本發(fā)明屬于水利水電地下工程施工，具體涉及一種水利工程氣墊式調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)施工方法。

背景技術(shù)：

1、氣墊式調(diào)壓室作為水利水電工程中改善機(jī)組調(diào)節(jié)性能、抑制水擊壓力的關(guān)鍵地下結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)與施工受地質(zhì)條件、埋深、地應(yīng)力等因素影響顯著。近年來(lái)，隨著西部水利工程向深部地下空間開(kāi)發(fā)，氣墊式調(diào)壓室呈現(xiàn)“大尺寸、深埋置、高應(yīng)力”的特點(diǎn)，如部分工程中氣調(diào)室垂直埋深達(dá)480m以上，最大水平地應(yīng)力超過(guò)13mpa，圍巖多為奧陶系圣何塞組薄層石英絹云母板巖（單層厚度10~30cm，最厚50cm），巖層走向與洞軸線(xiàn)夾角71°~89°，陡傾下游偏右側(cè)，此類(lèi)地質(zhì)條件下的開(kāi)挖支護(hù)面臨極大的施工難題。氣墊式調(diào)壓室通常采用城門(mén)洞形斷面，內(nèi)部需承受氣墊壓力與圍巖壓力的協(xié)同作用，其施工需滿(mǎn)足“開(kāi)挖擾動(dòng)小、支護(hù)及時(shí)、結(jié)構(gòu)成型精準(zhǔn)”的要求。

2、結(jié)合工程實(shí)踐，當(dāng)前氣墊式調(diào)壓室施工主要面臨以下難點(diǎn)：（1）高應(yīng)力圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)高：深埋條件下，地應(yīng)力釋放易導(dǎo)致薄層板巖沿層理面開(kāi)裂，形成楔形塊體；若開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力調(diào)整無(wú)序，易引發(fā)拱頂坍塌或邊墻滑移。例如某水電站氣墊式調(diào)壓室施工中，因未采取超前預(yù)加固，第ii層開(kāi)挖后3天內(nèi)邊墻出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)5m的裂縫，被迫停工處理，延誤工期28天。（2）分層開(kāi)挖與應(yīng)力控制矛盾：現(xiàn)有方法多采用“等高度分層”（如每層3~5m），未考慮頂拱、中部、底板的應(yīng)力分布差異。頂拱段（第i層）直接全斷面開(kāi)挖易導(dǎo)致拱頂應(yīng)力集中，底板保護(hù)層（第v層）開(kāi)挖擾動(dòng)易引發(fā)底部巖體隆起；某工程數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)分層方法下圍巖塑性區(qū)范圍達(dá)1.5~2.0m，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)允許值（≤0.8m）。（3）支護(hù)與開(kāi)挖協(xié)同性差：現(xiàn)有支護(hù)多滯后開(kāi)挖面30~50m，薄層板巖在開(kāi)挖后暴露時(shí)間超過(guò)48h，易發(fā)生風(fēng)化剝落。此外，錨桿注漿不飽滿(mǎn)、鋼筋網(wǎng)與巖面貼合度差等問(wèn)題，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法有效傳遞荷載，某工程中約20%的錨桿因注漿缺陷，在圍巖變形中提前失效。（4）爆破擾動(dòng)對(duì)圍巖損傷大：常規(guī)梯段爆破采用固定參數(shù)（如孔深3.5m、單耗0.4kg/m3），未根據(jù)圍巖類(lèi)別調(diào)整，導(dǎo)致iii類(lèi)圍巖段過(guò)度爆破（裂隙擴(kuò)展率增加30%），iv類(lèi)圍巖段（斷層影響帶）爆破不足（殘留巖埂率達(dá)15%）。同時(shí)，連接洞與氣調(diào)室銜接段因爆破震動(dòng)疊加，易形成應(yīng)力集中區(qū)，增加塌方風(fēng)險(xiǎn)。（5）平壓孔施工與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定沖突：平壓孔作為氣墊式調(diào)壓室的關(guān)鍵功能孔，現(xiàn)有方法多在支護(hù)完成后集中施工，鉆孔過(guò)程中易擾動(dòng)已支護(hù)巖壁，導(dǎo)致局部噴層開(kāi)裂；某工程中平壓孔施工后，約12%的孔位周邊出現(xiàn)環(huán)向裂縫，需二次灌漿修復(fù)，增加工程成本。

