湖北三峡水利枢纽右岸地下电站尾水隧洞加固技术

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：三峡右岸地下电站主要由进水口、引水隧洞、主厂房、扩散段、连接段、调压井、尾水隧洞、尾水渠、排沙洞及地面开关站组成。6条尾水隧洞分别由变顶高段、连接断和扩散段组成。轴线长度由191.38m到224.62m不等，断面型式为上圆下方城门洞型，其扩散段最大断面为20.4m×27.4m，进口底板高程21.05m，出口底板高程42.5m，6条尾水隧洞总长1555.31m。尾水隧洞锚喷支护施工。另根据具体地质条件进行随机支护。

（1）工程概述。三峡水利枢纽工程位于湖北宜昌市长江干流上，为混凝土重力坝，坝高181m，坝长2335m，最终总装机2240万kW，其中右岸地下厂房（长×宽×高=311.3m×32.6m×87.24m）拟安装6台70万kW水轮发电组。1994年正式开工，预计2010年竣工。

三峡右岸地下电站主要由进水口、引水隧洞、主厂房、扩散段、连接段、调压井、尾水隧洞、尾水渠、排沙洞及地面开关站组成。

6条尾水隧洞分别由变顶高段、连接断和扩散段组成。单机单洞平行布置，与主厂房纵轴线夹角为80°，并斜向河床侧。轴线长度由191.38m到224.62m不等，断面型式为上圆下方城门洞型，其扩散段最大断面为20.4m×27.4m，进口底板高程21.05m，出口底板高程42.5m，6条尾水隧洞总长1555.31m。阻尼井采用单机单井布置，井中心距机组中心78.5m，井筒直径为7m。

6条引水隧洞分别由预建段、上平段、上弯段、斜井段、下弯段、渐变段、下平段组成，与主厂房纵轴线垂直为90°，单机单洞平行布置。单洞轴线长度为217m，引水进口轴线高程为119.75m，引水出口轴线高程为57m。断面型式为圆形，断面直径尺寸分别为15.5～14.4m。6条引水隧洞总长为1302m。

区内岩石主要为前震旦系闪云斜长花岗岩和闪长岩包裹体，岩体中尚有花岗岩脉、伟晶岩脉和石英岩脉。主要断层有F20、F22、F24等，走向北北西340°～350°，倾向南西为主，陡倾角60°～85°，宽一般0.3～3.0m，构造岩胶结良好；次为F84、F205、F100等北东东～近东西向70°～90°的断层，倾向北为主，断层宽为0.3～3.0m，以角砾岩为主，断面波状起伏，多张开渗水，胶结较差；另外还有F10等北东50°，倾北西，倾角50°的断层，宽1～3m，构造岩中夹泥，胶结较差。地下电站由主厂房、引水洞、尾水洞系统组成的大型地下洞室群，位于微新岩体中，岩石坚硬，完整性较好，主厂房上覆山体一般厚度为63～98m，左侧最薄处仅35m。

白岩尖山体主峰下游开挖已形成了150m和120m等高程的平台，山体左侧已形成了人工高边坡，主厂房左侧最薄围岩厚度仅35m。白岩尖山体岩层由地表至洞室分别为全风化、强风化、弱风化和微新岩体，全强风化岩体的厚度相对较大，洞室围岩多为弱风化及微新岩石。

（2）尾水隧洞锚喷支护施工。尾水隧洞变顶高段及出口段30m系统砂浆锚杆支护形式为：上半洞圆弧段采用φ28@150，L=7m、左右两侧洞壁为φ32@150，L=7～9m，其中长度7m与9m砂浆锚杆间隔布设；底板锚固形式为φ32@200，L=6m；间排距分别为200cm×150cm；洞顶及两侧喷5～10cm厚素混凝土进行系统跟进支护，其余洞段系统锚杆支护型式基本相同，但局部根据具体情况喷5～8cm厚度的混凝土。另根据具体地质条件进行随机支护。

地下电站尾水闸门槽边墙设φ32mm长6m和9m的C型系统锚杆和φ36mm长6m和9m的E型系统锚杆以及φ32mm长6m和9m的系统锚杆，间排距分别为200cm×200cm。坡顶设2排φ32mm长12m的锁口锚杆，对局部采用4φ32mm长9m和12m的锚桩，喷5～8cm厚素混凝土，以及布置200t级长20～40m预应力锚索进行加固处理。

1～6号尾水洞变顶高段砂浆锚杆支护形式见图7.3；2～6号洞出口断面锚杆支护示意图见图7.4。

尾水系统支护工程主要工程量为：各类系统锚杆52421根，预应力锚索686束，喷混凝土14270m3，锚桩460根。

引水系统支护工程主要工程量为：A型锚杆2112根，B型锚杆690根，喷混凝土约1800m3。

6条尾水洞采用顶拱中导洞先行进占（1～2个循环），顶拱分左右侧2序扩挖（1～2个循环）完成后，对下部分两层进行台阶开挖的进占方式，初期锚喷支护在前，30m紧跟各掌子面，后续支护视地质条件随后交叉作业组织实施，支护滞后开挖作业面不少于30m。各隧洞间采取间隔方式开挖与支护，并于地下厂房挖至其顶拱高程上一层之前完成。

