杨房沟水电站尾水调压室开挖施工技术

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

1.1 工程布置

杨房沟水电站尾水调压室位于主变洞下游，与主厂房、主变洞平行布置，其与主变洞之间岩柱厚度42m。尾水系统采用“两机一室一洞”的布置方式，调压室下部由一道中隔墙分隔为两室，两机共用一室，中隔墙厚度14.6m，其顶高程2009.5m，中隔墙以上二室连通，调压室顶拱高程2030.75m。尾水调压室最大开挖尺寸166.1m×24.0m×79.75m(长×宽×高)，为圆拱直墙型断面。

1.2 地质条件

尾水调压室轴线走向N5°E，地面高程约2370m～2470m，上覆岩体厚度340m～440m。围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩(γδ52)，呈微风化～新鲜状，岩质坚硬，岩石的饱和单轴抗压强度在80MPa～100MPa之间。尾调室总体位于地下水位之下，为基岩裂隙水，岩体透水性较弱，无大的出水点，仅局部渗水。尾调室共揭露85条Ⅳ级结构面，包括43条小断层和42条挤压带，Ⅳ级结构面构造走向以NWW、NEE为主，NNE向次之，倾角以中陡倾角为主，宽度主要为1cm～5cm；断层延伸长度一般60m～100m，其中27条为切洞向中陡倾角断层，6条为切洞向缓倾角，9条为顺洞向中陡倾角，1条为顺洞向缓倾角；挤压带宽度一般1cm～3cm，延伸长度10m～25m不等。

2 总体开挖方案

2.1 传统开挖方案

传统的尾调室开挖，均是利用其顶部通风洞、排水洞等作为施工通道，采用平洞开挖方式先将顶部Ⅰ～Ⅱ层开挖支护完成，待尾调室底部的尾水洞或尾水连接管贯通后，再采用竖井井挖的方式开挖其下部结构。此方案有几大缺点：

(1)安全风险大。众所周知，竖井开挖大多采用人工作业，其施工通道、安全防护、通风散烟等极难保证，安全隐患突出；

(2)施工效率低。由于尾调室开挖断面尺寸较大，采用井挖方式作业，需采用反井钻机先形成导井，再扩挖溜渣井尺寸，最后再进行全断面扩挖，且相邻竖井之间还有爆破间距等要求，大型施工机械无法顺畅地进入作业面等，造成进度缓慢；

(3)后期混凝土阶段施工困难。采用井挖后，尾调室中部无施工通道，后期混凝土施工材料运输困难，中隔墙以下60.5m高混凝土浇筑全部需要采用搭设高排架施工，混凝土浇筑、模板、钢筋、排架搭设等材料只能采取垂直吊运，垂直运输量大、材料周转慢，施工难度极大。

2.2 杨房沟优化开挖方案

为解决上述井挖方案的弊端，杨房沟尾调室开挖采取平洞分层大开挖方案，即利用周围相邻洞室空间关系，分高程增设施工支洞或通道，将尾调室井挖变为平层梯段开挖，大型机械设备直接利用通道进入各工作面，随层施工，确保施工安全与进度。

图1 杨房沟水电站尾水调压室开挖程序示意

3 主要施工方法

3.1 通道布置

除了尾调室上部本身设计结构布置的排风洞、通气洞及汇水洞外，还增加了4条施工支洞(完工后进行回填封堵及灌浆)作为通道：

(1)增加中支洞：利用主厂房进厂交通洞，在尾调室中部高程增加中支洞，连接进厂交通洞与尾调室右端墙，断面6m×5m(宽×高)，城门洞型。

(2)增加1#、2#联系洞：分别在尾调室中隔墙中部和下部高程各增加一条联系洞，作为1#、2#尾调室之间的连接通道，断面4.7m×5.5m(宽×高)，城门洞型。

(3)增加下支洞：利用尾水1#施工支洞，在尾调室阻抗板部位增加下支洞，连接尾水1#施工支洞与尾调室下游边墙，断面8m×7m(宽×高)，城门洞型。

其中2#联系洞与下支洞底板高程为阻抗板顶高程，以方便后期混凝土施工。

(4)在开挖至第Ⅵ层过程中，底部利用尾水施工支洞，先开挖形成尾水洞上层先导洞，在尾调室正下方，尾水连接管与尾水洞二合一“Y”字型交叉点部位，可形成溜渣井，第Ⅵ层可通过溜渣井出渣。

