王长城+王洪松

摘  要：乌东德水电站尾水调压井目前为国内最大的竖井洞室群，其单个井身开挖断面为1450㎡。为解决大跨径对地下硐室稳定带来的不利影响，调压井顶拱设计为球冠状，从而实现较好的自稳调节能力。本文结合右岸尾水调压井球冠穹顶的实际开挖施工情况，从确保大跨度硐室开挖稳定和利于球冠穹顶成型的角度，系统简述巨型球冠穹顶的开挖施工技术和方法，以期对今后特殊体型地下硐室开挖施工具有借鉴指导意义。

关键词：尾水调压室;球冠穹顶;开挖支护;施工技术

1  工程概况

1.1  结构特点

乌东德水电站右岸三个尾水调压室并排布置，单个尾水调压室顶拱为球冠型，球冠横向最大跨度53m，高26.5m，拱顶中心高程886.5m，拱脚处高程为860m。在球冠底部852.3～877 m高程有尾水检修闸门廊道将三个尾水调压室连为一体。

尾水调压室球冠型穹顶开挖包括球冠穹顶开挖及851.3 m高程以上的井身开挖，施工主要工程量为：石方洞挖180051m3，普通砂浆锚杆1890根，预应力锚杆540根，无粘结锚索434根，喷混凝土约894m3，挂网约10.9t。

1.2  工程地质条件

右岸尾水调压室位于金沙江峡谷岸坡内，外侧端墙距岸边距离100m，上覆岩体厚，埋深180m～350m。所处地层为Pt2l3-3～Pt2l3-5厚层灰岩、大理岩、石英岩及巨厚层白云岩，岩层倾向175°～185°，倾角70°～80°，轴线与岩层走向夹角约20～30°，断层f100-2、f100-3位于调压室下游边墙附近，其规模小，与调压室轴线夹角分别为47°、55°。围岩总体上岩溶不发育，局部存在顺层面的溶缝，调压室顶拱（外端墙）附近有A类角砾岩出露。调压室顶拱围岩以III类为主，在施工过程中，受爆破等因素影响块体稳定性较差，局部可能产生块体失稳。

2  开挖分层

尾调室球冠穹顶开挖自上而下分5层进行施工，开挖分层图见图1。其中第I层最大开挖高度10.9m，其余各层分层高度为5～7m。为保证I层开挖施工硐室稳定和球冠成型，分环形导洞、中心预留岩柱、环形扩挖区、底部拉槽区和周边保护层5个区域开挖，I层开挖分区图见图2。

3  施工方法选择及程序确定

3.1  开挖方法选择

为确保大跨径硐室开挖稳定和球冠穹顶成型质量，减少超挖量和回填混凝土量，经过充分研究穹顶设计体型，并借鉴以往大洞室"眼镜法"开挖成功经验，最后确定采取环形导洞先行，中间预留岩柱支撑，周边环形扩挖的施工方法，充分利用球形体水平剖切面为标准圆的规律特点，围绕穹顶中心轴线按不同半径圆周钻水平孔的思路进行开挖，从而实现"以圆削球"的施工目的。

3.2  施工程序确定

为降低施工过程中相邻硐室爆破对穹顶稳定的不利影响，右岸三个尾调室按隔洞错距开挖原则组织施工。单个尾调室施工顺序为：环形导洞→预留中心岩柱下部开挖→预留中心岩柱上部保护层→底板拉槽→环形扩挖，相应分区开挖结束后，立即进行系统支护。

4  钻爆法开挖

4.1  环形导洞开挖施工

在完成施工支洞径向锁口支护后，沿支洞轴线方向开挖至距穹顶圆心5m位置停止;然后由测量放出穹顶中心位置，从穹顶中心点向实际开挖岩面引出边线，逐炮修边扩挖，将开挖面拉齐至于环形导洞轴线垂直;接下来以穹顶中心为基点预留直径为10.0m的中心岩柱，沿预留中心岩柱外侧开挖环形导洞，环形导洞开挖宽度为8.0m，高度为7.49m～10.42m;导洞开挖分两序进行，先进行底部掏槽，然后进行上部保护层开挖。

