壓力管道斜井開挖施工技術(shù)在木坡水電站中的應(yīng)用

黨現(xiàn)宏

(黃河上中游管理局西安黃河工程監(jiān)理有限公司，陜西 西安 710021)

1 工程概述

木坡水電站位于四川省阿壩州小金縣境內(nèi)的撫邊河干流上，為撫邊河干流自下而上規(guī)劃的第3級(jí)電站。電站樞紐建筑物主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等組成。電站正常蓄水位2709.00m，死水位2705.00m，引水隧洞長(zhǎng)10074.07m，設(shè)計(jì)引水流量43.32m3/s，裝機(jī)容量3×15MW。

引水系統(tǒng)壓力管道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為421.625m，其中K0+029.227～K0+157.462段(長(zhǎng)136.93m)為傾角50°的斜管段，設(shè)計(jì)開挖斷面為直徑4.9m的圓洞，鋼管內(nèi)徑3.7m，混凝土襯砌厚度為60cm。

斜管段圍巖以T3Zh薄層、中厚層板巖為主，偶夾強(qiáng)風(fēng)化極薄層炭質(zhì)板巖，主要發(fā)育有N13°E/SE∠41°、N33°E/NW∠76°等多組構(gòu)造裂隙,巖體較破碎，裂隙發(fā)育，炭質(zhì)板巖中裂隙雜亂無序，為碎裂結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，地下水活動(dòng)顯著，致使圍巖穩(wěn)定性較差，以Ⅳ類圍巖為主。

2 施工工法

壓力管道斜管段原施工方案：采用吊籃法施工，“先導(dǎo)孔、后從下至上開挖導(dǎo)井、最后從上向下擴(kuò)挖”。上彎段采用地質(zhì)鉆機(jī)在斜管段溜渣井的下邊緣鉆孔2個(gè)，間距0.5m，鉆孔直徑為φ80mm，一個(gè)孔作為穿牽引繩用，另一個(gè)孔作為作業(yè)人員與卷揚(yáng)機(jī)操作人員通信線路用，作業(yè)人員和卷揚(yáng)機(jī)操作人員采用有線內(nèi)部電話進(jìn)行溝通。在上彎段安裝6t卷揚(yáng)機(jī)，用φ15.2鋼絞線作牽引繩，鋼絞線穿過斜管鉆孔，上部連接卷揚(yáng)機(jī)，下部連接施工吊籃，作業(yè)人員在施工吊籃內(nèi)進(jìn)行操作，施工吊籃在卷揚(yáng)機(jī)的牽引下不斷提升，從斜管段底部向上采用人工開挖，開挖直徑為φ2.0m的導(dǎo)井，上導(dǎo)井開挖完成后，從斜管段自上而下采用手風(fēng)鉆造孔進(jìn)行擴(kuò)挖，人工翻渣通過導(dǎo)井倒運(yùn)至下平洞，裝載機(jī)裝至5t自卸汽車，經(jīng)下平洞、壓力管道施工支洞運(yùn)至棄渣場(chǎng)。

在實(shí)際施工過程中，遇到局部圍巖穩(wěn)定性較差，隨時(shí)可能造成坍塌以及單向作業(yè)面開挖工作效率低等因素影響，導(dǎo)致施工工期大幅滯后。為解決問題，經(jīng)專家、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等人員的多次技術(shù)分析、討論評(píng)估，制定導(dǎo)井開挖采用“正導(dǎo)和反導(dǎo)開挖”相結(jié)合的施工方法。具體優(yōu)化調(diào)整方案如下：擴(kuò)挖采用自上而下的施工方法，上導(dǎo)井采用人工開挖，尺寸2.0m×2.0m,沿頂拱布置。采用卷揚(yáng)機(jī)提升小車軌道運(yùn)輸出渣至上平段，裝載機(jī)裝渣、5t自卸汽車經(jīng)交通洞運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。下導(dǎo)井開挖采用移動(dòng)式操作平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，開挖后的石渣通過導(dǎo)洞溜至壓力管道下平段，采用裝載機(jī)裝渣、5t自卸汽車經(jīng)下平洞運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。導(dǎo)井?dāng)U挖采用上而下的施工方法。

2.1 導(dǎo)井開挖施工

2.1.1 上導(dǎo)井正挖

a. 開挖順序。斜管段導(dǎo)井口開挖支護(hù)→斜管段導(dǎo)井開挖支護(hù)。

b. 開挖施工方法。

壓力管道斜管段導(dǎo)井口開挖采用手風(fēng)鉆一次開挖成型，采用光面爆破工藝，出渣方式采用挖掘機(jī)配5t自卸汽車運(yùn)至指定堆料場(chǎng)，井口澆筑一層50cm厚的C20混凝土，以保證導(dǎo)井施工安全。

