靈關(guān)水電站壓力管道斜井開挖施工技術(shù)

李 東 強(qiáng)， 董 雪 梅， 孟 凡 朋

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

靈關(guān)水電站地處青衣江支流寶興河中游段，位于寶興縣靈關(guān)鎮(zhèn)小關(guān)子～大溪鄉(xiāng)煙溪口河段，上接小關(guān)子電站尾水，下接銅頭電站庫尾。電站由擋水建筑物、泄水建筑物、7.277 km長的引水隧洞、調(diào)壓井、調(diào)壓井前后漸變段、250 m長的壓力管道、主副廠房、安裝間、GIS樓及860 m長的尾水渠等建筑物組成。電站裝機(jī)容量為2×38.4 MW。

靈關(guān)水電站壓力管道采用埋管方案，采用一條主管分為2條支管( 對稱“Y”形分岔)向2臺機(jī)組聯(lián)合供水的方式以使水流進(jìn)入廠房時對稱均勻。壓力管道的管線全長240 m，由上平段、斜管段、下平段組成，鋼管在下平段分叉。

壓力管道采用鋼管外包鋼筋混凝土(C20微膨脹混凝土)的型式，混凝土襯厚除管道始端10m長之內(nèi)為1 m外，其余均為60 cm。埋管外包混凝土與基巖接觸部分全線管道頂部120°范圍采用回填灌漿，管道圍巖全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿。

壓力管道的斜井布置及設(shè)計支護(hù)情況見圖1。

2 壓力管道斜井的開挖及支護(hù)

圖1 靈關(guān)水電站壓力管道剖面圖

2.1 施工規(guī)劃及施工程序

由于靈關(guān)水電站壓力管道的斜井坡度為45°，且其地質(zhì)條件極差，在無輔助手段的情況下難以成井，故不適用于采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井開挖。因此，在上彎段開挖及臨時支護(hù)完成后，先采用人工從上自下開挖了一個3 m×3 m城門洞型導(dǎo)井[1](頂部弧型與壓力管道設(shè)計開挖斷面相對應(yīng))，導(dǎo)井貫通后再自上而下由人工利用YT-28手風(fēng)鉆造孔，采用鉆爆法施工，人工扒渣溜至下彎段，柳工50C裝載機(jī)裝渣至下平洞口裝15 t自卸汽車經(jīng)2#機(jī)改道公路運(yùn)至渣場。

無論是導(dǎo)井開挖或斜井?dāng)U挖，施工過程中均須適時跟進(jìn)并加強(qiáng)鉆爆前的超前支護(hù)及鉆爆后的臨時支護(hù)，以確保施工過程中人員、設(shè)備的絕對安全。所采用的臨時支護(hù)措施為：鉆爆前超前錨桿、鉆爆后及時素噴C20混凝土封閉巖面，再架工字鋼或格柵拱架并進(jìn)行錨噴臨時支護(hù)[2]。遇垮塌部位時及時回填灌漿充填，防止垮塌事故的進(jìn)一步加大。

2.2 施工布置[2，3]

(2)施工用風(fēng)、水、電。施工用的風(fēng)、水、電均由上、下平段就近位置直接引入工作面即可。

(3)通風(fēng)散煙。斜井導(dǎo)井施工時采用壓入式通風(fēng)，導(dǎo)井貫通后為自然通風(fēng)。

(4)施工排水。導(dǎo)井施工的排水由潛水泵抽至6#+1支洞后自流出洞外煙溪溝內(nèi)，擴(kuò)挖時由下平洞自流至洞口，由潛水泵經(jīng)集水坑抽排至煙溪溝內(nèi)。

2.3 開挖方法

2.3.1 導(dǎo)井施工

從斜井?dāng)U挖施工的安全角度考慮，斜井導(dǎo)井采用正井法上導(dǎo)井施工，開挖時保證頂部按設(shè)計斷面開挖并及時跟進(jìn)臨時支護(hù)，以減少擴(kuò)挖時的重復(fù)支護(hù)和對頂部的擾動。卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)參考《水電建設(shè)》期刊2006年第2期(總第64期)中《軟弱圍巖斜井開挖施工》一文中卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)進(jìn)行布置。卷揚(yáng)機(jī)選型為JM-5型電動卷揚(yáng)機(jī)。