环形导洞掏槽开挖利用支洞开挖钻爆台车人工持YT-28手风钻进行钻孔，人工装药、爆破。开挖钻孔采用同心圆切线方向水平造孔，爆破孔孔距为80～90cm，排距为70～80cm，靠近岩柱侧光爆孔孔距为50cm，穹顶轮廓线光爆孔间距40cm。造孔前，必须通过测量放线，根据爆破设计图和实际开挖边线定出每个爆破孔点位、尾线点及每个孔的造孔深度，手风钻沿圆弧切线方向钻水平孔，最内侧孔深为1.0m（设计深度，实际深度由测量控制）。为最大限度控制穹顶边线超欠挖，每循环对环形导洞标准开挖断面爆破孔深、孔位及装药参数进行编程计算。每排炮钻孔结束后均由现场质检人员用钢卷尺测量孔深，如果孔深超过设计要求，则用炮泥堵塞至符合设计要求后才允许装药。环形导洞开挖炮孔布置详见图4。

4.2  中心预留岩柱及穹顶保护层施工

在环形导洞开挖及顶拱系统支护完成后进行中心预留岩柱的开挖。预留中心岩柱开挖分上下两部分进行，下部为导洞开挖，上部为预留保护层开挖。下部导洞开挖尺寸为10×7.9m（宽×高），分左右半幅进行开挖。上部保护层开挖厚度为2.5～3m，保护层开挖以穹顶中心为轴线，钻辐射状孔，由外侧向穹顶中心逐层开挖。开挖钻孔均采用人工持YT-28手风钻配合钻爆台车进行，人工装药、爆破，爆破孔孔距为80～90cm，排距为70～80cm，周边孔孔距为40cm。穹顶造孔前，通过测量放线，根据爆破设计图定出周边孔点位、尾线点及每个孔的造孔深度，手风钻沿圆弧切线方向钻水平孔，孔深超深20cm为1.5m（设计深度，实际深度由测量控制）。每排炮钻孔结束后由现场技术人员用钢卷尺测量孔深，如果孔深超过设计要求，则用炮泥堵塞至符合设计要求后才允许装药。

为满足环形扩挖区顶拱9m长锚杆施工空间需求以及钻爆台车尺寸需求，在预留中心岩柱开挖及系统支护施工完成后先将岩柱及环形导洞范围内的底板进行拉槽下卧，拉槽深度为3.5m，拉槽钻孔采用D7液压钻钻孔梯段爆破;拉槽施工完成后再进行环形扩挖施工，开挖宽度为5.4m，高度6.56～10.84m，环形扩挖采用环形导洞开挖阶段钻爆台车，人工持YT-28手风钻进行钻孔、装药、爆破。爆破钻孔及装药参数控制同环形导洞开挖阶段。I层外缘剩余2.5m范围随下层保护层一同开挖。endprint

4.3  II～V层开挖施工

第Ⅱ～Ⅴ层开挖采取中间梯段爆破，两侧预留保护层方式开挖。在设计边线预留5.5m厚保护层，为保证设计结构线开挖成型质量，保护层分两次进行开挖，靠中心侧3.0m范围保护层在中间梯段爆破后进行开挖，剩余外缘2.5m范围保护层随下层一同开挖。中间采用ROC-D7型液压钻垂直进行钻孔，梯段爆破。保护层开挖采用手风钻钻设水平孔，环向开挖。

第Ⅱ、Ⅲ层开挖时按照12%的坡比修筑环形便道，利用尾调室上层施工支洞作进行交通。4#、5#调压室斜坡道开挖利用6#调压室斜坡道经闸门廊道进行开挖;第Ⅳ～Ⅴ层及6#调压室第Ⅱ、Ⅲ层剩余斜坡道开挖利用尾调交通洞作为施工通道，开挖时先将Ⅲ层底板与尾调交通洞顶高程挖穿，以此为临空面，沿闸门廊道上游侧按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作为Ⅳ～Ⅴ层施工通道。出渣采用3.0m？反铲装20t自卸车出渣，3.0m？装载机装辅助装渣。