壓力管道斜管段導(dǎo)井口開挖澆筑完畢后，即可從上而下進(jìn)行上導(dǎo)井井身開挖支護(hù)施工。開挖采用YT-28手風(fēng)鉆造孔，電雷管起爆，周邊光面爆破，每輪進(jìn)尺控制在1.0m左右，頂拱一次開挖成型。開挖后的石渣由人工裝渣至出渣小車，采用卷揚(yáng)機(jī)提升至上彎段，再用出渣汽車運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。起吊鋼架采用I16工字鋼制作而成，長(zhǎng)4.8m，寬2.0m，高3.8m，在起吊鋼架上設(shè)置定滑輪和鋼軌，用于提升出渣小車。出渣小車為KFU0.75-6U型翻斗式礦車，裝渣容量0.48m3。經(jīng)過計(jì)算， 6t卷揚(yáng)機(jī)提升出渣小車滿足施工需求。

導(dǎo)井施工的人工通道采用鋼筋爬梯，行走時(shí)必須系好安全繩。爬梯采用φ22螺紋鋼筋加工制作，寬0.3m，梯步高0.2m, 梯面距地5cm，單節(jié)長(zhǎng)2.0m，掛在底板的插筋上(每2m設(shè)置兩根φ22螺紋鋼筋，L=1.0m，與水平面夾角為80°，錨桿可兼作此插筋)，爆破前取下掌子面附近爬梯掛在側(cè)墻扶手插筋上，防止損壞。爬梯扶手采用φ22螺紋鋼加工制作而成，沿導(dǎo)洞側(cè)墻布置，固定在插筋上(φ22螺紋鋼筋，L=1.0m，間距1.0m，錨桿可兼作此插筋)，外露0.2m，插筋端頭水平偏上。

為了保證出渣時(shí)人員設(shè)備的安全，每10m在導(dǎo)洞左右兩側(cè)交替設(shè)置避險(xiǎn)洞，放置風(fēng)鉆等設(shè)備。避險(xiǎn)洞尺寸高×寬：2.0m×1.0m，洞深1.2m，噴素混凝土支護(hù)即可。

開挖后支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，Ⅳ類圍巖臨時(shí)支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土10cm進(jìn)行支護(hù)，以防止石塊坍塌掉落砸傷作業(yè)人員；其中在導(dǎo)井弧形段頂部，系統(tǒng)錨桿采用φ22mm、L=2.0m的M20普通砂漿錨桿，間距1.0m、排距1.5m交錯(cuò)布置，掛φ8mm@20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)；對(duì)于其他三面井壁，系統(tǒng)錨桿采用φ22、L=1.0m的M20普通砂漿錨桿，間距1.0m、排距1.5m交錯(cuò)布置，不采用掛網(wǎng)鋼筋。

對(duì)于局部圍巖較差的部位，采用向下打超前錨桿進(jìn)行預(yù)支護(hù)。超前錨桿采用φ22mm、L=3.0m的普通砂漿錨桿，必要時(shí)可采用φ25、L=3.0m的自進(jìn)式注漿錨桿，間距30cm，沿導(dǎo)井開挖邊線布置，外插角10°～15°。

2.1.2 下導(dǎo)井反挖

a. 開挖順序。斜管段導(dǎo)井口開挖支護(hù)→斜管段導(dǎo)井開挖支護(hù)。

b. 開挖施工方法。

壓力管道斜管段導(dǎo)井口開挖支護(hù)完畢后，即可從下而上進(jìn)行導(dǎo)井開挖支護(hù)施工。采用移動(dòng)式操作平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，操作平臺(tái)按導(dǎo)井尺寸采用φ22螺紋鋼筋為骨架加工制作，上鋪竹條板，8號(hào)鐵絲加固。操作平臺(tái)固定在洞壁的錨桿上，根據(jù)施工需要隨機(jī)移動(dòng)。開挖采用YT-28手風(fēng)鉆造孔，電雷管起爆，周邊光面爆破，每輪進(jìn)尺控制在1.5m左右，頂拱一次開挖成型。開挖后的石渣通過導(dǎo)井溜至壓力管道下平段，然后采用裝載機(jī)配合5t自卸汽車裝渣經(jīng)下平洞運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。

開挖后支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，由于受噴漿機(jī)作業(yè)限制，從壓力管道下平段向上開挖30m范圍內(nèi)支護(hù)參數(shù)同上導(dǎo)井正挖，30m范圍以外支護(hù)方式及參數(shù)與上述Ⅳ類圍巖相同。