(1)鉆爆開挖。人工持YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，周邊光面爆破，楔形掏槽方式，孔深1～1.2 m，周邊孔孔距為30～40 cm，崩落孔間距為50～70 cm，人工裝2#巖石乳化炸藥，非電毫秒雷管爆破，周邊孔原則上采用導(dǎo)爆索光面爆破。局部段內(nèi)由人工持鎬直接挖鑿成型。人工裝自制裝渣料斗，由卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)經(jīng)槽鋼軌道拖至上彎段卸料，小四輪或膠輪斗車接料運(yùn)至附近存放，裝載機(jī)裝15 t汽車運(yùn)至渣場(圖2)。

在鉆爆過程中，始終遵循“短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、循序漸進(jìn)”的原則進(jìn)行施工。

(2)安全支護(hù)。由于導(dǎo)井開挖支護(hù)的重要性及該處地質(zhì)條件的特殊性，項目部對整個斜井段導(dǎo)井開挖堅持超前錨桿、錨噴支護(hù)、工字鋼拱架或格柵拱架相結(jié)合的支護(hù)原則。支護(hù)參數(shù)為：①鉆爆前，在開挖邊線以外10 cm按4°～5°打入φ25@30 cm，L=3 m的超前錨桿，超前錨桿的壓接長度以不小于150 cm為宜；②爆破后立即噴5 cm厚C20混凝土封閉巖面，然后按70 cm左右間距架設(shè)鋼筋格柵拱架，打入φ25，L=3 m鎖腳及固拱錨桿，然后加掛φ6.5@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)，再噴10 cm厚的C20混凝土進(jìn)行支護(hù)[4，5]；③對特別差的地質(zhì)條件洞段，將超前錨桿改為注漿花管，打入后及時注漿預(yù)固結(jié)，然后再鉆爆開挖并支護(hù)，或?qū)⒏駯殴凹芨臑镮16工字鋼拱架。

圖2 靈關(guān)水電站壓力管道斜井導(dǎo)井施工示意圖

為了保證導(dǎo)井頂部在后期擴(kuò)挖過程中的絕對安全，頂部鎖拱錨桿的施工質(zhì)量尤為關(guān)鍵，不僅要保證錨入深度，并且要保證藥卷的飽滿度，而且錨桿與拱架之間的焊接質(zhì)量亦至關(guān)重要。施工過程中必須安排專人進(jìn)行專項檢查。

2.3.2 斜井?dāng)U挖施工

斜井導(dǎo)井開挖、支護(hù)完成后，隨即進(jìn)行壓力管道斜井?dāng)U挖的施工。由于地質(zhì)條件太差，由下至上擴(kuò)挖安全威脅太大，故只能采用單頭進(jìn)尺多斷面(垂直于軸線方向)同時跟擴(kuò)挖的方式進(jìn)行。

擴(kuò)挖過程中，將上半圓有意識地領(lǐng)先一定距離，讓導(dǎo)井口始終略低于后面，以利將扒渣面形成一個前低后高的面。

斜井?dāng)U挖情況見圖3。

圖3 靈關(guān)水電站壓力管道斜井?dāng)U挖示意圖

(1)爆破擴(kuò)挖。人工持YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，周邊光面爆破，楔形掏槽方式，孔深1.5～1.8 m，周邊孔孔距為40～60 cm，輔助孔間距為70～90 cm，人工裝2#巖石乳化炸藥，非電毫秒雷管爆破，周邊孔原則上采用導(dǎo)爆索光面爆破。局部段內(nèi)由人工持鎬直接挖鑿成型。

