杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上 (部分工程区域位于甘孜州九龙县境内) , 是雅砻江中游河段一库七级开发的第六级水电站。该水电站为一等大 (1) 型工程, 总装机容量1 500MW, 地下厂房采用左岸首部开发方案, 其地面高程2 240.000～2 370.000m, 上覆岩体厚度197～328m, 水平岩体厚度125～320m。主、副厂房洞纵轴线方向为N5°E, 与引水隧洞下平段轴线夹角90°。主副厂房洞、主变洞、尾水调压室3大洞室平行布置, 均采用圆拱直墙型断面, 主、副厂房洞与主变洞的净距为45m, 主变洞与尾水调压室的净距为42m。主、副厂房洞在平面上采用一字形布置, 从左至右依次为副厂房、主厂房和安装场, 洞室开挖尺寸为230m×30m (28m) ×75.57m (长×宽×高) 。

地下厂房围岩岩性为浅灰色花岗闪长岩 (γδ₅²) , 呈微风化～新鲜状, 岩体完整, 岩质坚硬, 岩石的单轴饱和抗压强度在80～100MPa。厂房总体位于地下水位之下, 为基岩裂隙水, 岩体透水性较弱, 局部渗滴水。厂区最大主应力σ₁值为12.62～13.04MPa, 最大主应力方向为N61°W～N79°W, 与厂房轴线夹角66°～84°, 属于中等地应力区。厂房围岩以Ⅱ, Ⅲ类为主, 下游边墙局部存在Ⅳ类。顶拱部位多为次块状～块状结构, 主要发育为中陡倾角结构面, 但在厂房左侧存在缓倾角断层f₄₉, 并在f₄₉下盘发育有f₆₅, f₆₈, f₇₁等断层。上游边墙发育多条小断层与挤压带, 其中有断层f₉₀和f₉₁, 与结构面组合形成浅层块体。下游边墙存在以下几个区域的地质问题: (1) 厂左区域发育顺洞向陡倾角断层f₈₃, 该断层影响带较宽, 影响区域岩体蚀变, 岩体质量为III₂类, 对下游边墙及岩锚梁稳定不利; (2) 2号机下游边墙, 岩锚梁基础发育有节理密集带, 且有蚀变现象; (3) 3号机下游边墙, 在岩锚梁下方发育有断层f₁₂₃, 并以此为底滑面, 与挤压破碎带j₁₅₀、优势结构面等形成组合块体。

无论是明挖还是洞挖, 施工通道的布置永远是最重要的前提, 杨房沟水电站地下厂房从上至下共分为9层开挖, 其中上部通道主要利用顶拱两端设置的左岸通风兼安全洞、右岸厂房进风洞, 中部通道主要利用进厂交通洞、母线洞及引水下平洞等, 下部通道主要利用尾水连接管。各通道来回倒腾布置, 上下、左右相互转移, 才能将工作面尽数展开。各通道在主厂房下挖至该部位前, 提前贯通进厂3m左右 (即“先洞后墙”) , 并在厂房端墙或侧墙部位提前进行环向预裂, 同时提前做好洞口段的系统支护或加强支护, 以保证厂房边墙的成型质量。由于杨房沟水电站主厂房与主变洞之间的隔墙采用的锚索是端锚而不是对穿锚, 所以主变洞能提前下挖完成, 并尽快完成母线洞开挖, 否则从进厂交通洞洞口处开始, 还需提前布置一条厂房开挖范围内的临时施工通道, 到达母线洞洞口部位, 在岩锚梁浇筑前完成母线洞的开挖并锁口。

地下厂房开挖施工的风水电布置主要考虑所采用的机械设备, 尤其是大型设备的数量。施工供风主要考虑钻孔机械, 以固定式压气站供风为主, 移动空压机供风为辅, 杨房沟地下厂房开挖高峰用风量约120m³/min, 主管采用159钢管, 支管采用50软管。施工用水在开挖阶段方量较小, 主要用于机械设备、洒水降尘及喷混凝土养护等, 采用108钢管接系统水, 软管接至工作面即可。施工用电设置集中变压器站, 主厂房及其附属洞室共配置1台1 000kV·A+1台1 250kV·A完全满足用电高峰负荷。在厂房上下游边墙高高程处各布置4盏1 000W大面投光灯, 同时在通风兼安全洞及厂房进风洞端头各布置2盏2 000W海洋王灯作为现场照明。在风水电等临建设施布置时, 还要充分考虑后期混凝土浇筑阶段风水电综合利用问题, 尽量减少设备管线重复拆除、安装等工作量。为了避免爆破飞石等影响, 可在上下游侧或左右端分别各自布设1条管线, 接近开挖掌子面的管线用软管、软线, 便于移动。集中压气站或变压器站可布置在厂房附近的平洞内, 为了不影响交通, 可提前开挖出一段旁洞作为设备洞使用。

