有效地防止室壁坍塌

(1)无论何种形式的调压室开挖，导井开挖都是调压室开挖成功的关键因素。从某种意义上讲，导井开挖成功，调压室开挖就成功了一半。在此，笔者重点介绍了利用反井钻机开挖导井的施工方法。利用反井钻机开挖导井的施工程序为:沿竖井中心线布置LM300型反井钻机，自上而下形成φ216导孔，导孔完成后，在竖井底部安装扩孔钻头，自下而上扩挖溜渣井(φ1400)，溜渣井形成后，其直径尚不能满足正常的溜渣需要，应采用人工扩孔将孔径扩大至2.5～3 m 为宜(图2)。

(2)根据调压室开挖断面面积及地质条件，井身开挖应采取光面爆破，预留保护层，减少超挖及回填工程量，控制工程投资;大断面调压室应分区开挖，同时跟进必要的初期安全支护，防止井壁出现大型坍塌。常采用的支护形式有锚网喷、格栅拱架、钢支撑等或是几种形式的联合支护，也可采取锚网喷+倒挂混凝土初衬的形式。茂县吉鱼水电站调压室(开挖直径为35 m)采取钢支撑+锚网喷作为初期安全支护，跟进了有效的施工期安全监测措施，保证了大井的安全贯通。

图2 导井开挖施工程序图

(3)对于开敞式调压室，采用锚网喷+倒挂混凝土初衬，在井壁开挖成型后，应及时跟进锚网喷支护封闭岩面，与围岩结合形成共同受力的结构;根据桑坪水电站调压室的施工经验，倒挂混凝土可以采取小钢模+钢管支撑的方式，施工便捷，节约成本。对于埋藏式调压室而言，宜采取边挖边衬的方式，以确保井壁开挖施工期间的安全。

(4)调压室下部、阻抗孔与隧洞结合部位的防坍塌施工技术。姜射坝水电站在进行调压室底部井壁坍塌处理时，阻抗孔下部隧洞因地质原因出现了边顶拱以上部位的大面积塌方事故，抢险处理费时一个月，造成发电目标推迟。为防患于未然，在桑坪水电站引水隧洞开挖时，对调压室下部的隧洞部位采取工字钢+锚网喷初期强支护，并对阻抗孔部位降低了支护强度(考虑挖掘机须从阻抗孔部位出去，适当加大了该部位)，以便阻抗孔扩挖时，不会对强支护系统造成大的破坏，进而引起初期支护成本浪费或坍塌等安全事故。在后期混凝土施工中，将阻抗孔下部的隧洞洞身混凝土与阻抗孔孔壁混凝土一起浇筑，从而保证了该部位的整体性。

3.3 确定合理的施工流程并做好施工组织

(1)对于开敞式调压室工程，根据类似工程成熟的施工经验制定的施工程序一般为:超前预固结灌浆施工→导井施工→大井开挖→锚喷初期安全支护+倒挂混凝土护壁→滑模井筒混凝土→固结灌浆。对于埋藏式调压室工程，多采取边挖边衬的方式，同时浇筑井内横向支撑大梁构成整体受力框架系统以保证每一层井身稳定，同时为下一层的开挖和混凝土浇筑提供可靠的安全施工环境。

(2)合理的扩挖分区+锚网喷支护+倒挂混凝土初衬的施工方案合理有效，可有效解决进度、安全与投资之间的矛盾。在桑坪水电站调压室工程实际施工中，考虑到调压室的开挖断面面积大，结合现场施工资源的配置情况，将大井扩挖的断面分为了四个区，形成了井身扩挖、锚网喷支护和初衬倒挂混凝土三道工序的循环作业，形成了流水作业面，有效地解决了井壁开挖施工中的安全问题，未出现伤人毁机的安全事故。倒挂混凝土初衬采取小钢模+钢管支撑，比起福堂水电站的大型全圆钢模倒挂系统(由卷扬机提升系统和框架式全圆定型组合模板两大部分组成)，可节约不少施工成本。在实践中，桑坪水电站的调压室开挖(含倒挂混凝土)正常月进尺可达9～12 m。可以说该方案是成功的。