4.4  支护程序及方法

由于尾水调压室穹顶开挖高度高，断面尺寸大，为保证顶拱的稳定，开挖过程中必须及时支护，根据钻爆分层分区，每层每区开挖后及时支护，相邻区域支护未完，不进行下一分区的开挖。根据围岩应力的释放规律，支护遵照先浅层支护后深层支护的原则进行，具体施工程序如下：开挖→初喷混凝土5cm→6m/9m锚杆、排水孔施工→钢筋挂网→复喷混凝土10cm→锚索施工。各工序间交替流水作业，6/9m孔深锚杆采用353E多臂钻造孔，砂浆锚杆采用YSB-2B砂浆泵注浆，人工配合平台吊车安插锚杆和钢筋挂网，喷混凝土采用aliva混凝土喷射机进行湿喷，锚索采用YG-80锚索钻机钻孔。

5  质量控制过程

（1）加强技术管理的基础工作，施工每道工序严格执行施工质量的"三检制"，在三检合格的情况下由施工局质检员将检验合格证交给监理工程师，再对申请验收的部位进行联检，在联检合格后，监理工程师在验收合格证上签字后方可进行下道工序的施工作业。

（2）加强与业主、监理、设计单位的联系，在施工技术方面取得广泛的合作与支持，并及时解决施工中遇到的技术难题和问题。开挖前认真做好控制爆破设计，并先在监理工程师批准的地方进行试验，选定合理的爆破参数，并使爆破震动对围岩影响最小，开挖过程中，根据地质情况变化及时改变钻孔和爆破技术，修正爆破参数，达到钻孔定位准确，爆破效果良好，以保证爆破后获得满意的开挖面。

（3）球冠光面爆破质量控制。钻孔前进行爆破孔位和孔深编程计算，利用全站仪测量放线，精确定位球面上控制点，并适当加密顶拱轮廓线放样点。放线的同时，对上一排炮的光爆残孔进行钎孔水平直线率检查，并填写检查记录。

（4）现场管理人员在钻孔过程中加强造孔质量管理，严格控制钻孔的间排距，尤其是周边孔造孔质量，起爆前应对其钻孔质量进行检查，如钻孔质量不符合要求，责令其整改，或重新造孔，并做好检查记录。周边孔的线装药，药卷必须采用竹片按照装药结构绑扎，严禁无竹片光爆。

（5）质检人员进行每一排炮光爆残孔的检查和统计，并对检查记录进行分析和评价，对施工过程进行巡查，有不符合要求的施工行为和方法，及时对相关单位及个人提出整改意见并监督其整改，直至符合要求为止。

（6）技术人员适时跟踪，参与光爆质量分析，提出整改建议，必要时，根据实际情况，对钻爆参数进行优化。

6  结束语

乌东德尾水调压井目前已完成4#、5#两个调压井球冠穹顶的环形导洞开挖，预留岩柱成型良好，达到了预期支撑效果。环形导洞球冠结构面开挖半孔率达90%以上，超欠挖控制在10cm以内，整个断面过渡平缓、美观，预留岩柱和球冠穹顶结构面开挖成形效果见附图3、附图4。鉴于球冠穹顶体型和施工工艺的复杂性，技术人员在施工过程中，引入了三维动画模拟和环形开挖爆破孔孔位及孔深编程计算，向地下硐室开挖数字化和精确化施工做了浅显尝试，在后续环形扩挖施工中还有待进一步加强质量控制和技术探讨。

参考文献：

[1] 《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]《水电水利工程爆破施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2001.endprint

4.3  II～V层开挖施工

第Ⅱ～Ⅴ层开挖采取中间梯段爆破，两侧预留保护层方式开挖。在设计边线预留5.5m厚保护层，为保证设计结构线开挖成型质量，保护层分两次进行开挖，靠中心侧3.0m范围保护层在中间梯段爆破后进行开挖，剩余外缘2.5m范围保护层随下层一同开挖。中间采用ROC-D7型液压钻垂直进行钻孔，梯段爆破。保护层开挖采用手风钻钻设水平孔，环向开挖。

第Ⅱ、Ⅲ层开挖时按照12%的坡比修筑环形便道，利用尾调室上层施工支洞作进行交通。4#、5#调压室斜坡道开挖利用6#调压室斜坡道经闸门廊道进行开挖;第Ⅳ～Ⅴ层及6#调压室第Ⅱ、Ⅲ层剩余斜坡道开挖利用尾调交通洞作为施工通道，开挖时先将Ⅲ层底板与尾调交通洞顶高程挖穿，以此为临空面，沿闸门廊道上游侧按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作为Ⅳ～Ⅴ层施工通道。出渣采用3.0m？反铲装20t自卸车出渣，3.0m？装载机装辅助装渣。