導(dǎo)洞施工的人工通道采用鋼筋爬梯，鋼筋爬梯同上導(dǎo)井正挖。避險(xiǎn)洞設(shè)置同上導(dǎo)井正挖。

2.1.3 小結(jié)

上導(dǎo)井正反開挖相距10m時(shí)，反向開挖停止，采用正向開挖單面作業(yè)，直至貫通。

2.2 擴(kuò)挖施工

自上而下開挖方式：造孔、爆破、出渣裝運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)同下導(dǎo)井工序相同。

斜管段施工的人工通道采用鋼筋爬梯，鋼筋爬梯同上導(dǎo)井正挖。

斜管段擴(kuò)挖后，支護(hù)跟進(jìn)，Ⅳ類圍巖洞段臨時(shí)支護(hù)采用初噴射混凝土(5cm)+系統(tǒng)錨桿(φ22mm錨桿，間距1.0m，排距1.5m，L=2m，梅花形布置)+掛鋼網(wǎng)片(采用φ8鋼筋，間排距20cm×20cm)+再噴射C20混凝土(厚5cm)。擴(kuò)挖后針對(duì)前期導(dǎo)井開挖部位支護(hù)不足的，按以上支護(hù)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

比Ⅳ類圍巖更差洞段，增加工字鋼支護(hù),I14工字鋼拱架，中心間距1.0m，縱向采用φ22鋼筋連接，間距1.0m，拱架鎖腳固定錨桿沿拱架環(huán)向交錯(cuò)布置，間距1.5m，系統(tǒng)錨桿可兼作拱架鎖腳固定錨桿。針對(duì)不良地質(zhì)段洞挖采用超前錨桿支護(hù)。超前支護(hù)采用Ф25(L=3.0m)錨桿，間距20～30cm，上半拱120°范圍布置，外露長(zhǎng)度不大于20cm，仰角、外插角8°～12°，循環(huán)間距1.5m(搭接長(zhǎng)度不小于1.0m)。

壓力管道斜管段導(dǎo)井開挖示意圖如圖1所示。壓力管道斜管段導(dǎo)井支護(hù)圖如圖2所示。

3 施工重點(diǎn)、難點(diǎn)控制

根據(jù)壓力管道斜管段主要施工方法和工程特點(diǎn)，施工中控制的重點(diǎn)、難點(diǎn)主要有：

a. 施工用電安全控制。施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電設(shè)備和線路的安裝、巡檢、維修或拆除，必須由專業(yè)電工完成，并實(shí)施監(jiān)護(hù)；井下施工必須配置充足的照明設(shè)施，照明燈具的金屬外殼必須保護(hù)接零，單相回路的照明開關(guān)箱內(nèi)必須裝設(shè)漏電保護(hù)器。

b. 起吊出渣施工安全控制。高空作業(yè)必須規(guī)范佩戴安全帽、安全帶等安全用品，所有材料、設(shè)備必須固定可靠，防止墜落，嚴(yán)禁拋投工具、材料等；卷揚(yáng)機(jī)作業(yè)前必須對(duì)鋼絲繩、離合器、制動(dòng)器、保險(xiǎn)輪、體動(dòng)滑輪等進(jìn)行檢查，檢查卷揚(yáng)機(jī)、井架、吊盤有無異常，機(jī)身、井架是否牢固可靠，傳動(dòng)部位防護(hù)是否齊全有效，各部連接緊固件是否完好可靠；卷揚(yáng)機(jī)工作期間，操作人員必須嚴(yán)格按照指揮人員信號(hào)進(jìn)行操作，信號(hào)不明或可能引起事故時(shí)必須暫停操作，待弄清情況后方可繼續(xù)作業(yè)；每天對(duì)卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩、天輪、地滑輪、機(jī)架、出渣小車、軌道進(jìn)行安全檢查，對(duì)卷揚(yáng)機(jī)每周加一次油。

c. 施工材料設(shè)備運(yùn)輸控制。材料機(jī)設(shè)備運(yùn)輸時(shí)，

圖1 壓力管道斜管段導(dǎo)井開挖示意圖(單位：cm)

圖2 壓力管道斜管段導(dǎo)井支護(hù)(單位：cm)