随着时代和社会的进步, 工程建设对环保及文明施工要求越来越高, 为了解决开挖阶段的通风散烟问题, 杨房沟水电站引进了进口风机, 对地下厂房的开挖进行供风和抽排。在主厂房正式开挖前, 提前贯通左岸通风兼安全洞、右岸厂房进风洞, 并在其靠近厂房的洞口部位, 在其上部提前形成排烟平洞或利用前期洞室, 分别用反井钻机施工直径2m排烟竖井, 与厂房端头部位的2条洞室连通, 竖井上部井口各自安装1台1×75kW风机抽风, 在通风兼安全洞外部洞口处安装1台1×132kW风机, 在厂房进风洞外部洞口处安装1台2×160kW风机送风 (风筒均为直径2m定制帆布袋) , 形成完整的风流系统, 后期送风从进厂交通洞进入。地下厂房开挖的施工排水主要利用潜水泵抽排至附近旁洞内布置的三级沉淀池, 经处理后回收利用。在靠近厂房部位的交通洞内, 系统规划布置了临时厕所, 专人维护清理。

杨房沟水电站地下厂房开挖从上至下共分为9层, 每层又在层内进行分序开挖。具体分层如表1所示。

第Ⅰ层采用先中导洞再扩挖的施工顺序。在中导洞开挖前期, 由原通风兼安全洞的断面逐步渐变至中导洞标准断面, 钻爆台车在此过程中要进行改造。中导洞开挖完成后, 再进行中导洞下卧2.5m (主要是拱肩设置有9m长预应力锚杆, 锚杆需钻孔角度及安装空间, 同时将上下游侧墙第1排预应力锚索的位置出露, 提前进行支护, 确保厂房整体稳定性) 。中导洞下卧完成, 再进行两侧拱肩扩挖。中导洞及两侧扩挖均采用手风钻钻孔, 周边光面爆破, 孔距50cm, 其中中导洞Ⅱ, Ⅲ类围岩循环进尺2.5～3.2m, Ⅳ类围岩循环进尺控制在2m左右, 中导洞形成后, 临时边墙采用锚杆 (25@2m×2m, 长3m) 进行临时加固防护;两侧扩挖Ⅱ, Ⅲ类围岩循环进尺3～3.5m, Ⅳ类围岩循环进尺控制在2.5m左右。中导洞下卧采用手风钻造竖直孔, 周边光面爆破, 开挖循环进尺为4m。厂房左、右端墙预留2～4m保护层, 保护层开挖分层进行钻爆, 端墙面采用手风钻预裂造孔, 预裂孔间距50cm, 确保端墙开挖面平整。整个地下厂房第Ⅰ层开挖均采用自制的钻爆台车作为操作平台。

第Ⅱ, Ⅲ层为岩锚梁层, 其开挖分层高度充分考虑了岩锚梁锚杆施工空间及混凝土浇筑施工需要。其开挖方法主要为采用中部拉槽, 两侧预留保护层进行扩挖的方式, 拉槽超前保护层30～60m, 品字形掘进, 开挖循环进尺均为10～15m。中部拉槽宽度20m, 两层高度共14.2m, 分2次进行, 第1次拉槽高度6m, 第2次拉槽高度8.2m, 拉槽临时边墙采用施工预裂, 主爆区采用梯段爆破, 预裂孔及主爆孔均采用7液压钻造孔。两侧保护层开挖共分5次 (2.6～3m) 进行, 其中第Ⅱ层保护层永久边墙侧采用手风钻垂直预裂, 主爆孔采用 (垂直于边墙布置) 水平推进的方式进行开挖;第Ⅲ层保护层均采用手风钻垂直钻孔, 光面爆破, 对陡倾角岩层可增设随机玻璃纤维锚杆, 进行提前锚固。为确保岩锚梁岩台部位开挖质量, 在其开挖前, 先完成下拐点带垫板的锁脚锚杆施工及下部边墙的喷锚支护, 岩台部位的造孔, 竖直面与斜面均需搭设样架, 精确定位, 其中竖直孔在第Ⅱ层保护层开挖完成后即可进行, 造孔完成后插38 PVC管并用棉纱堵塞孔口, PVC管顶部一律伸出孔口30cm高。岩台竖直孔与斜孔间距均为30cm, 根据试验效果, 选择竖直孔线装药密度59g/m、斜孔线装药密度69g/m进行固化。岩锚梁下拐点距离进厂交通洞顶拱岩层厚度仅为1.7m, 需分区控制爆破, 爆破前提前加固洞口段。在岩锚梁浇筑前, 提前完成第Ⅳ层边墙预裂。

