不良地質條件下壓力管道斜井的設計優(yōu)化與施工

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

1 工程概況

上通壩電站為閘壩引水式開發(fā)，額定引用流量106.29m3/s，額定水頭250m，裝機3臺，總裝機容量240MW。電站壓力管道采用埋藏式，由上平段、上豎井(由原上斜段設計更改)、中平段、下豎井(由原下斜段設計更改)、下平段組成，設計更改后主管總長955m，內徑5.2m，支管內徑2.8m，其中下豎井深125.66m(含上下彎段高度)。

管道圍巖為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組中段(T3t2)薄層狀泥質板巖，巖層產狀N32°W/NE∠80°～85°，局部直立。巖石質軟，遇水易軟化，為Ⅴ類圍巖，有地下水活動，以浸潤狀滲水為主，局部滴水。

2 原斜井設計方案

原壓力管道主管由上平段、中平段、下平段及兩個斜段組成。中平段中心線高程2967.5m，直段長137.0m；下斜段以管0+441.398為起點，與下平段采用60°斜井相連接，至管0+605.536處與下平段相接，長164.14m，轉彎半徑為20m；下平段中心線高程2841.54m，主管長309.9m。由中平段起，總長611.038m。壓力管道全線采用外包60cm厚的C20混凝土，全線采用固結灌漿，孔深3m，間排距3m。

原方案斜井布置主要考慮三個因素，一是從工程量和投資因素考慮以求軸線最短、費用最低；二是在原圍巖組成以硬質灰?guī)r為主的條件下，從施工安全上考慮同巖層走向盡量增大角度相交以利于施工成洞；三是從施工作業(yè)角度看，斜井方案改善了施工人員作業(yè)環(huán)境，有利于施工作業(yè)。

3 設計優(yōu)化前施工情況以及優(yōu)化的提出

3.1 設計優(yōu)化前施工情況

2015年5月14日下斜段上彎管開始反井鉆機就位準備工作，25日正式開始先導孔鉆孔，26日總進尺17m時，開始出現塌孔、卡鉆現象。承包商采取灌注砂漿處理，待凝后于5月31日恢復鉆孔僅進尺3m。6月1日再次塌孔、卡鉆并難以鉆進。塌孔采用摻入速凝劑和水玻璃的漿液分段灌漿加固，反復循環(huán)鉆進-灌漿-待凝-掃鉆過程。6月2日孔內灌漿待凝，6月3日掃孔至20m時再次塌孔，繼續(xù)灌漿處理并待凝后于6月5日總進尺至24m，塌孔后再次灌漿處理，6月8日施工進尺仍為24m，塌孔、卡鉆現象十分突出，工作難以推進。

3.2 設計優(yōu)化的提出

分析認為，鉆孔困難的主要原因是在不良地質條件下鉆孔工藝控制難以到位導致導孔發(fā)生偏斜，進而塌孔、卡鉆。下斜段圍巖為薄層狀泥質板巖，有地下水活動，巖石質軟破碎，在鉆孔作業(yè)影響下極易泥塑化，巖石強度不足以提供豎向支持力以抵消鉆桿自重。鉆進時，鉆桿推進的軸壓太高，由于鉆桿有一定的柔性，在自重荷載和軸壓的雙重作用下，容易發(fā)生彈性彎曲，造成孔向下偏斜。同時鉆桿靠在井壁的下側旋轉時發(fā)生嚴重摩擦，造成了井壁坍塌和卡鉆事故，嚴重時甚至會使鉆桿發(fā)生磨損和折斷。

在不良地質條件下，斜向鉆進對施工工藝要求高，容易產生塌孔、卡鉆現象，各方提出調整下斜段布置方案，由斜井調整為豎井方案。

4 設計優(yōu)化過程

4.1 設計變更方案

壓力管道主管由上平段、中平段、下平段及兩個豎井段組成。中平段中心線高程2967.5m，直段長131.0m；下豎井段以管0+435.398為起點，與下平段采用90°豎井相連接，至管新0+583.786處與新下平段相接，長148.38m，至管新0+645.601(原管0+605.536)處與原下平段相接，長210.2m，轉彎半徑為20m；下平段中心線高程2841.54m，主管長309.9m。由中平段起，總長651.10m，對比斜段方案，豎井方案長度增加約40.07m。具體布置詳見圖1。

