金水河三級(jí)水電站壓力鋼管隧洞內(nèi)施工技術(shù)應(yīng)用

李強(qiáng)宗

(廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 510000)

1 工程概況

金水河三級(jí)水電站位于云南省金水河上，為引水式電站，工程的建設(shè)可滿足當(dāng)?shù)赜秒娦枨?，進(jìn)一步提升區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長。樞紐建筑物主要由攔河壩、引水建筑物(包括引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管)、地面廠房及升壓站等組成[1]。引水隧洞總長6288.717m，斷面為圓形，其中1#壓力引水隧洞長4030.753m，2#壓力引水隧洞長2253.964m。調(diào)壓井位于1#引水隧洞末端處，后接壓力鋼管。壓力鋼管總長347.855m，其中主管長330.108m，管徑3.6m，壁厚34mm；支管長17.747m，管徑2.0m，壁厚26mm。主管主要采用洞內(nèi)埋管，洞內(nèi)坡度為5.71°，其分段樁號(hào)及隧洞斷面型式見表1。

表1 壓力鋼管主管分段情況表

為保證工程順利引水發(fā)電，壓力鋼管在隧洞內(nèi)的成功貫通是項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因此須進(jìn)行科學(xué)的施工技術(shù)方案分析及質(zhì)量管控。壓力鋼管洞內(nèi)施工流程主要包括洞內(nèi)開挖及支護(hù)、鋼管運(yùn)輸及安裝、管周混凝土澆筑3個(gè)環(huán)節(jié)，結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)實(shí)際，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)方案及質(zhì)量管控要點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為我國水電站壓力鋼管的建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。

2 工程地質(zhì)條件

施工技術(shù)方案編制與工程場(chǎng)地地質(zhì)條件密切相關(guān)[2]。根據(jù)項(xiàng)目地勘報(bào)告，工程地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，工程場(chǎng)地8km范圍內(nèi)無活動(dòng)斷層，庫區(qū)無大于等于5級(jí)的地震活動(dòng)，抗震穩(wěn)定性好，因此工程場(chǎng)地屬于建筑物抗震有利地段。壓力管道沿線未發(fā)現(xiàn)明顯影響隧洞洞口穩(wěn)定的泥石流、滑坡等現(xiàn)象，適于引水隧洞的開鑿。隧洞沿線分布Ⅲ～Ⅴ類圍巖，局部洞段由于隧洞埋深較大，可能出現(xiàn)輕微～中等巖爆，影響深度為0.5～1m，對(duì)隧洞施工有一定影響。壓力管道為洞內(nèi)埋管，通過堵頭與隧洞相連接，鎮(zhèn)、支墩均置于洞內(nèi)強(qiáng)～微風(fēng)化變質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖、板巖之上，基礎(chǔ)較穩(wěn)定。根據(jù)沿線隧洞開挖情況，分段地質(zhì)描述見表2。

表2 壓力鋼管(洞內(nèi)段)地質(zhì)分段描述

3 關(guān)鍵施工技術(shù)方案

3.1 隧洞開挖及支護(hù)

根據(jù)圍巖情況及洞段部位不同，壓力鋼管的隧洞洞身主要采用常規(guī)噴錨支護(hù)，不良地質(zhì)洞段進(jìn)行襯砌支護(hù)或超前支護(hù)。對(duì)于洞身出口段，其局部穩(wěn)定性差，可能發(fā)生小～中等坍落，須噴混凝土或噴錨支護(hù)，拱頂設(shè)置系統(tǒng)錨桿。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及施工進(jìn)度安排，考慮隧洞開挖和支護(hù)同步進(jìn)行，具體施工程序可分為以下4種情況：