4.4  支护程序及方法

由于尾水调压室穹顶开挖高度高，断面尺寸大，为保证顶拱的稳定，开挖过程中必须及时支护，根据钻爆分层分区，每层每区开挖后及时支护，相邻区域支护未完，不进行下一分区的开挖。根据围岩应力的释放规律，支护遵照先浅层支护后深层支护的原则进行，具体施工程序如下：开挖→初喷混凝土5cm→6m/9m锚杆、排水孔施工→钢筋挂网→复喷混凝土10cm→锚索施工。各工序间交替流水作业，6/9m孔深锚杆采用353E多臂钻造孔，砂浆锚杆采用YSB-2B砂浆泵注浆，人工配合平台吊车安插锚杆和钢筋挂网，喷混凝土采用aliva混凝土喷射机进行湿喷，锚索采用YG-80锚索钻机钻孔。

5  质量控制过程

（1）加强技术管理的基础工作，施工每道工序严格执行施工质量的"三检制"，在三检合格的情况下由施工局质检员将检验合格证交给监理工程师，再对申请验收的部位进行联检，在联检合格后，监理工程师在验收合格证上签字后方可进行下道工序的施工作业。

（2）加强与业主、监理、设计单位的联系，在施工技术方面取得广泛的合作与支持，并及时解决施工中遇到的技术难题和问题。开挖前认真做好控制爆破设计，并先在监理工程师批准的地方进行试验，选定合理的爆破参数，并使爆破震动对围岩影响最小，开挖过程中，根据地质情况变化及时改变钻孔和爆破技术，修正爆破参数，达到钻孔定位准确，爆破效果良好，以保证爆破后获得满意的开挖面。

（3）球冠光面爆破质量控制。钻孔前进行爆破孔位和孔深编程计算，利用全站仪测量放线，精确定位球面上控制点，并适当加密顶拱轮廓线放样点。放线的同时，对上一排炮的光爆残孔进行钎孔水平直线率检查，并填写检查记录。

（4）现场管理人员在钻孔过程中加强造孔质量管理，严格控制钻孔的间排距，尤其是周边孔造孔质量，起爆前应对其钻孔质量进行检查，如钻孔质量不符合要求，责令其整改，或重新造孔，并做好检查记录。周边孔的线装药，药卷必须采用竹片按照装药结构绑扎，严禁无竹片光爆。

（5）质检人员进行每一排炮光爆残孔的检查和统计，并对检查记录进行分析和评价，对施工过程进行巡查，有不符合要求的施工行为和方法，及时对相关单位及个人提出整改意见并监督其整改，直至符合要求为止。

（6）技术人员适时跟踪，参与光爆质量分析，提出整改建议，必要时，根据实际情况，对钻爆参数进行优化。

6  结束语

乌东德尾水调压井目前已完成4#、5#两个调压井球冠穹顶的环形导洞开挖，预留岩柱成型良好，达到了预期支撑效果。环形导洞球冠结构面开挖半孔率达90%以上，超欠挖控制在10cm以内，整个断面过渡平缓、美观，预留岩柱和球冠穹顶结构面开挖成形效果见附图3、附图4。鉴于球冠穹顶体型和施工工艺的复杂性，技术人员在施工过程中，引入了三维动画模拟和环形开挖爆破孔孔位及孔深编程计算，向地下硐室开挖数字化和精确化施工做了浅显尝试，在后续环形扩挖施工中还有待进一步加强质量控制和技术探讨。

参考文献：

[1] 《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]《水电水利工程爆破施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2001.endprint

4.3  II～V层开挖施工

第Ⅱ～Ⅴ层开挖采取中间梯段爆破，两侧预留保护层方式开挖。在设计边线预留5.5m厚保护层，为保证设计结构线开挖成型质量，保护层分两次进行开挖，靠中心侧3.0m范围保护层在中间梯段爆破后进行开挖，剩余外缘2.5m范围保护层随下层一同开挖。中间采用ROC-D7型液压钻垂直进行钻孔，梯段爆破。保护层开挖采用手风钻钻设水平孔，环向开挖。