(2)安全支護(hù)及清渣。爆破后由人工及時扒除兩側(cè)邊墻部位的爆渣，及時噴5 cm厚C20混凝土進(jìn)行巖面封閉，人工抬格柵拱架至工作面沿原導(dǎo)井頂拱拱架對應(yīng)分段順弧接下，然后根據(jù)需要打、灌φ25，L=3 m鎖拱錨桿，與拱架作牢固焊接后再加掛φ6.5@20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片，再噴10 cm厚C20混凝土進(jìn)行支護(hù)[4，5]。為了盡可能地保證拱架的整體性，將拱架斷面垂直于軸線方向，整榀拱架分2～3次接下。然后再由人工扒除掌子面爆渣沿導(dǎo)井溜下。

在實際施工過程中，由于斜井坡度為45°，而且?guī)r石為薄層粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖偶夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖，巖石質(zhì)軟，爆渣難以沿溜渣面自然溜至下彎段出渣面，經(jīng)常有將導(dǎo)井堵住的現(xiàn)象發(fā)生。為此，采用了水力沖渣的方法，很好地解決了這一難題，使工人的勞動強(qiáng)度得到了很大程度的降低。

3 質(zhì)量與安全控制

在整個導(dǎo)井開挖和斜井?dāng)U挖施工過程中，安全和質(zhì)量控制絕不能忽視。

(1)安全方面。爆破過程中，“短進(jìn)尺、多循環(huán)、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、循序漸井”的原則必須貫徹始終，安全支護(hù)參數(shù)的確定和支護(hù)的及時性必須有效予以落實，切忌盲目追求進(jìn)尺而忽略安全，任何僥幸心理都可能造成難以挽回的安全事故。

施工過程中，每位施工人員上、下斜井時都應(yīng)有意識地對沿途已支護(hù)好的部位進(jìn)行觀察，對變形部位及時告知相關(guān)人員，以便對其進(jìn)行及時、有效的處理，保證施工人員和施工設(shè)備的安全。

施工設(shè)備的選型必須滿足施工需要，并且要保證相應(yīng)的安全系數(shù)。使用過程中必須由專人負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按操作規(guī)程操作。

(2)質(zhì)量方面。對錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土的質(zhì)量必須嚴(yán)格把關(guān)。拱架的焊接質(zhì)量至關(guān)重要，其關(guān)系到整榀拱架的整體性，亦關(guān)系到整個斜井在開挖過程中、壓力鋼管運(yùn)輸和安裝過程中以及后期回填混凝土施工的長期安全。焊接后由質(zhì)檢人員進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，不合格焊縫未經(jīng)處理不能進(jìn)行下道工序的施工，必須堅持“寧慢勿松”的原則。

由于壓力管道的開挖牽涉到后期壓力鋼管的運(yùn)輸，所有的鋼管均須由下平洞拉進(jìn)并逐節(jié)到位，必須要求開挖斷面絕不能有欠挖現(xiàn)象存在，且處理欠挖對已支護(hù)好的拱架等均有相當(dāng)大的安全威脅，因此，在開挖控制過程中有意識地對開挖斷面在設(shè)計斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的放大(半徑增加15 cm左右)，進(jìn)而保證了后期壓力鋼管的順利運(yùn)輸。

4 結(jié) 語

靈關(guān)水電站壓力管道斜井工程于2008年6月開始進(jìn)行導(dǎo)井施工，2008年11月3日貫通并開始斜井?dāng)U挖，2009年3月完成擴(kuò)挖。施工過程中，針對工程地質(zhì)情況的特殊性，采取了上導(dǎo)井開挖然后進(jìn)行斜井?dāng)U挖并及時跟進(jìn)安全支護(hù)的施工方案。在支護(hù)過程中，針對特殊洞段采用了注漿花管先注漿、后開挖或在支護(hù)后再注漿等系列措施，壓力鋼管已全部安裝完畢，斜管段、上、下彎段回填混凝土已全部澆筑完畢，施工過程中無人員、設(shè)備安全事故發(fā)生。實踐證明：在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件、特殊結(jié)構(gòu)的壓力管道斜井開挖過程中，所采取的質(zhì)量、安全措施行之有效，所選定的支護(hù)參數(shù)可行。