水庫壩下放水涵管穿越巖層施工技術(shù)

王 瑤，葉施菁，葉國平

(浙江省水利水電建筑監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 310020)

水庫壩下放水涵管是水利工程中的重要輸水建筑物[1]。我國早期筑壩時(shí)，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件限制，壩下涵管構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度普遍偏低，這些構(gòu)件經(jīng)多年運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，造成壩體滲漏，甚至影響壩體穩(wěn)定，對大壩安全造成不利影響。因此，在對病險(xiǎn)水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)，針對壩下涵管進(jìn)行鞏固或者重建是大壩除險(xiǎn)加固的必備項(xiàng)目之一[2]。

水平定向鉆進(jìn)鋪管技術(shù)是一種現(xiàn)代非開挖施工新技術(shù)，主要用于穿越河流、公路、鐵路、建筑物等障礙物鋪設(shè)各種管線，具有“質(zhì)量優(yōu)、工期短、安全性高、施工擾民少”等優(yōu)點(diǎn)[3]。

近年來，該技術(shù)在水庫除險(xiǎn)加固中應(yīng)用廣泛。南洞水庫新建放水涵管，需要穿越巖層。為避免施工對壩體的擾動(dòng)，影響大壩安全，不采用大開挖、爆破等傳統(tǒng)方法施工，選用非開挖定向鉆管道穿越巖層施工技術(shù)，工程完工后效果良好，可供類似工程參考。

1 工程概況

南洞水庫綜合整治工程位于舟山市定海區(qū)干覽鎮(zhèn)新建社區(qū)內(nèi)，水庫于1958年興建，1964年續(xù)建，集雨面積2.28km2，引水面積0.96km2，水庫正常蓄水位78.92m，總庫容195.52萬m3，小(一)型水庫，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)。

水庫原放水隧洞Φ400鑄鐵管，正常水位工況下，放水流量為0.94m3/s。為保證壩身安全，封堵原放水隧洞，新建一條放水涵管，軸線布置在右壩肩管理房以外處，洞長度為148.30m，選用直徑DN630mmPE給水管，進(jìn)口底高程57.23m，壩后出口底高程56.5m，進(jìn)出口高差0.73m，設(shè)計(jì)坡降為0.49%，如圖1所示。施工主要內(nèi)容包括土石方明挖、定向鉆孔、埋設(shè)PE管、洞口砼襯砌、充填灌漿、起閉設(shè)施安裝及原放水隧洞封堵，共計(jì)7項(xiàng)。

圖1 新建放水管道進(jìn)出口位置示意圖

2 技術(shù)原理

放水管道穿越施工是采用安裝于地表的鉆孔設(shè)備，鉆入地層形成先導(dǎo)孔，然后將先導(dǎo)孔擴(kuò)徑至所需大小并敷設(shè)管道的一項(xiàng)技術(shù)，在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能，簡稱HDD[4]。

先導(dǎo)孔是由水平定向鉆機(jī)提供推力和扭矩，利用鉆頭和動(dòng)力工具，沿設(shè)計(jì)軌跡路徑，采用螺桿鉆具，不斷切削鉆進(jìn)地下巖層，利用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)鉆探，在接收坑出土，完成導(dǎo)向孔鉆進(jìn)作業(yè)。

導(dǎo)向孔成形后，更換大尺寸鉆頭(鉆頭尺寸逐次增大)進(jìn)行反復(fù)擴(kuò)孔。終孔完成后，管道連接在擴(kuò)孔器鉆頭尾部、鉆桿連接擴(kuò)孔鉆頭頭部，通過定向鉆機(jī)動(dòng)力回拉鉆桿，回拖管道，全部鉆桿回拉到發(fā)射坑時(shí)管線鋪設(shè)工作完成。

該技術(shù)適用于水庫除險(xiǎn)加固工程放水涵管改造、水電站壓力管道改造、農(nóng)村農(nóng)飲水輸水管道穿越河流、公路、鐵路等；適用于管徑Φ200mm～Φ1100mm的鋼管、PE管，最大鋪管長度達(dá)1500m；適用于軟土到硬巖多種土壤條件[5]。

3 流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1施工準(zhǔn)備

(1)施工前，復(fù)核踏勘地形、地面上建(構(gòu))筑物、障礙物、地下管線等。

(2)測量放樣，標(biāo)出進(jìn)出口高程、中心線、位置，先導(dǎo)孔軌跡設(shè)計(jì)。

(3)進(jìn)出口段采用挖掘機(jī)開挖，強(qiáng)風(fēng)化巖采用鎬頭機(jī)鑿除，開挖產(chǎn)生的土石方采用隨挖隨運(yùn)的方式，進(jìn)口段挖方用于填筑壩前圍堰，出口段挖方用于填筑壩后臨時(shí)便道，便于鉆機(jī)進(jìn)出場地，施工結(jié)束后挖除，并運(yùn)至棄渣場地，并平整地面。