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图7.3　1～6号尾水洞变顶高段砂浆锚杆支护图（单位：mm）

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图7.4　2～6号尾水洞出口段砂浆锚杆支护示意图（单位：mm）

初期支护（含随机锚杆、喷射混凝土）紧跟开挖工作面进行，与开挖交替流水作业；对于软弱岩层及构造破碎带区域，钻爆后，经地质工程师鉴定并编录后及时采用随机锚杆加固，并及时对出露的围岩喷混凝土，进行初期支护，在确保洞室及边坡稳定后再进入下一道工序作业。

后期支护滞后开挖作业面不少于30m跟进作业，包括系统锚杆、随机锚杆、喷射混凝土等。按先喷后锚（含挂网）的顺序进行施工。

1）施工程序。顶拱中部导洞进占并扩挖→安全处理→上半洞系统支护→洞室第一层台阶开挖→系统支护→洞室第二层台阶开挖→系统支护→底板保护层开挖→底板系统支护。

2）砂浆锚杆施工。

①钻孔。系统锚杆及排水孔造孔采用阿特拉斯353E三臂台车，孔径为56～66mm，系统锚杆造孔前利用全站仪进行孔位放样，用红油漆标出开孔位置。排水孔由现场监理指定开孔位置。

控制开孔孔位偏差小于10cm、孔向偏差不大于3°、孔深在设计深度的±5cm。锚杆、排水孔的位置、间排距以及孔斜等参数，严格按照设计图要求布置，局部位置由监理工程师根据地质条件具体调整。排水孔的施工在锚杆安装完毕后方能施工。

为保证造孔的质量，在造孔前选配合适的钻杆和钻头，造孔时安排专人旁站，严格控制孔向及孔斜，确保造孔符合设计图纸的要求。

锚孔钻进过程中如遇塌孔或掉钻难以进行时，先进行固结灌浆处理，尔后再钻进；锚孔围岩固结灌浆一般采用单孔单灌，如发现严重漏浆、串孔或冒浆，及时报监理和设计单位，并研究采取专门措施。

固结灌浆采用纯压式，灌浆压力不大于0.1MPa，采用全孔一段灌浆。浆液采用水泥净浆，水灰比0.5∶1～0.4∶1。

凡采用固结灌浆的钻孔，扫孔作业在灌后24h后进行，扫孔后孔道必须清洗干净，孔内不得残留废渣、岩粉。

②清孔。在造孔结束后，利用多臂钻的高压冲洗水将孔内岩粉、石屑和积水清除干净，底板锚杆孔在施工前使用高压风进行清孔。(www.chuimin.cn)

③验孔。锚杆灌浆安装前，对锚杆孔进行质量检查验收。验收内容包括孔位、孔径、孔深、孔斜，各项参数指标均必须符合设计和规范要求。验收合格后再进入下道工序施工。对于不合格孔或塌孔立即进行补打或掏孔处理。

④锚杆灌浆。灌浆系统布置在支护施工作业面，采用麦斯特DEGUNA20P型灌浆机。灌浆液严格按照设计配合比进行拌制。灌浆要求全孔饱满、密实。锚杆安装时，根据不同的施工部位，分别采用人工与机械辅助进行施工。砂浆采用坚硬、清洁、干燥、无风化、无杂质、级配良好的合格砂料，细度模数为2.4～2.8，最大粒径不大于2mm。

孔内灌浆采用R28300号水泥砂浆，水泥品种为P.O42.5，并经试验室进行配合比试验，参考配比水泥砂浆0.4：1：1（水：水泥：砂），不掺外加剂。水泥砂浆随拌随用，要求拌制均匀，并防止石块或其他杂物混入。

对于不同长度的锚杆安装和特殊部位的要求，分别采用不同的施工方法。对于长度6m以上的锚杆或有漏水孔锚杆的安装，采用先插杆后灌法施工，即在锚杆施工前，分三段焊接对中环，再安装灌浆管和排气管。排气、回浆管采用φ12mm的PE管，灌浆管采用φ20mm的PE管。绑扎好排气、回浆管后，利用人工或辅助机械将锚杆送入孔内，到位后用铁楔（或木楔）固定，再安装φ20mm的PE管作为灌浆管。安装时灌浆管插入孔内30～40cm，用棉纱封堵孔口，再使用锚固剂封口。待锚固剂达到凝期后，开始灌浆施工。灌浆时待排气管出浆或不再排气时即停止灌浆，确保孔内砂浆饱满。先灌后插法指先将灌浆管插入孔内再进行灌浆。灌浆时，利用灌入砂浆的压力将灌浆管缓缓推出，以保证孔内砂浆充满孔腔，再进行锚杆安装。安装锚杆时，严格控制锚杆的插入速度，避免失浆，保证孔腔砂浆饱满。