(3)对于深、大调压井(室)工程，下井安全爬梯的设计、井内所需材料的垂直运输安全、井内设备的安全防护、井口安全防护措施以及井内通风、照明、通讯等一系列问题都是在调压井(室)施工中必须确保万无一失的。

3.4 结合工程特点，实施固结灌浆及渗控措施

(1)在桑坪水电站调压室井身固结灌浆中，设计将环向固结灌浆孔改为竖孔灌浆，虽然施工便捷，但增加了灌浆延米数量。在有超前预固结灌浆的基础上，本次固结灌浆后期采取降低灌浆压力、1∶1开灌水灰比、越级变浆等方式，适当地控制了灌浆超耗量。另外，应加强施工过程中的质量控制，以便在保证施工质量的同时控制工程投资。

(2)考虑到桑坪水电站调压室与引水隧洞和压力管道结合部位在开挖过程中均未发现地下渗水现象，设计人员对该部位的阻水帷幕灌浆采取了以下几种方式进行处理:①调压室竖孔灌浆在外侧(靠厂房后边坡一侧)增加了一排固结灌浆;②在调压室井筒下部21 m 及其底板迎水面(含阻抗孔)、引水隧洞末端50 m 范围周边混凝土表面涂刷了帕斯卡PSI-200水泥基渗透结晶型防水涂料。该电站已运行5年多时间，期间，经历了2008年“5.12”汶川大地震，调压室外侧边坡稳定，未发现有渗漏水现象。

3.5 妥善处理混凝土

倒挂混凝土施工缝的处理措施:①层间施工缝。在桑坪水电站施工中，每层倒挂混凝土浇筑高度为3.6 m，将底部施工缝做成45°外斜面，下层倒挂混凝土顶部设置30 cm 的楔形体入料口，同时，加强了对施工缝面的振捣工作。②垂直施工缝。可参照福堂水电站在倒挂混凝土垂直缝面上涂刷建筑工程常用的“界面剂”，以增加倒挂混凝土与滑模混凝土之间的粘接力。柳坪水电站调压室井壁结构混凝土采取分层倒挂浇筑，应用微膨胀混凝土与接缝灌浆相结合的方式处理反向施工缝，保证了新老混凝土的紧密结合，避免了渗漏，保证了调压室在运行期间的安全。

4 几点体会

(1)在复杂地质条件下，防止井壁坍塌是调压室施工的重点和难点。初期安全支护的形式多样，不必死搬硬套，宜结合工程实际制定合理的开挖及支护方案，以保证大井开挖施工安全为先。同时，笔者认为:应加强施工期的观测，对初期安全支护进行监测，杜绝初期支护方案过于保守而浪费资源，或是过于冒进造成坍塌，导致安全事故，影响施工进度。

(2)无论是开敞式或埋藏式调压室的施工，合理的施工组织方案可以有效地解决进度、安全与投资之间的矛盾，这就需要我们不断地进行总结和技术创新。

(3)调压室超前预固结灌浆应采取措施防止浆液流失，进而控制工程投资。笔者认为:调压室井身的固结灌浆由环向灌浆孔改为竖向灌浆孔，对于有超前预固结灌浆措施、深度大于60 m 的开敞式调压室有一定的实用价值，但可否作为成熟技术进行推广应用，则有待于进一步研究和论证。

(4)作为水电站引水系统的一个重要水工建筑物，调压室工程有其施工特点和难点。在初步了解其设计意图的基础上，我们的主要任务还是照图施工，对于不同型式的调压室工程，实施合理的施工方案，做好工程管理，提交一个在质量、进度、安全和投资等方面整体目标最优的合格产品。