大斷面復(fù)雜體型壓力管道開挖控制技術(shù)

林開盛,段 斌,余俊良,張 杰

(1.國(guó)電大渡河雙江口工程建設(shè)管理分公司，四川省馬爾康市 624000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川省雅安市 625014)

0 前 言

壓力管道施工與工程地質(zhì)、圍巖分級(jí)、施工程序和方法、質(zhì)量控制手段等密切相關(guān)，在壓力管道工程施工前必須綜合考慮以上因素，并對(duì)施工方案進(jìn)行研究。本文以雙江口水電站在建壓力管道為例，系統(tǒng)研究其施工方案和質(zhì)量控制。雙江口水電站壓力管道斷面大、體型復(fù)雜，施工體型須跟進(jìn)洞軸線在空間三維持續(xù)變形，施工控制難度大。

1 工程概述

1.1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市、金川縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的上游控制性水庫(kù)工程，采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，壩體填筑總量約4 400萬(wàn)m3，壩頂高程2 510.00 m，電站裝機(jī)容量2 000 MW。引水發(fā)電系統(tǒng)布置于左岸，發(fā)電廠房采用地下式，廠內(nèi)安裝4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，采用“單機(jī)單管供水”及“2機(jī)1室1洞”的布置格局。4條壓力管道平行布置(見圖1和表1)，設(shè)計(jì)開挖斷面平均直徑為10.3 m的圓形斷面，襯砌成型后管徑8.3 m。

圖1 雙江口水電站壓力管道三維視圖

表1 雙江口水電站壓力管道特征長(zhǎng)度數(shù)據(jù)表 /m

1.2 地質(zhì)條件

壓力管道巖性為灰白色似斑狀黑云鉀長(zhǎng)花崗巖，局部偉晶巖脈較發(fā)育，巖體新鮮，洞壁大多干燥～潮濕，巖石堅(jiān)硬，巖體完整，多呈塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，巖體中地應(yīng)力高，考慮高應(yīng)力折減后，圍巖以Ⅲa類為主，成洞條件較好。

壓力管道處于高地應(yīng)力區(qū)，強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，且主地應(yīng)力方向與管道軸線交角大，對(duì)洞壁圍巖穩(wěn)定不利，施工中可能出現(xiàn)片幫、巖爆，須加強(qiáng)預(yù)防巖爆處理措施。

1.3 施工重難點(diǎn)

(1) 壓力管道地應(yīng)力方向與管軸線交角大，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，施工中可能出現(xiàn)片幫、巖爆，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

(2) 壓力管道漸變段存在沿N70°W/SW∠85°～88°產(chǎn)生的集中松弛裂縫，裂縫寬4～10 cm，洞頂?shù)嗡⒂蠳70°W/SW∠20°～25°結(jié)構(gòu)面切割，巖體較破碎，圍巖為Ⅳ類，成洞條件差，開挖成型是本工程施工控制重難點(diǎn)之一。

(3) 壓力管道空間彎管段為空間三維螺旋形結(jié)構(gòu)，施工體型須跟進(jìn)洞軸線在空間三維方向持續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，施工控制難度大[1]。

2 施工程序及方法

2.1 施工程序

壓力管道上平段開挖支護(hù)總體遵循4、2號(hào)與1、3號(hào)交錯(cuò)開挖的原則，主要施工程序?yàn)椋?/p>

施工準(zhǔn)備→洞口鎖口施工→洞口段開挖支護(hù)→空間轉(zhuǎn)彎段開挖支護(hù)→直線段開挖支護(hù)→上彎段開挖支護(hù)(部分)→洞內(nèi)下層石方反方向開挖(循環(huán))。

2.2 施工方法

2.2.1 漸變段開挖

方變圓漸變段長(zhǎng)17.604 m，由11.6 m×11.6 m方形漸變成直徑11.6 m的圓形。該段開挖分為上、下2層施工，上層高度8.9 m，下層高度2.7 m。洞口部位開挖采取先導(dǎo)洞后周邊光爆成型的方法施工。洞口成型后采用短進(jìn)尺爆破循環(huán)開挖，循環(huán)進(jìn)尺不超過(guò)2 m，確保漸變段成型質(zhì)量。

2.2.2 壓坡段開挖

4條壓力管道壓坡段均采用上、下分層斷面開挖，下層預(yù)留厚度2 m。上層由外向里掘進(jìn)，先中部掏槽，周邊采用光面爆破控制開挖輪廓；先完成上層開挖后，再由里往外進(jìn)行下層開挖，采用水平光面爆破開挖成型。