現(xiàn)場(chǎng)要有專人指揮、監(jiān)督，做到指揮統(tǒng)一，人員要做到忙而不亂，保證人員和設(shè)備的安全；運(yùn)輸時(shí)必須將材料、設(shè)備捆綁牢固，符合要求，嚴(yán)格執(zhí)行不超寬、不超高、不超量的“三不超”規(guī)定。

d. 開挖支護(hù)施工安全和質(zhì)量控制。開挖過程中采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤測(cè)量”的方式。?爆破控制:嚴(yán)格控制爆破質(zhì)量和裝藥量，避免爆破導(dǎo)致井壁巖體松動(dòng)，每次爆破結(jié)束，通風(fēng)散煙后，必須對(duì)井壁進(jìn)行安全檢查，人工排險(xiǎn)后方可進(jìn)行后續(xù)施工作業(yè)。?支護(hù)控制:支護(hù)施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖情況適當(dāng)調(diào)整錨桿孔向，使錨桿與圍巖走向垂直。如遇圍巖地質(zhì)條件太差，在開挖前采用超前錨桿進(jìn)行預(yù)支護(hù)，開挖后采用鋼拱架支護(hù)，確保施工安全。噴射混凝土厚度必須滿足設(shè)計(jì)要求，在每次爆破作業(yè)后，都要對(duì)已經(jīng)錨噴支護(hù)的部位進(jìn)行安全檢查，對(duì)于出現(xiàn)裂縫、變形的部位，必須立即對(duì)其進(jìn)行加固處理，待加固處理安全后，方可施工。?超欠挖控制:根據(jù)擴(kuò)挖尺寸輪廓線進(jìn)行測(cè)量放樣，做到一炮一放樣，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員進(jìn)行書面交底；現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員根據(jù)測(cè)量放樣及掌子面巖石類別進(jìn)行孔位布置，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員再對(duì)班組進(jìn)行交底。鉆孔孔底充填20cm深柔性材料以保護(hù)開挖爆破面,孔底軟弱墊層(保護(hù)層)部位局部欠挖采用風(fēng)鎬修整至設(shè)計(jì)邊線。?洞軸線測(cè)量控制:由于壓力管道擴(kuò)挖支護(hù)施工難度大,洞軸線控制尤為重要,除正常進(jìn)行的每循環(huán)開挖支護(hù)測(cè)量控制,平時(shí)加密斷面檢查、復(fù)測(cè)頻率。斷面測(cè)量滯后開挖面5～10m，按5m間距進(jìn)行，每10m(或5天)進(jìn)行一次洞軸線的全面檢查、復(fù)測(cè)。

e. 施工通風(fēng)散煙。井下開挖支護(hù)作業(yè)時(shí)，必須始終保持工作面通風(fēng)，保證空氣流通。導(dǎo)井開挖利用前期蝶閥室交通洞和壓力管道下平洞開挖施工時(shí)已經(jīng)形成的供風(fēng)系統(tǒng)(1臺(tái)22kW的軸流風(fēng)機(jī)供風(fēng)),采用φ300mm的風(fēng)帶接入，在靠近斜管段處連接φ150mm的風(fēng)管將風(fēng)壓入掌子面，確保施工過程中通風(fēng)需求。斜管段導(dǎo)井開挖完成后，擴(kuò)挖施工通風(fēng)采用自然通風(fēng)。

4 進(jìn)度對(duì)比

根據(jù)原方案計(jì)算，斜管段導(dǎo)井開挖按1.0m/d進(jìn)行，擴(kuò)挖按1.0m/d進(jìn)行，各需138天，共計(jì)276天。方案調(diào)整后，斜管段導(dǎo)井開挖平均進(jìn)尺達(dá)1.8m/d，僅用76天完成開挖任務(wù)，比原計(jì)劃提前61天，斜管段擴(kuò)挖施工進(jìn)度平均進(jìn)尺達(dá)1.3m/d，僅用105天完成，比原計(jì)劃提前33天。

通過科學(xué)合理地調(diào)整方案，壓力管道斜井開挖超前完成計(jì)劃任務(wù)目標(biāo)，為后續(xù)壓力管道安裝爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間。

5 結(jié) 語

木坡水電站壓力管道斜井開挖支護(hù)施工經(jīng)驗(yàn)表明：應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)因地制宜，注重施工過程，不斷科學(xué)創(chuàng)新地調(diào)整施工工法，改進(jìn)工藝，合理優(yōu)化施工參數(shù)，優(yōu)選施工機(jī)具，這對(duì)指導(dǎo)施工并提高工作效率具有十分重要的意義。該工程導(dǎo)井開挖采用“正導(dǎo)和反導(dǎo)開挖”相結(jié)合的施工方法，不但確保了人身安全和工程質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)省了工程成本、提高了工作效率，為類似工程施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。