圖1 豎井、斜段方案縱剖面

4.2 方案比選

4.2.1 地質條件

斜(豎)井均為薄層泥質板巖，屬Ⅴ類圍巖。巖體破碎，質軟，有地下水活動，圍巖自穩(wěn)條件差，圍巖地質特性沒有本質區(qū)別。

4.2.2 鉆孔工藝

原斜井方案：從上斜段鉆孔經驗看，盡管采取了孔外預固結灌漿加固、孔內灌漿護壁等措施，可能仍然存在鉆桿下沉，造成孔向下偏斜，進而塌孔、卡鉆等問題。

豎井方案：鉆機鉆進方向豎直向下，自重荷載產生的彎矩為零，將有效降低軸壓造成的鉆桿彎曲，反井鉆機的適用性更好，對施工單位的施工工藝，孔斜控制等要求可進一步降低，豎井方案是有利于反井鉆機成孔的。

4.2.3 結構布置

豎井方案線路增長約40m，壓力管道高水頭受力部分增長，因此相應板材重量及開挖支護工程量均比斜井方案有所增加，從結構布置角度看，原斜井方案略優(yōu)。

4.2.4 水頭損失

豎井方案較斜井方案沿程水頭損失增加0.1m，局部水頭損失增加0.06m，共計0.16m，水頭損失極小。

4.2.5 施工影響

斜井方案為60°斜坡相對利于施工作業(yè)。洞軸線與巖層傾向交角略大，利于成洞，但也存在頂拱塌方風險；豎井存在開挖切角導致井周失穩(wěn)風險；豎井方案工期略長，但相對可控。

4.2.6 費用分析

斜井方案為1162萬元，豎井方案為1558萬元，豎井方案高出396萬元。

4.3 方案選擇

豎井方案盡管工程量增加、投資高，但鉆機作業(yè)條件好、鉆孔工藝控制相對容易、工期可控，推薦采用豎井方案。

5 變更后的開挖施工

5.1 開挖方案

開挖采用“導井溜渣、自上而下、逐層開挖”的方式，由反井鉆機先進行D216mm先導孔施工，完成后更換D1.4m鉆頭進行反拉形成溜渣井，之后進行全斷面擴挖。

5.2 井身安全支護措施

(1)超前預固結灌漿：中軸線布置1孔，在1.4m導井開挖線向外偏移0.5m線上均勻布置4個灌漿孔，在豎井全斷面開挖線內側均勻布置10個灌漿孔，間距1.5m。

(2)井口鎖口：在豎井井口2964.3m～2962.3m高程段設置60cm厚C25混凝土鎖口，單層配筋。鎖口澆筑部位支護參數為掛鋼筋網φ6.5@20cm×20cm及系統(tǒng)錨桿φ25，L=3m，間排距1m×1m。

(3)溜渣井加固：在1.4m溜渣井底部增加I18鋼支撐作為臨時支護，間距0.8m。溜渣井底部段井壁設置φ25@1m，L=3m錨桿，噴10cm厚C20混凝土。溜渣井周圍的豎井底部掛鋼筋網φ22@20cm×20cm。

(4)全斷面下挖施工期系統(tǒng)安全支護方案：采用噴錨支護+鋼支撐的聯合支護型式，噴15cm厚C20混凝土，掛φ6.5mm@10cm×10cm鋼筋網，設置φ25mm砂漿錨桿，L=3m，I16環(huán)形鋼支撐@0.8m～1.0m。

(5)圈梁加固：為防止圍巖因局部塌落導致邊墻整體失穩(wěn)，每隔15m～20m設置一道環(huán)形C25鋼筋混凝土圈梁，圈梁井筒向高1m，厚度60cm，雙層配筋。

(6)開挖中特殊情況的處理：豎井2964.30～2949.80高程段圍巖破碎、滲水、穩(wěn)定性差，屬特殊Ⅴ類圍巖，成井條件差，采用φ42超前注漿小導管加固，環(huán)向間距視具體情況采用，長度為4.5m，排距2m。

5.3 開挖實施情況

φ216mm導孔二次施工于2015年12月1日再次開始，12月17日貫通，φ1.4m導井反提12月17日開始，1月5日完成；豎井全斷面開挖及支護，2016年1月23日開始，2016年11月9日完成。變更后從鉆孔的效果看，先導孔平均鉆速5m/d，溜渣井擴挖平均達到8m/d，塌孔及卡鉆現象不突出，成孔順利。井筒全斷面開挖支護措施到位，遇到險情及時處理，沒有發(fā)生大的塌井事故，井挖工作順利完成。

6 結語

上通壩壓力管道下斜井調整為豎井后，溜渣井反井鉆機法順利成孔，同時在有效的安全支護措施保護下井身開挖也順利完成。實踐證明，設計和施工緊密結合、互相兼顧是有利于工程推進的。同時在不良地質條件下，采取合理有效的支護措施后，深長豎井是可以實現安全施工的。