(1)支洞施工總體程序：施工準(zhǔn)備→支洞進(jìn)口測(cè)量→洞口明挖及洞臉支護(hù)→洞身開挖→支洞地質(zhì)素描→支洞支護(hù)施工。(2)明挖主要施工程序：巖面清理→初噴混凝土→錨桿施工→掛鋼筋網(wǎng)→噴混凝土→下層開挖。(3)一般洞段開挖施工程序：測(cè)量放樣→鉆孔→裝藥→聯(lián)網(wǎng)起爆→通風(fēng)排煙→安全檢查→出渣→安全處理→支護(hù)→掌子面清理→進(jìn)入下一循環(huán)。(4)穿過斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段開挖施工程序：測(cè)量放樣→鉆孔→裝藥→聯(lián)網(wǎng)起爆→通風(fēng)排煙→安全檢查→安全處理→頂拱初噴混凝土→設(shè)置系統(tǒng)錨桿→出渣→鋼支撐、頂棚、噴射混凝土(必要時(shí))→掌子面清理→進(jìn)入下一循環(huán)。

3.1.1洞臉開挖與支護(hù)施工

首先采用反鏟將洞臉表面覆蓋層開挖掉，然后對(duì)巖石進(jìn)行手風(fēng)鉆鉆爆。洞臉從上向下開挖過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，以防止雨水沖刷導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)[3]。根據(jù)地質(zhì)情況采用C25混凝土進(jìn)行洞臉噴護(hù)，并在局部巖石完整性較差的部位加打錨桿和噴砼支護(hù)。

3.1.2洞身開挖與支護(hù)施工

該項(xiàng)目施工支洞開挖斷面相對(duì)較小，故采用全斷面開挖方法，設(shè)計(jì)邊線采用光面爆破形成。開挖后及時(shí)檢查施工區(qū)域洞壁，并加強(qiáng)巖石的歷時(shí)變形監(jiān)測(cè)[4]。為保證場(chǎng)地圍巖穩(wěn)定，先對(duì)洞身進(jìn)行超前錨桿及鋼拱架臨時(shí)支護(hù)，隨后及時(shí)進(jìn)行C25鋼筋混凝土永久襯砌支護(hù)。

3.2 鋼管運(yùn)輸及安裝

隧洞開挖形成并防護(hù)穩(wěn)定后，可進(jìn)行壓力鋼管的洞內(nèi)運(yùn)輸及安裝工作。壓力鋼管分節(jié)制作，每節(jié)4m。在管道運(yùn)輸及安裝前，須及早準(zhǔn)備好運(yùn)輸與吊裝設(shè)備，以保證按計(jì)劃推進(jìn)施工。同時(shí)足額配備切割下料、除銹及焊接設(shè)備等，確保工程按計(jì)劃實(shí)施。場(chǎng)地內(nèi)應(yīng)備好動(dòng)力接線及開關(guān)，保證工程順利進(jìn)行。

3.2.1鋼管現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸

在運(yùn)輸滑行臺(tái)車支架上安置壓力鋼管如圖1所示，其軌道中心距為2m，前后各用2個(gè)千斤頂進(jìn)行鋼管就位微調(diào)。鋼管應(yīng)在運(yùn)輸臺(tái)車上固定牢靠，并將卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩與運(yùn)輸臺(tái)車進(jìn)行連接。之后用卷揚(yáng)機(jī)和叉車配合，在隧洞出口處將鋼管向洞內(nèi)牽引至指定位置。

圖1 壓力鋼管運(yùn)輸方案圖(注：圖示尺寸為mm)

3.2.2鋼管安裝

對(duì)壓力鋼管進(jìn)行逐節(jié)安裝，并采用全站儀監(jiān)測(cè)鋼管定位節(jié)(初始節(jié))的安裝數(shù)據(jù)，其偏差符合設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行鋼管的外支撐加固[5]。為確保鋼管在混凝土澆灌時(shí)不發(fā)生變位，在洞壁和管壁之間用14#槽鋼分8至16個(gè)點(diǎn)(定位節(jié))來支撐，并在每支撐點(diǎn)施打錨桿固定。鋼管的外支撐加固如圖2所示，安裝所需材料見表3。