(1) 上層開挖鉆孔采用自制風(fēng)鉆臺(tái)車作業(yè)，YT28汽腿鉆造孔。

(2) 選用2號(hào)巖石乳化炸藥，人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，非電毫秒雷管簇聯(lián)分段微差控制爆破。

(3) 壓力管道上平洞段開挖過(guò)程中，隨機(jī)安全支護(hù)適時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)噴錨支護(hù)適時(shí)跟進(jìn)施工。不良地質(zhì)段則根據(jù)施工設(shè)計(jì)做好超前支護(hù)，洞挖在超前支護(hù)措施保護(hù)下作業(yè)。

2.2.3 空間轉(zhuǎn)彎段開挖

4條壓力管道空間轉(zhuǎn)彎段均采用上、下分層斷面開挖，下層預(yù)留厚度2 m。上層由外向里掘進(jìn)，先中部掏槽，周邊采用光面爆破控制開挖輪廓；先完成上平段全部上層開挖后，再由里往外進(jìn)行下層開挖，采用水平光面爆破開挖成型。

每個(gè)空間轉(zhuǎn)彎段開挖分為22個(gè)循環(huán)開挖，鉆孔前先測(cè)量計(jì)算偏移角度與鉆孔深度。按循環(huán)進(jìn)尺1.5 m考慮，標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)段左側(cè)最大鉆進(jìn)深度約1.7 m，右側(cè)邊墻鉆孔深度約1.3 m，由此達(dá)到空間轉(zhuǎn)彎的目的。具體循環(huán)進(jìn)尺以及偏移角度等參數(shù)詳見表2和圖2。爆破設(shè)計(jì)見圖3和表3、4。

壓力管道空間轉(zhuǎn)彎段開挖方法如下：

(1) 上層開挖鉆孔采用自制風(fēng)鉆臺(tái)車作業(yè)，YT28汽腿鉆造孔。

(2) 選用2號(hào)巖石乳化炸藥，人工裝藥、聯(lián)網(wǎng)，非電毫秒雷管簇聯(lián)分段微差控制爆破。

表2 壓力管道空間轉(zhuǎn)彎段開挖質(zhì)量控制參數(shù)表

圖2 壓力管道空間轉(zhuǎn)彎段鉆爆進(jìn)尺控制圖 單位：mm

圖3 空間轉(zhuǎn)彎段爆破布孔圖 單位：cm

開挖斷面/m2鉆孔總數(shù)爆破方量/m3總裝藥量/kg炸藥單耗/(kg·m-3)預(yù)期進(jìn)尺/m65.8612198.895.70.971.5

表4 鉆爆參數(shù)初設(shè)值表

(3) 空間轉(zhuǎn)彎段開挖過(guò)程中，為保證爆破成型質(zhì)量，需要對(duì)每循環(huán)進(jìn)尺角度和各部位鉆孔深度進(jìn)行控制，具體參數(shù)見表2和圖2。

(4) 壓力管道空間轉(zhuǎn)彎段開挖過(guò)程中，隨機(jī)安全支護(hù)適時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)噴錨支護(hù)適時(shí)跟進(jìn)施工。不良地質(zhì)段則根據(jù)施工設(shè)計(jì)做好超前支護(hù)，洞挖在超前支護(hù)措施保護(hù)下作業(yè)。

2.2.4 上彎段開挖

考慮斜井段施工反井鉆機(jī)作業(yè)平臺(tái)，需要在上彎段處進(jìn)行技術(shù)擴(kuò)挖以滿足反井鉆機(jī)作業(yè)空間需求，同時(shí)為保證后續(xù)斜井施工，需在上彎段頂拱設(shè)置天錨，以滿足卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)工作需要。

上彎段擴(kuò)挖區(qū)域?yàn)閺澏雾敳砍叽?4.37 m×9.9 m的三角部分，具體施工示意圖見圖4。

圖4 壓力管道上彎段開挖圖 單位：m

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)滑模系統(tǒng)總量約20 t，考慮人員及設(shè)備荷載，并按1.5倍安全系數(shù)，總牽引力按60 t計(jì)，天錨計(jì)劃布設(shè)4×?32 mm、L=6 m的錨筋，可滿足受力要求。具體天錨參數(shù)布置見圖5。