(4)定向鉆孔前，大壩上游工作面采用明挖方式形成，為了方便拖PE管，平臺(tái)尺寸為垂直鉆孔軸線方向?qū)?m，平行鉆孔軸線方向的長度為14m。

(5)壩后鉆機(jī)操作平臺(tái)采用明挖方式形成，平臺(tái)尺寸由鉆機(jī)設(shè)備長度和首段鉆桿長度控制，垂直鉆孔軸線方向?qū)?m，平行鉆孔軸線方向的長度為12m，平臺(tái)總面積72m2，鉆機(jī)平臺(tái)高程56.00m。

(6)設(shè)備選型，設(shè)備進(jìn)場。綜合考慮施工場地、地層條件、敷設(shè)管線直徑和長度等因素，選用中型水平定向鉆機(jī)，最大扭矩27kN·m，最大推拉力480kN，如圖3所示。

圖3 設(shè)備就位

3.2.2鉆孔施工

(1)鉆孔自出水口(壩后)開始，向進(jìn)口鉆進(jìn)，形成先導(dǎo)孔，孔徑Φ160mm定向鉆頭在鉆機(jī)的推力作用下，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)切削地層，按設(shè)計(jì)鉆孔軌跡前進(jìn)，完成整個(gè)導(dǎo)向孔的鉆孔作業(yè)。

(2)導(dǎo)向孔完成后，卸下鉆頭及控向系統(tǒng)，接上擴(kuò)孔器，采用巖石牙輪，對導(dǎo)向孔逐級(jí)擴(kuò)孔，分7級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔，如圖4所示。擴(kuò)孔器第一級(jí)Φ320mm、第二級(jí)Φ400mm、第三級(jí)Φ500mm、第四級(jí)Φ600mm、第五級(jí)Φ700mm、第六級(jí)Φ800mm、第七級(jí)Φ900mm，擴(kuò)孔至終孔孔徑0.9m。

3.2.3回拖管施工

(1)擴(kuò)孔完成后，對孔洞進(jìn)行清洗，將切削下來的巖屑等沖洗出洞，如圖5所示。

(2)清洗完畢后，采用拖拉方式安裝PE管進(jìn)洞，如圖6所示。拖管前，PE給水管就位，將管材按照設(shè)計(jì)長度全部焊接安裝完畢，一切準(zhǔn)備工作就緒后開始回拖，回拖時(shí)連續(xù)進(jìn)行，一氣呵成，中間不得停頓，直至成品管線在鉆機(jī)側(cè)為止。

(3)回拖時(shí)入洞點(diǎn)、出洞點(diǎn)兩邊必須要加強(qiáng)聯(lián)系，協(xié)調(diào)配合將管線敷設(shè)到預(yù)定位置，一次性成功穿越。

圖4 擴(kuò)孔

圖5 孔洞沖洗

3.2.4充填灌漿施工

(1)鋪管完成后，由于輸水管道與孔洞間存在較大的間隙，為防止間隙滲水，采用拔管灌漿方式對洞、管之間空隙進(jìn)行充填灌漿處理，如圖7所示。

(2)灌漿開始前應(yīng)全面檢查灌漿材料與設(shè)備，包括壓力表、拌儲(chǔ)漿系統(tǒng)、壓漿管、灌漿泵等。

(3)灌漿從下游開始，注滿一段后，將注漿管拔出一段，逐步完成整個(gè)過程的注漿。灌漿機(jī)啟動(dòng)后開始灌漿，灌漿壓力控制在0.3～0.5MPa，當(dāng)壓力達(dá)到0.5MPa時(shí)，停止灌漿，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況將灌漿管拔出一段后繼續(xù)灌漿。

(4)再次灌漿壓力保證在0.3MPa以上，待灌漿壓力再次達(dá)到0.5MPa時(shí)，再將注漿管拔出一段，重復(fù)以上循環(huán)過程，完成整個(gè)灌漿。

(5)灌漿過程中漿液流速控制在0～45L/min，當(dāng)灌漿量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，終止灌漿[6]。

圖6 拖PE管進(jìn)洞

圖7 充填灌漿處理

4 材料與設(shè)備

材料情況見表1。

表1 材料情況表

設(shè)備情況見表2。

表2 設(shè)備情況表

5 質(zhì)量控制

施工應(yīng)執(zhí)行CECS 382—2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術(shù)規(guī)程》、SL 62—2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。

(1)管材一般采用高密度聚乙烯管(HDPE管)，應(yīng)符合GB/T 13663.2—2018《給水用聚乙烯(PE)管材》標(biāo)準(zhǔn)。

(2)PE管抗拉強(qiáng)度應(yīng)能承受施工中的回拖力，環(huán)剛度應(yīng)滿足在回拖、灌漿過程中及回拖、灌漿完成后管材不發(fā)生徑向變形，抗拉強(qiáng)度、允許荷載應(yīng)通過計(jì)算確定。