第Ⅳ～Ⅶ层均分为上、下游半幅开挖的方式进行施工, 主要采用梯段爆破, 一次爆破成型, 边墙钻孔时搭设造孔定位样架, 确保边墙开挖成型质量。周边孔采用100Y进行钻孔, 孔径76mm, 间距65～70cm, 线装药密度400g/m左右;主爆孔采用7液压钻机造孔, 每循环进尺8～12m。在开挖施工前, 采用竹马道板做好岩锚梁混凝土保护, 同时加强爆破振动控制。

第Ⅷ层为机坑部位开挖, 分3区进行, Ⅷ1区为3m溜渣井 (与第Ⅸ层贯通) , Ⅷ2区为一次扩挖, Ⅷ3区为保护层开挖。溜渣井采用7液压钻竖向一次造孔, 一次爆破贯通, 爆破孔钻孔深度8.5m (底部预留50cm) , 中部布置12个贯通底部的90空孔。一次扩挖采用7液压钻钻孔, 梯段爆破。在岩隔墙顶部及侧墙部位预留保护层, 保护层开挖采用手风钻造孔, 侧墙保护层分层下挖, 分层高度约3.5m;岩隔墙顶部保护层水平钻孔, 采用平推方式。由于相邻两个机组之间的岩柱较薄, 为了保证机坑隔墙及尾水扩散段顶部岩体稳定, 两个相邻的机坑不能同时开挖, 需间隔进行。

第Ⅸ层由尾水扩散段进入, 在第Ⅷ层开挖前提前完成, 对开挖后形成的临时顶拱采用系统喷锚支护, 确保围岩稳定。第Ⅸ层也分为3区进行, Ⅸ1区为中导洞开挖, Ⅸ2区为扩挖, Ⅸ3区为机坑周围保护层开挖。第Ⅸ层开挖主要采用手风钻造孔, 周边光面爆破, 其中保护层分层下挖, 分层高度1.5～2.5m。机坑也间隔开挖。

各机组段的排水总管廊道开挖安排在相应机组的第Ⅸ层开挖结束后进行, 其中槽挖段随第Ⅸ层一起开挖。廊道采用手风钻钻孔, 光面爆破, 在其开挖前, 做好洞口的锁口支护。厂房集水井底板高程低于1号机组底板高程9.430m, 分2层开挖, 采用手风钻钻孔, V形梯段开挖, 从1号机组与集水井相接边墙部位开始降20%的斜坡, 往集水井上、下游侧边墙同时开挖, 集水井出渣尽量采用机械方式, 底部剩余部分采用起重机配合料斗方式进行出渣。

整个地下厂房的支护钻孔采用多臂钻或锚固台车, 喷混凝土采用湿喷台车, 支护随层跟进开挖掌子面, 尽量采用大型机械设备施工, 减少人工和排架。另外, 具体的钻爆参数根据现场试验或围岩分类确定。

厂房顶拱中导洞开挖至厂左0+5m区域, 中导洞顶拱出现掉块现象, 经地质勘察, 顶拱存在缓倾角断层f₄₉。结合有限元和组合块体进行分析论证, 由于f₄₉下盘发育多条中陡倾角断层, 可能形成多种块体组合, 所以采取了加强支护措施, 针对组合块体共增设20根预应力锚索、56根预应力锚杆以及其他带垫板锚杆等, 同时在块体区域增设了位移计和锚索测力计。根据实施后的监测情况反映, 厂房下部开挖对该潜在块体影响较小, 目前也处于稳定状态。

厂房顶拱中导洞上游侧扩挖 (厂右0+115—厂右0+118m) 施工过程中, 发生2次掉块。掉块岩体位于临江侧边墙, 所在部位两面临空, 应力相对集中, 但在应力持续调整及爆破钻孔振动的影响下, 不连续的隐性节理及短小裂隙逐渐扩展长裂, 直至贯穿引发掉块。安全警戒防护工作做好后, 采用机械排险, 随后对该部位 (扩大20～30m) 采用25@2m×2m, 长3m锚杆加强临时支护;后续开挖作业时严格执行“六排险”作业, 即“爆破后排险、出渣前排险、出渣中排险、钻孔前排险、钻孔中排险、装药前排险”, 确保现场施工安全。