3.2 通风散烟

为了解决开挖阶段的通风散烟问题，在尾调室正式开挖前，提前形成上部排风洞、通气洞及汇水洞，同时，结合主厂房通风排烟系统，在其顶部提前形成排烟平洞，在排烟平洞与汇水洞之间，利用反井钻机施工一条直径φ2m的排烟竖井，竖井上部井口安装一台1×75kW风机进行抽风，在排风洞外部洞口处安装一台1×132kW风机，或在进厂交通洞外部洞口处安装一台2×160kW风机进行送风(风筒均为直径φ2m的定制帆布风袋)，以形成完整的风流系统，改善作业环境。

3.3 主要施工方法

杨房沟水电站尾水调压室总体共分Ⅷ层进行开挖，支护紧跟开挖工作面。具体开挖情况详见表1。

表1 尾水调压室开挖特性

注：手风钻为YT28型手风钻，液压钻为D7或D9液压钻机，潜孔钻为KQD-100B或100Y潜孔钻机。

4 过程中遇到的主要问题及处理

尾水调压室第Ⅰ层于2016年6月25日开始，第Ⅶ、Ⅷ层于2018年5月18日基本完工，比原合同工期提前近半年开挖完成。

4.1 上游边墙变形偏大

2017年9月以来，随着尾调室第Ⅴ层和第Ⅵ层的开挖，尾调室上游边墙位移监测点Mwt-0+000-5(厂右0+000、上游侧2010m高程)、锚索应力监测点DPwt-0+000-1(厂右0+000、上游侧2022.5m高程)的测值持续增长，截止2017年12月25日，该部位位移测值已超安全预警值，累计变形为45.11mm，锚索应力测值已超设计吨位值，达到2044.77kN。

引起尾调室厂右0+000上游边墙快速变形增长的主要原因是：①尾调室高边墙形成后的应力调整；②顺洞向陡倾角反倾优势节理发育，在尾调室高边墙形成后，在该陡倾角节理切割和围岩应力调整的双重作用下，围岩易发生松弛变形；③尾调室第Ⅴ层和Ⅵ层的快速开挖和卸荷是该部位围岩变形持续增长和岩体松弛损伤的主要诱因。

考虑到该部位部分围岩松弛深度达5m～6m，为约束围岩进一步快速变形和持续松弛，提高系统支护的有效支护力，有必要对该部位边墙进行加强支护。根据分析成果及现场实际情况，设计决定在1#尾水调压室上游边墙桩号厂左0+21m～厂右0+21m、高程2015.75m增加9根预应力锚索加强支护，在PS1-3排水廊道内对穿布置。

截止2018年8月5日，尾调室上游边墙位移监测点Mwt-0+000-5测值最大变形位移为62.75mm，近7d平均变形速率为0mm/d，变形已收敛；锚索应力监测点DPwt-0+000-1的锚索荷载值为2282.9kN，近7d平均变化速率为0kN/d，锚索荷载增长速率也已收敛。变形监测成果和锚索应力监测成果均表明，目前该部位围岩变形已稳定，围岩整体是稳定的。

4.2 中隔墙顶部基岩局部变形开裂

2018年6月20日，巡视发现尾调室中隔墙顶部基岩有开裂现象，随后对中隔墙顶基岩进行了清理和裂缝排查工作，根据基岩清理后的地质素描资料，中隔墙顶基岩共出现5条裂缝，均沿NW向(顺发电水流方向)陡倾角节理张裂，长度1.2m～3.5m，宽度1mm～15mm。