圖2 壓力鋼管安裝外加固筋示意圖

初始定位節(jié)安裝完畢后，將第二節(jié)鋼管緩慢下放并移至定位節(jié)，用千斤頂將鋼管頂起后進(jìn)行微調(diào)，待安裝管節(jié)的各項(xiàng)尺寸符合要求后，即可進(jìn)行環(huán)縫對(duì)接。環(huán)縫的對(duì)接錯(cuò)位利用頂杠和千斤頂進(jìn)行調(diào)整，之后便可進(jìn)行鋼管對(duì)接環(huán)縫點(diǎn)焊(點(diǎn)焊長度為50～80mm，間距為300～500mm)。環(huán)縫點(diǎn)焊完畢即可進(jìn)行鋼管加固，并保證牢固可靠。在鋼管對(duì)接過程中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)鋼管的高程、樁號(hào)及中心變化。環(huán)縫組裝完畢后，可對(duì)鋼管組裝質(zhì)量進(jìn)行檢查和驗(yàn)收，合格后交焊工對(duì)其施焊。其余管節(jié)安裝方法類同。

3.3 管周混凝土澆筑

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，洞內(nèi)鋼管周圍的混凝土襯砌厚度為60cm，洞外明管段外包混凝土厚度為120cm，混凝土總量約為5447m3。管周混凝土根據(jù)鋼管安裝的進(jìn)度合理組織施工，其中明管段外包混凝土施工難度較小，按常規(guī)混凝土施工即可，堵頭及洞身采用微膨脹混凝土澆筑；洞內(nèi)管周混凝土澆筑應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)控制。

在鋼管周圍襯砌混凝土回填之前，須清除鋼管外表上的浮銹及其它有害物質(zhì)，在澆筑混凝土之前一直保持清潔[6]。鋼管周圍襯砌回填混凝土采用預(yù)埋泵送管分段澆筑如圖3所示，鋼管安裝20～30m后移交混凝土澆筑，具體分段長度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。為保證管周混凝土澆筑飽滿，每倉倉面內(nèi)預(yù)埋兩條泵送管，泵送管安裝在拱頂中心位置兩側(cè)(與灌漿檢查孔位置錯(cuò)開)，長短宜交錯(cuò)布置，其中長管距里側(cè)模板或混凝土面50～100cm。澆筑過程中主要使用短管進(jìn)行澆筑，長管兼顧排氣管使用，當(dāng)長管有混凝土漿液流出時(shí)將其封閉，隨后繼續(xù)泵送混凝土至鋼管周圍并澆筑完成。

圖3 倉面預(yù)埋泵送管示意圖

混凝土澆筑時(shí)，采用軟軸式振搗器進(jìn)行振搗，并加強(qiáng)鋼管底部和加筋環(huán)周圍部位的振搗，使混凝土達(dá)到最大密實(shí)度[7]。每層澆筑厚度控制在30～50cm，并保證管道左右對(duì)稱澆筑，均勻上升，混凝土層間澆筑間歇時(shí)間<90min且不得大于最早初凝時(shí)間。澆筑設(shè)備由有經(jīng)驗(yàn)的工人操作，以確?；炷聊鼙槐盟蛪喝霂r面的所有凹凸面內(nèi)，以填滿整個(gè)空腔。澆筑完成后，為不妨礙洞內(nèi)其余節(jié)的鋼管安裝，混凝土采取蓋麻袋灑水養(yǎng)護(hù)，早期潮濕養(yǎng)護(hù)不少于21d，炎熱季節(jié)應(yīng)延長至28d，以防止混凝土的早期塑性開裂。

表3 壓力鋼管安裝材料表

3.4 質(zhì)量管控要點(diǎn)

水電站壓力鋼管施工具有建設(shè)條件有限、施工流程復(fù)雜、特種設(shè)備交叉作業(yè)等特點(diǎn)，因此須對(duì)管道的主要施工環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)的質(zhì)量管控。施工前，項(xiàng)目部應(yīng)建立以項(xiàng)目經(jīng)理為核心的質(zhì)量保證體系，認(rèn)真把好圖紙會(huì)審關(guān)、方案編制關(guān)、設(shè)備驗(yàn)收關(guān)、施工工序質(zhì)量檢查關(guān)和質(zhì)量收集關(guān)，使施工質(zhì)量在各個(gè)環(huán)節(jié)上能得到有效控制[8]。同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)真對(duì)施工班組進(jìn)行技術(shù)交底，在施工過程中嚴(yán)格落實(shí)“三檢制”要求。結(jié)合金水河三級(jí)水電站壓力鋼管建設(shè)實(shí)際，其主要施工質(zhì)量管控要點(diǎn)如下：