第Ⅲ层全部开挖完毕后, 厂右0+66m洞段下游侧边墙浅层岩体累计变形达32.4mm, 超过安全预警值, 且该测点存在深层变形问题。该洞段发育顺洞向中倾角断层f₁₂₃和挤压破碎带j₁₅₀, 存在组合块体问题, 对下游边墙及岩锚梁稳定不利。通过孔内摄像确定了后缘优势结构面的位置, 现场采取预应力锚杆+预应力锚索的加强支护措施, 共增加46根预应力锚杆和16根预应力锚索。加强支护后, 目前该区域变形速率为0.01mm/d。

第Ⅲ层全部开挖完毕后, 下游边墙开挖揭露断层f₈₃及其影响带, 受断层、节理发育影响, 边墙岩体节理面出现蚀变现象, 表层岩体较破碎。同时, 在该区域岩锚梁上、下方分别发育有挤压破碎带j₁₄₅和和j₁₆₄, 在岩锚梁区域构成潜在块体, 对岩锚梁稳定不利。现场开展了补充物探和蚀变区域岩体抗压强度试验, 同时采取混凝土扶壁墙+预应力锚索的加强支护措施, 并在f₈₃影响蚀变区域的岩锚梁上、下各增设1个位移计。目前该区域变形已收敛。

母线洞出现裂缝共2次, 第1次是在厂房第Ⅳ～Ⅶ层开挖支护过程中, 母线洞内喷层出现环向裂缝;第2次是在厂房第Ⅷ, Ⅸ层开挖支护的同时, 母线洞内进行了底板超挖回填工作, 回填素混凝土C15, 回填混凝土浇筑后7～14d出现垫层裂缝。第1次裂缝出现后, 对现场系统性地开展了裂缝普查、松弛圈深度测试及原因分析等工作, 对母线洞边顶拱增加或加密了系统的预应力锚杆, 底板近厂房下游边墙0～20m区域采取系统锚杆支护;同时, 在厂房下游边墙增加了锚索, 母线洞与母线洞之间的岩柱也增设了对穿锚索。根据第2次裂缝检查及测试, 证明了第1次加固处理方案合适, 第2次裂缝仅在垫层混凝土上开展, 未发展至岩体 (第1次也未发展至岩体, 但该部位岩体松弛深度达8～9m) , 随着开挖结束, 裂缝开合度增长逐步降低, 趋于收敛。考虑到永久运行期对母线洞的要求, 后期将对母线洞采取固结灌浆措施, 封闭相应结构面或裂缝。

在厂房下挖期间, 顶拱存在局部喷层脱落现象 (共9次喷层脱落) 。通过清撬排查, 并未发现钢筋网断裂或非线性分布, 未见岩体鼓胀现象, 说明喷层脱落并不是由于顶拱围岩稳定问题而导致, 可能与下挖过程中岩体局部应力调整有关。现场全面排查及清理后, 顶拱部位全面覆盖主动防护网, 并增设主动网插筋加固;对脱落部位, 利用吊顶台车搭设排架, 对出露钢筋网区域采取短锚杆+局部重新挂网+复喷措施, 复喷厚度10cm;下部施工过程中, 加强施工监测, 并在有条件的部位增设长期观测孔, 确保工程和施工安全。

地下厂房安全监测采用永久监测与施工期临时监测相结合的方式进行, 永久监测共布置5个监测断面, 每个标准断面顶拱布置3个多点位移计, 上、下游边墙各布置4个多点位移计和3个锚索测力计。施工期临时监测布置了围岩变形收敛监测 (反光膜片或棱镜) , 物探检测主要有爆破振动监测、围岩松动圈测试、锚杆无损检测、锚杆应力检测等。开挖过程中, 64套位移计测值>50mm的有4个测点, 均位于下游边墙高高程部位, 占比6.25%, 其中最大值69.79mm, 速率为0.01mm/d。有3支锚索测力计超出设计荷载, 分别超出10%, 16.5%, 4.5%, 其最大增长速率0.7kN/d (仅1根) , 其他锚索增长速率均≤0.2kN/d, 与类似工程相比, 且经过复核计算, 超限锚索均处于安全可控状态。厂房共布置有97个锚杆应力计测点, >400MPa的4个, 占比3.09%, 顶拱1支已在附近补打了1支锚杆应力计, 并在该部位加强支护后, 补打的应力计测值为86MPa;另外3个测点均位于下游边墙高程1 965.500m, 现场已采取加强支护措施, 目前测值均较稳定。

1) 目前杨房沟水电站地下厂房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, 其施工方法合适。

2) 监测数据表明, 杨房沟水电站地下厂房围岩处于稳定状态, 工程安全。