(3)PE管熱熔焊接接頭質(zhì)量應(yīng)通過檢驗(yàn)，并進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

(4)灌漿通常采用普通硅酸鹽水泥，水泥的品質(zhì)應(yīng)符合GB175的標(biāo)準(zhǔn)。

(5)鉆孔導(dǎo)向鉆測控儀和信號(hào)發(fā)射器在每次施工前進(jìn)行一次標(biāo)定，誤差控制在+5%D，每鉆進(jìn)3米進(jìn)行一次停鉆定位測量，以保證精度和施工安全。在鉆進(jìn)過程中，為了防止鉆頭偏離設(shè)計(jì)軌跡而發(fā)生事故，必須對其進(jìn)行有效監(jiān)控，實(shí)施糾偏。

(6)預(yù)擴(kuò)孔尺寸分級(jí)進(jìn)行，由小到大逐級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔，不越級(jí)。

(7)擴(kuò)孔及清孔成功后，回拖前應(yīng)對鉆機(jī)、泥漿泵等設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)和小修，要將孔內(nèi)鉆(擴(kuò))孔所切削下來的巖屑清洗干凈，并對定向鉆孔進(jìn)行一次清孔作業(yè)，保證孔洞內(nèi)無碎石、無堵塞、無尖銳的棱角。

(8)為保證灌漿質(zhì)量，灌漿應(yīng)連續(xù)作業(yè)，勿隨意中斷灌漿作業(yè)。為確保灌漿漿液達(dá)到一定壓力，整個(gè)灌漿過程中灌漿管均需埋在漿液內(nèi)，以填補(bǔ)巖層縫隙。

(9)灌漿壓力、漿液水灰比、結(jié)束條件、封孔應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)做好管道變形觀測[7]。

6 安全與環(huán)保

6.1 安全措施

(1)施工安全要符合SL 399—2007《水利水電工程土建施工安全技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。施工機(jī)械的使用應(yīng)符合JGJ 33—2012《建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。

(2)施工前對作業(yè)人員進(jìn)行環(huán)保與安全交底，未參加交底的人員不準(zhǔn)進(jìn)入工地施工，進(jìn)入工地均佩戴好安全帽等防護(hù)用品。

(3)操作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，熟練機(jī)械操作性能，經(jīng)考核取得操作證后上機(jī)操作[8]。

6.2 環(huán)保措施

(1)施工現(xiàn)場應(yīng)符合JGJ 146—2013《建設(shè)工程施工現(xiàn)場環(huán)境與衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

(2)定向鉆機(jī)等噪聲源設(shè)備在使用過程中，嚴(yán)格采取有效的隔聲措施；定向鉆機(jī)、施工車輛尾氣排放滿足環(huán)保部門的排放標(biāo)準(zhǔn)才能使用；禁止排放施工油污，避免有害物質(zhì)污染土地和周圍環(huán)境。

(3)嚴(yán)禁在施工現(xiàn)場焚燒任何廢棄物和會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體的垃圾和廢物；有效控制揚(yáng)塵，對易揚(yáng)塵的材料及裸露場地進(jìn)行覆蓋，設(shè)置車輛沖洗設(shè)施，做到凈車出場，防止揚(yáng)塵。

(4)施工現(xiàn)場采取防止泥漿、污水、廢水污染環(huán)境措施，設(shè)置沉淀池，經(jīng)處理系統(tǒng)處理合格后排放[9]。

7 施工效果

7.1 安全性

非開挖定向鉆管道穿越巖層施工技術(shù)全部采用機(jī)械施工，作業(yè)安全性高，對壩體擾動(dòng)少。傳統(tǒng)的大開挖、爆破等施工方法，作業(yè)安全性相對較差，易造成人員傷害。另外，爆破振動(dòng)對壩體產(chǎn)生擾動(dòng)，影響大壩整體安全及周邊建筑物安全。

7.2 施工效率

采用非開挖方式施工，施工效率高，耗時(shí)10天就完成了148.30m放水涵管的巖層穿越。采用大開挖、爆破等施工方法，約需40天工期，施工效率低，同時(shí)影響水庫蓄水及民眾用水。

8 結(jié)語

(1)該技術(shù)通常與注漿技術(shù)聯(lián)合使用，具有對壩體、建筑物、構(gòu)筑物等擾動(dòng)小，避免滲漏，能夠縮短工期，不受季節(jié)、河流汛期等影響，減少施工過程的組織協(xié)調(diào)及征遷賠償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

(2)該技術(shù)具有占地面積小、設(shè)備移動(dòng)速度快、操作簡單、開挖工程量小、對天氣適應(yīng)性強(qiáng)，避免了爆破等危險(xiǎn)作業(yè)，對周邊環(huán)境和居民影響小。