圖5 壓力管道上彎段天錨布置圖 單位：m

3 開挖質(zhì)量

3.1 質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1) 地下洞室開挖，測(cè)量放樣是關(guān)鍵。施工過(guò)程中，每個(gè)循環(huán)爆破鉆孔前均應(yīng)根據(jù)施工圖紙進(jìn)行測(cè)量放樣，并檢查上一循環(huán)超欠挖情況，測(cè)量結(jié)果及時(shí)反饋到相關(guān)部門及施工人員，以便指導(dǎo)后續(xù)開挖施工。

(2) 鉆孔質(zhì)量直接影響開挖效果。鉆孔施工采取定人、定機(jī)、定位的“三定”原則，即，將所有炮孔根據(jù)施鉆人數(shù)劃分責(zé)任區(qū)，實(shí)行“?？讓Ｈ藢ｃ@”，保證鉆孔質(zhì)量，同時(shí)也有利于炮后進(jìn)行每茬炮的質(zhì)量?jī)?yōu)劣分析及評(píng)比。

(3) 裝藥爆破質(zhì)量控制。光爆孔、預(yù)裂孔藥卷按爆破設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)要求捆綁于竹片上，不耦和裝藥系數(shù)應(yīng)大于1.5。光爆孔、預(yù)裂孔藥卷必須經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收合格后方可插藥入孔。裝藥過(guò)程中爆破班長(zhǎng)、技術(shù)員現(xiàn)場(chǎng)旁站，三檢員和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理隨時(shí)抽查或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。裝藥結(jié)束經(jīng)監(jiān)理簽發(fā)準(zhǔn)爆證后方可實(shí)施爆破。

(4) 爆破界面質(zhì)量檢查及參數(shù)調(diào)整。爆破開挖質(zhì)量按每排炮進(jìn)行檢查和評(píng)定，在下排炮的鉆孔前進(jìn)行。檢測(cè)項(xiàng)目包括：爆破半孔率、半孔平行度、平整度、超欠挖、排炮間錯(cuò)臺(tái)等，每排炮開挖爆破界面質(zhì)量檢查評(píng)定成果作為工法改進(jìn)的主要依據(jù)。同時(shí)依據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及爆破效果調(diào)整爆破參數(shù)，不斷提高開挖質(zhì)量。

(5) 嚴(yán)格控制空間轉(zhuǎn)彎段施工質(zhì)量，鉆孔前由測(cè)量計(jì)算偏移角度與鉆孔深度，循環(huán)進(jìn)尺控制在1.5 m以內(nèi)，且測(cè)量人員加密復(fù)核洞軸線。

(6) 開挖后及時(shí)支護(hù)，防止圍巖松弛變形失穩(wěn)；遇到斷層及不利結(jié)構(gòu)面及時(shí)采取有效防范措施，確保洞室圍巖穩(wěn)定及施工安全。

3.2 質(zhì)量控制效果

現(xiàn)場(chǎng)洞挖嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行開挖，加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量管控，取得了良好的開挖成型效果(見圖6)。

圖6 開挖效果圖

(1) 圍巖松動(dòng)范圍控制在20～120 cm，最大120 cm。

(2) 超欠挖質(zhì)量控制：壓力管道開挖共檢測(cè)189個(gè)斷面，947個(gè)點(diǎn)，無(wú)欠挖，平均超挖值12.4 cm(見表5)。

表5 雙江口水電站壓力管道超欠挖控制成果表

(3) 不平整度及半孔率質(zhì)量控制：壓力管道開挖共檢測(cè)189個(gè)斷面，3 255個(gè)點(diǎn)，最大值16.5 cm，平均值14.5 cm，檢測(cè)點(diǎn)合格率93.4%；檢查炮孔1 133個(gè)，半孔率92.2%(見表6)。

表6 雙江口水電站壓力管道不平整度及半孔率控制成果表

4 結(jié) 語(yǔ)

雙江口水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程壓力管道上平段施工，結(jié)合管道的結(jié)構(gòu)形式及實(shí)際條件，施工中多種開挖方式有效結(jié)合，并通過(guò)測(cè)量放樣、鉆爆工藝控制，取得了良好的成型效果，達(dá)到了超欠挖控制精度要求，減少?gòu)澒艹谂c混凝土回填量，節(jié)約工程成本，其施工參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)在其他類似工程中具有推廣借鑒意義。