(1)隧洞開挖施工前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)合理的爆破開發(fā)方案設(shè)計(jì)，并組織實(shí)施生產(chǎn)性試驗(yàn)，以確定爆破技術(shù)參數(shù)。結(jié)合試爆效果，對(duì)爆破方案進(jìn)行修正和完善以達(dá)到最優(yōu)產(chǎn)出。

(2)提升施工期圍巖變形及爆破震動(dòng)的監(jiān)測(cè)頻次，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果優(yōu)化開挖及支護(hù)設(shè)計(jì)，保證洞室和毗鄰巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可控。

(3)鋼管安裝主要在引水隧洞內(nèi)完成，周邊環(huán)境濕度較大，不利于鋼管焊接質(zhì)量控制。為了確保焊接質(zhì)量，所有焊縫均采用半自動(dòng)氣體保護(hù)焊和手工電弧焊。

(4)混凝土施工作業(yè)遵照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。為保證混凝土質(zhì)量符合要求，須加強(qiáng)進(jìn)場(chǎng)材料質(zhì)量管理和抽查檢測(cè)，嚴(yán)禁不合格材料的使用；在混凝土的配置過程中，必須保障混凝土配合比的科學(xué)性，并嚴(yán)格遵守相應(yīng)的施工規(guī)范與要求。

(5)混凝土澆筑中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注泵送過程是否出現(xiàn)堵塞，其常見堵塞原因一是泵送混凝土不合格，主要表現(xiàn)為混凝土離析、塌落度不符合要求或粗骨料粒徑過大；二是在泵送過程中，若每個(gè)泵送沖程的壓力高峰值隨沖程交替而交叉上升，在達(dá)到設(shè)定壓力后，正常的泵循環(huán)會(huì)自動(dòng)停止，主油路溢流閥會(huì)發(fā)出溢流聲；或在泵送過程中，出現(xiàn)泵壓力和油溫升高，管端出料困難或停止出料，就表明發(fā)生堵塞。堵塞后不得強(qiáng)行泵送，應(yīng)用木槌適度敲擊彎管及錐管部位，同時(shí)進(jìn)行1～2個(gè)反泵循環(huán)，就有可能排除堵塞。如仍然無效，則表明堵塞較嚴(yán)重，應(yīng)立即查明原因并處理。

4 結(jié)語

在系統(tǒng)分析金水河三級(jí)水電站地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力鋼管洞內(nèi)施工的技術(shù)方案及質(zhì)量管控要點(diǎn)進(jìn)行了論述，形成主要結(jié)論如下。

(1)引水隧洞在施工過程中，為確保圍巖穩(wěn)定，先對(duì)洞身進(jìn)行超前錨桿及鋼拱架臨時(shí)支護(hù)，隨后及時(shí)進(jìn)行C25鋼筋混凝土永久襯砌支護(hù)。

(2)壓力鋼管應(yīng)分節(jié)制作、運(yùn)輸和安裝，并重點(diǎn)控制洞內(nèi)安裝質(zhì)量。安裝完成后應(yīng)采用半自動(dòng)氣體保護(hù)焊和手工電弧焊確保潮濕環(huán)境下的焊縫質(zhì)量。

(3)混凝土澆筑前進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，澆筑中重點(diǎn)關(guān)注泵送過程是否出現(xiàn)堵塞，并在澆筑完成后注意養(yǎng)護(hù)到位。

(4)工程實(shí)踐表明，通過進(jìn)行科學(xué)合理的施工技術(shù)分析及質(zhì)量管控，可保證壓力鋼管施工滿足工期、安全及質(zhì)量要求，且運(yùn)行后無質(zhì)量缺陷產(chǎn)生。工程的實(shí)施，可為我國水電站壓力鋼管的建設(shè)積累現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)。