在砂浆终凝前不得敲击、碰撞或拉拔，锚杆施工完毕后，7d内灌锚杆作业20m范围内不得进行爆破作业。

⑤锚杆制安。尾水隧洞砂浆锚杆采用精轧Ⅱ级和Ⅲ级螺纹钢。锚杆直径分为36mm、32mm、28mm三种，其中砂浆锚杆长度为9m、7m、6m、7.5m。所有杆体材料，使用前均需做拉伸试验，合格后投入使用。

3）喷混凝土施工。喷射混凝土施工有喷素混凝土、挂网喷混凝土、喷钢纤维混凝土及喷聚丙烯纤维混凝土四种，全部采用湿喷法，喷层厚度5～10cm，标号为R28250。挂网为钢筋网及机编网两种。

喷射混凝土施工紧跟锚杆支护施工作业面或在锚杆支护施工前，自上而下分段分层进行。

喷射混凝土施工工艺流程见图7.5。

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图7.5　喷射混凝土施工工艺流程图

①受喷面准备工作。喷射施工前清理受喷面，清除开挖面浮石、处理欠挖，用高压风水枪冲洗，验收合格后，在锚筋上设立喷厚的标志；无锚筋时，另设喷厚标志。对受喷面渗水部位，采用埋设导管、盲管或截水圈作排水处理。

②混合料的制备。湿喷混凝土料采用设置在预制厂内的拌和站集中拌制，6m3混凝土搅拌车运至支护工作面。

喷射混凝土的配合比通过室内及现场试验确定。拌制喷射混凝土的混合料时，各种材料要按施工配合比要求分别称量。允许偏差：水泥、速凝剂及钢纤维不大于±2%；砂、石各不大于±3%。

混合料搅拌时间不少于2min，混合料达到搅拌均匀、颜色一致的要求。混合料随拌随用，存放时间不超过20min，保持物料新鲜。

钢纤维、聚丙烯纤维混凝土的混合料搅拌时间通过现场搅拌试验确定，以加入的钢纤维、聚丙烯纤维能完全散开，单根均匀分布在混凝土中为准；钢纤维掺量为40kg/m3，聚丙烯纤维掺量为1kg/m3，拌制过程中应注意投放秩序和方式，纤维应逐步均匀投放，以免集结成团。

③喷射混凝土。混凝土喷护设备采用阿利瓦PM—500PC型湿喷台车，速凝剂采用麦斯特SA100型速凝剂。

喷射厚度小于等于10cm，喷射施工一次完成；喷射厚度大于10cm时分层完成。当作业层数不止一层时，各层间可间隔30～60min。若间隔时间大于1h，则按有关规范要求对已喷混凝土面用风和水清洗。

受喷面作业顺序采用自下而上分段分区方式进行，区段间的接合部和结构的接缝处应妥善处理，不得漏喷。喷射作业时，连续供料，工作风压稳定。完成或因故中断作业时，应将喷射机及料管内的积料清理干净。喷射混凝土的回弹率：洞室拱部不大于20%，边墙（边坡）不大于8%。

喷混凝土终凝2h后即开始洒水养护，14d内保持湿润状态。

④钢筋网喷射混凝土。挂网锚杆间距200cm×200cm，长100cm；待挂网锚杆施工完毕且砂浆达一定强度后，钢筋网固定就位。

采用预制混凝土垫块保持与钢筋网和坡面岩体之间的距离，钢筋网与锚杆端头用点焊连接。挂网喷混凝土部位混凝土必须填满铁丝网与岩石间空隙，网表面的混凝土保护层厚度最小不得小于5cm。

⑤钢纤维与聚丙烯纤维喷射混凝土。其物理力学指标应符合设计要求，掺量按试验选定，聚丙烯纤维的掺量在1kg/m3左右。喷护方法同上。

（3）锚喷支护效果。截至2006年10月，共计完成锚杆支护26642根，喷混凝土4814.6m2。无损检测按5%频率抽检锚杆1472根，其中优良根数1355根，合格根数为117根，平均密实度为95.3%，合格率为100%，优良率为96.0%；抗拉拔检测锚杆174根，全部达到设计指标。

施工期间，通过声波仪检测出个别锚杆孔内砂浆局部存在脱空或不密实问题，对先灌浆后插杆工艺进行了工艺改进，加大灌浆管直径，改造了新机具与操作方式，使砂浆密实性与均匀性有较大提高，取得了成功，有效地保证了尾水洞锚喷支护施工质量。

喷射混凝土通过取芯检查，喷射的混凝土骨料分布均匀、密实性好，并与受喷面粘结牢固、强度高，其厚度、强度指标全部符合要求，合格率100%，优良率94.6%。依照有关质量评定标准，施工质量达到优良。

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