为研究尾调室中隔墙顶部基岩裂缝成因，展开了详细分析和研究。分析认为尾调室中隔墙顶部基岩开裂的主要成因是：①受力条件：中隔墙岩柱处于三面卸荷，两端受上下游边墙挤压的不利受力状态；②地质原因：开挖揭露中隔墙NW向(顺发电水流方向)陡倾角节理较为发育，在卸荷松弛及挤压作用下，易沿NW向陡倾角节理发生开裂；③施工原因：中隔墙顶部开挖成形较差，两侧端墙局部超挖较严重，爆破震动加剧了围岩松弛。

鉴于尾调室开挖已全部结束，中隔墙监测成果表明，尾调室中隔墙上部围岩变化速率逐步减小，趋于平稳，说明中隔墙的支护强度是足够能保证中隔墙安全稳定的，但为了进一步控制中隔墙变形及提供围压，提高中隔墙围岩整体稳定安全裕度，一是在中隔墙1969.5m高程以下增设3排200t预应力对穿锚索；二是在尾调中隔墩顶部2008.5m平台沿裂缝方向增设左右交叉插筋。截止2018年8月，监测数据表明，中隔墙上部近15d平均变形速率为0.01mm/d，已基本收敛。

5 围岩稳定反馈分析

(1)尾调室开挖完成后，尾调室顶拱围岩累计变形一般在15mm～25mm，上游侧拱肩累计变形一般在15mm～25mm，下游侧拱肩累计变形一般在20mm～35mm。上游侧边墙累计变形一般在35mm～55mm，其中厂右0+00区域(2002m～2018m高程附近)累计变形较大，可达到约55mm～65mm；下游侧边墙累计变形一般在45mm～65mm，其中f3-36断层下盘浅部岩体最大变形可达60mm～75mm，该部位边墙浅层围岩松弛问题相对突出。

(2)尾调室的应力场分布特征与主厂房相似，最大主应力一般在20MPa～26MPa。高边墙应力松弛深度一般在4m～8m，在不利结构面影响部位表现相对突出，边墙应力松弛深度一般在6m～10m。

(3)尾调室顶拱围岩塑性区深度约1.5m～3m，边墙中部区域塑性区深度一般7m～10m，局部受不利结构面影响洞段可达到10m～12m。

尾调室中隔墙部位存在塑性区贯通现象，其安全裕度相对偏低。为此，设计复核了中隔墙运行期边墙衬砌安全稳定性，数值计算成果表明，运行期在各种工况下，尾调室边墙或中隔墙衬砌均能保持整体稳定，在外水压力作用下，衬砌锚筋应力最大增长幅度约30MPa～40MPa，增长幅度较小，锚杆仍是安全可靠的。但是，为了进一步提高其整体稳定性，设计决定对中隔墙1985.75m～1997.75m高程之间增加5排对穿锚筋束(3φ32)，间排距3m×3m，矩形布置；同时，在中隔墙1981.25m～1999.25m高程之间增加裸岩固结灌浆，垂直入岩13m，间距1.5m，排距3m，0～4.5m段、10m～13m段灌浆压力0.5MPa～0.6MPa，4.5m～10m段灌浆压力1MPa～1.2MPa。

6 结语

(1)目前杨房沟水电站尾水调压室开挖支护已全部施工完毕，施工质量优良，且未发生安全事故，其施工方法是合适的。

(2)尾调室采用增加施工支洞，将井挖方式改为平洞分层开挖，不但节约了施工成本，而且有效降低了施工安全风险，提高了施工效率，改善了后期混凝土施工条件，其施工方式值得进一步推广。

(3)根据监测数据及计算分析成果表明，杨房沟水电站尾水调压室围岩处于稳定状态，工程是安全可靠的。