3、當(dāng)前水利工程中，地下洞室開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)已形成較多研究成果，但針對(duì)氣墊式調(diào)壓室的專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)仍存在不足：專(zhuān)利cn108755622b（大直徑圓筒式尾水調(diào)壓室開(kāi)挖方法）提出“先中導(dǎo)洞+預(yù)留保護(hù)層+分層支護(hù)”方案，但其針對(duì)圓筒形斷面，未考慮氣墊式調(diào)壓室城門(mén)洞形的頂拱、邊墻受力差異，且未涉及高應(yīng)力下的超前預(yù)加固措施，無(wú)法直接適用于薄層板巖圍巖。專(zhuān)利cn112922635b（水工隧洞開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)）采用“大管棚+小導(dǎo)管+鋼拱架”支護(hù)，但其聚焦隧洞側(cè)向偏壓?jiǎn)栴}，未針對(duì)氣墊式調(diào)壓室的分層開(kāi)挖工序優(yōu)化，且未提及平壓孔與支護(hù)的協(xié)同施工，難以滿(mǎn)足功能孔施工需求。隨著氣墊式調(diào)壓室向更深、更大尺寸發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足“低擾動(dòng)、快支護(hù)、高穩(wěn)定”的施工要求?；诖?，本發(fā)明提出一種水利工程氣墊式調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工方法，填補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)在氣墊式調(diào)壓室專(zhuān)項(xiàng)施工中的空白，具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種水利工程氣墊式調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)施工方法，本發(fā)明所述技術(shù)方案解決水利工程氣墊式調(diào)壓室變形大、易塌方、支護(hù)滯后等難題，可大幅降低圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、精準(zhǔn)、低擾動(dòng)施工。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)特征，本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種水利工程氣墊式調(diào)壓室開(kāi)挖支護(hù)施工方法，包括以下步驟：

3、s1，施工通道開(kāi)挖：在氣墊式調(diào)壓室外側(cè)首先開(kāi)挖施工支洞；

4、s2，氣墊式調(diào)壓室開(kāi)挖：采用鉆爆法對(duì)氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行開(kāi)挖，并由上至下共分5層開(kāi)挖，包括頂拱ⅰ層、第ⅱ、ⅲ、ⅳ層以及第ⅴ層；

5、s3，初期支護(hù)系統(tǒng)施作：氣墊式調(diào)壓室每層開(kāi)挖的同時(shí)初期支護(hù)系統(tǒng)及時(shí)跟進(jìn)，并在下一層開(kāi)挖施工前完成掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿的施工；

6、s4，平壓系統(tǒng)施工：氣墊式調(diào)壓室的初期支護(hù)系統(tǒng)檢查合格后，進(jìn)行平壓系統(tǒng)的設(shè)置施工；

7、s5，閉氣鋼板施工：平壓系統(tǒng)施工完畢且檢查合格后，進(jìn)行閉氣鋼板的安裝；

8、s6，鋼筋混凝土施工：氣墊式調(diào)壓室邊墻部位的鋼筋混凝土澆筑與閉氣鋼板安裝一同開(kāi)展，由起拱線(xiàn)以上拱頂位置，先澆筑閉氣鋼板外側(cè)的鋼筋混凝土，再澆筑閉氣鋼板內(nèi)側(cè)的鋼筋混凝土；

9、s7，灌漿施工：對(duì)氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行灌漿作業(yè)；

10、s8，氣墊式調(diào)壓室的監(jiān)控量測(cè)：氣墊式調(diào)壓室施工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：變形監(jiān)測(cè)、滲流滲壓監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

11、優(yōu)選地，所述s1中施工支洞分為上部施工支洞和下部施工支洞，由上部施工支洞和下部施工支洞對(duì)氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行施工。

12、優(yōu)選地，所述s2分5層開(kāi)挖過(guò)程中，頂拱ⅰ層采用中導(dǎo)洞先行，兩側(cè)擴(kuò)挖的施工程序，氣墊式調(diào)壓室上、下游邊墻擴(kuò)挖需要保持足夠的安全距離，第ⅱ、ⅲ、ⅳ層采取半幅開(kāi)挖，周邊孔光爆預(yù)裂的方式進(jìn)行，第ⅴ層為底板預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖，采取半幅水平光爆的方式進(jìn)行。

13、優(yōu)選地，所述s2中氣墊式調(diào)壓室的頂拱ⅰ層開(kāi)挖高度為8~9m，從上部施工支洞進(jìn)入待開(kāi)挖氣墊式調(diào)壓室后開(kāi)挖形成一定高度的上坡通道，先進(jìn)行中導(dǎo)洞的開(kāi)挖支護(hù)施工，上、下游側(cè)邊頂拱保護(hù)層滯后中導(dǎo)洞至少20m安全距離后啟動(dòng)開(kāi)挖支護(hù)施工；

14、氣墊式調(diào)壓室的第ⅱ、ⅲ、ⅳ層開(kāi)挖分層高度均為3~4m，從上部施工支洞進(jìn)入氣墊式調(diào)壓室內(nèi)通過(guò)墊渣修建一條臨時(shí)道路到達(dá)第ⅱ、ⅲ層進(jìn)行施工，第ⅳ層通過(guò)墊渣修建一條臨時(shí)道路從下部施工支洞進(jìn)入氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行施工；氣墊式調(diào)壓室的第ⅱ、ⅲ、ⅳ層開(kāi)挖均采取上、下游側(cè)半幅錯(cuò)距開(kāi)挖的方式，每層深度為3~4m一次開(kāi)挖到位，上、下游側(cè)半幅開(kāi)挖錯(cuò)距不得小于20m；