第Ⅱ、Ⅲ层开挖时按照12%的坡比修筑环形便道，利用尾调室上层施工支洞作进行交通。4#、5#调压室斜坡道开挖利用6#调压室斜坡道经闸门廊道进行开挖;第Ⅳ～Ⅴ层及6#调压室第Ⅱ、Ⅲ层剩余斜坡道开挖利用尾调交通洞作为施工通道，开挖时先将Ⅲ层底板与尾调交通洞顶高程挖穿，以此为临空面，沿闸门廊道上游侧按照12%的坡比修筑斜坡道到865.60m高程，作为Ⅳ～Ⅴ层施工通道。出渣采用3.0m？反铲装20t自卸车出渣，3.0m？装载机装辅助装渣。

4.4  支护程序及方法

由于尾水调压室穹顶开挖高度高，断面尺寸大，为保证顶拱的稳定，开挖过程中必须及时支护，根据钻爆分层分区，每层每区开挖后及时支护，相邻区域支护未完，不进行下一分区的开挖。根据围岩应力的释放规律，支护遵照先浅层支护后深层支护的原则进行，具体施工程序如下：开挖→初喷混凝土5cm→6m/9m锚杆、排水孔施工→钢筋挂网→复喷混凝土10cm→锚索施工。各工序间交替流水作业，6/9m孔深锚杆采用353E多臂钻造孔，砂浆锚杆采用YSB-2B砂浆泵注浆，人工配合平台吊车安插锚杆和钢筋挂网，喷混凝土采用aliva混凝土喷射机进行湿喷，锚索采用YG-80锚索钻机钻孔。

5  质量控制过程

（1）加强技术管理的基础工作，施工每道工序严格执行施工质量的"三检制"，在三检合格的情况下由施工局质检员将检验合格证交给监理工程师，再对申请验收的部位进行联检，在联检合格后，监理工程师在验收合格证上签字后方可进行下道工序的施工作业。

（2）加强与业主、监理、设计单位的联系，在施工技术方面取得广泛的合作与支持，并及时解决施工中遇到的技术难题和问题。开挖前认真做好控制爆破设计，并先在监理工程师批准的地方进行试验，选定合理的爆破参数，并使爆破震动对围岩影响最小，开挖过程中，根据地质情况变化及时改变钻孔和爆破技术，修正爆破参数，达到钻孔定位准确，爆破效果良好，以保证爆破后获得满意的开挖面。

（3）球冠光面爆破质量控制。钻孔前进行爆破孔位和孔深编程计算，利用全站仪测量放线，精确定位球面上控制点，并适当加密顶拱轮廓线放样点。放线的同时，对上一排炮的光爆残孔进行钎孔水平直线率检查，并填写检查记录。

（4）现场管理人员在钻孔过程中加强造孔质量管理，严格控制钻孔的间排距，尤其是周边孔造孔质量，起爆前应对其钻孔质量进行检查，如钻孔质量不符合要求，责令其整改，或重新造孔，并做好检查记录。周边孔的线装药，药卷必须采用竹片按照装药结构绑扎，严禁无竹片光爆。

（5）质检人员进行每一排炮光爆残孔的检查和统计，并对检查记录进行分析和评价，对施工过程进行巡查，有不符合要求的施工行为和方法，及时对相关单位及个人提出整改意见并监督其整改，直至符合要求为止。

（6）技术人员适时跟踪，参与光爆质量分析，提出整改建议，必要时，根据实际情况，对钻爆参数进行优化。

6  结束语

乌东德尾水调压井目前已完成4#、5#两个调压井球冠穹顶的环形导洞开挖，预留岩柱成型良好，达到了预期支撑效果。环形导洞球冠结构面开挖半孔率达90%以上，超欠挖控制在10cm以内，整个断面过渡平缓、美观，预留岩柱和球冠穹顶结构面开挖成形效果见附图3、附图4。鉴于球冠穹顶体型和施工工艺的复杂性，技术人员在施工过程中，引入了三维动画模拟和环形开挖爆破孔孔位及孔深编程计算，向地下硐室开挖数字化和精确化施工做了浅显尝试，在后续环形扩挖施工中还有待进一步加强质量控制和技术探讨。

参考文献：

[1] 《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]《水电水利工程爆破施工技术规范》[M].北京：中国电力出版社，2001.endprint