15、氣墊式調(diào)壓室的第ⅴ層底板保護(hù)層分層高度為1.5~2m，由下部施工支洞進(jìn)入洞室，第ⅴ層開(kāi)挖采取上、下游側(cè)半幅錯(cuò)距開(kāi)挖的方式，1.5~2m保護(hù)層一次開(kāi)挖到位，上、下游側(cè)半幅開(kāi)挖錯(cuò)距不得小于20m；

16、氣墊式調(diào)壓室的連接洞開(kāi)挖包括連接洞下坡路和連接洞，其中連接洞下坡路設(shè)計(jì)坡比為1:4.45，距氣墊式調(diào)壓室底板最大高度為8.5~9.5m，連接洞的標(biāo)準(zhǔn)斷面呈城門(mén)洞形。

17、優(yōu)選地，所述s3中掛鋼筋網(wǎng)的直徑采用6~12mm，間距采用150~200mm，噴射混凝土采用c25，厚度6~10cm；

18、系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度4.5m時(shí)，深入氣墊式調(diào)壓室的頂拱及邊墻的基巖至少3.5m，深入氣墊式調(diào)壓室的u槽邊墻的基巖至少4.0m，間排距2.0~2.5m；

19、系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度6m時(shí)，深入基巖至少5m，間排距2.0~2.5m。

20、優(yōu)選地，所述s4中平壓系統(tǒng)包括系統(tǒng)平壓孔、側(cè)向平壓鋼管、橫向平壓鋼管和環(huán)向平壓鋼管；系統(tǒng)平壓孔經(jīng)驗(yàn)收合格后，進(jìn)行側(cè)向平壓鋼管、橫向平壓鋼管及環(huán)向平壓鋼管的安裝；

21、所述系統(tǒng)平壓孔的直徑為70~90mm，深入基巖至少4m，排距2m，呈矩形布置；

22、側(cè)向平壓鋼管的直徑為48~76mm，壁厚3.5~4.5mm，為普通無(wú)縫鋼管；

23、橫向平壓鋼管的直徑為48~76mm，壁6.0~8.0mm，為普通無(wú)縫鋼管；

24、環(huán)向平壓鋼管的直徑為114~168mm，壁厚3.5~4.5mm，為普通無(wú)縫鋼管。

25、優(yōu)選地，所述閉氣鋼板材料采用q235c，鋼板厚度為12~20mm，表面除銹等級(jí)為sa1，涂刷水泥漿保護(hù)，設(shè)置于鋼筋混凝土內(nèi)，呈倒u型，內(nèi)層混凝土厚40~50cm，外層混凝土厚60~70cm，閉氣鋼板與端墻位置采用完全焊透的角接接頭、v型坡口的鋼墊襯單面焊接，與錨筋位置采用完全焊透的t形接頭、k型坡口的周邊焊接。

26、優(yōu)選地，所述鋼筋混凝土澆筑與閉氣鋼板安裝一同開(kāi)展，包括襯砌鋼筋混凝土和底板素混凝土，按照分層、分塊進(jìn)行澆筑，層間間歇時(shí)間不小于5~7d，鋼筋保護(hù)層厚度為4~5cm，采用hrb400級(jí)鋼筋。

27、優(yōu)選地，所述氣墊式調(diào)壓室的灌漿包括對(duì)發(fā)育裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿、對(duì)氣室頂拱鋼板外側(cè)的回填灌漿以及對(duì)氣室頂拱鋼板內(nèi)側(cè)的接觸灌漿。

28、優(yōu)選地，所述氣墊式調(diào)壓室頂拱范圍的回填灌漿和接觸灌漿布置在頂拱中心角90°范圍，3、4孔交錯(cuò)布置，交錯(cuò)角30°，排距2.0~3.0m，在襯砌混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，灌漿壓力采用0.2~0.4mpa；固結(jié)灌漿應(yīng)在發(fā)育裂隙表面的砂漿、混凝土施工7d或達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，灌漿壓力采用4.5~6.0mpa。

29、本發(fā)明有如下有益效果：

30、本發(fā)明通過(guò)采用“分層分幅+差異化鉆爆”方案，有效抑制了洞室開(kāi)挖過(guò)程的片幫、彎折及底鼓破壞，可顯著降低高應(yīng)力圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，適用于高地應(yīng)力深埋氣墊式調(diào)壓室施工；將系統(tǒng)平壓孔、環(huán)向/橫向/側(cè)向鋼管提前嵌入初期支護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，形成“支護(hù)-泄壓-閉氣”三合一體系；閉氣鋼板與鋼筋混凝土同步安裝，避免二次鉆孔對(duì)圍巖的二次擾動(dòng)，可保證氣墊式調(diào)壓室的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)耐久性，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。