沙灣電站壓力管道斜井施工綜述

王永紅, 王 寧, 王 永, 黃光平

(1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司第一分局,四川成都 610066;2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 海外事業(yè)部,四川成都 610066)

1 工程概況

沙灣水電站位于四川省涼山州境內(nèi)的理塘河上,為低閘引水式電站。電站由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐組成。壓力管道位于調(diào)壓井下游,為雙管埋藏式,在調(diào)壓井分為兩支,均為圓形斷面,壓力管道內(nèi)徑 為 4.2 m,分 別 長(zhǎng) 500.768 6 m、511.074 8 m,由上平段、斜管段、下平段組成,其中兩支斜管長(zhǎng)度均為 209 m,傾角為 60°,開挖支護(hù)后直徑為 5.4 m,如圖 1所示。

2 地質(zhì)條件

圖 1 斜井縱、橫剖面圖

斜管上彎段開挖揭露的地層為三迭系下統(tǒng)(T1l)新鮮 ～弱風(fēng)化板巖,優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面為層面裂隙,自壓力管道與蝶閥室交叉口向下游范圍裂隙面繡染較重、弱風(fēng)化,局部發(fā)育層間擠壓破碎帶及軟弱夾層,層間擠壓揉皺輕微,地下水不發(fā)育。

3 開挖程序及方法

一般來說,大傾角壓力管道只要能夠用反井鉆機(jī)開鑿導(dǎo)井就應(yīng)盡量采用,本工程斜井的傾角為 60°,剛好在反井鉆機(jī)的適用范圍內(nèi)。其施工程序?yàn)?自上而下鉆導(dǎo)孔(φ219)→自下而上鉆溜渣井 φ1 400)→自上而下井筒擴(kuò)挖(φ5 400)。整個(gè)斜井的導(dǎo)井開挖選用 LM300型反井鉆機(jī),擴(kuò)挖采用 YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔,渣體通過導(dǎo)井溜到下平洞,ZLC-50型裝載機(jī)裝 20 t自卸汽車出渣,由下平洞運(yùn)往渣場(chǎng),施工方法如下。

3.1 導(dǎo)井施工

(1)施工準(zhǔn)備。沙灣電站壓力管道上平段開挖斷面為 6.1 m×6.3 m。在上平段距反井鉆機(jī)10 m處的洞底板開挖一個(gè) 5 m3的循環(huán)水池(水池池口高程要低于反井鉆機(jī)底座),再用 M10砂漿抹面,泥漿泵放入循環(huán)水池中為正鉆和擴(kuò)孔供水。在反井鉆機(jī)和循環(huán)水池之間砌筑一條小水渠,反井鉆機(jī)返水后通過水渠流入循環(huán)水池中;反井鉆機(jī)基礎(chǔ)的澆筑是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié),先進(jìn)行一期混凝土的澆筑,一期澆筑時(shí)預(yù)留反井鉆機(jī)底腳螺栓坑,待機(jī)體就位并進(jìn)行初校后回填二期混凝土;考慮到反井鉆機(jī)在洞室內(nèi)的運(yùn)輸和裝卸難度較大,沙灣電站采用 20 t自卸汽車將反井鉆機(jī)運(yùn)輸至距斜井上彎段 18 m處的蝶閥室 PC300反鏟卸車,將其拖動(dòng)就位,再進(jìn)行最后的調(diào)整對(duì)位。

(2)造孔工藝。最終導(dǎo)孔能否鉆通且鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后是無法進(jìn)行中間檢測(cè)和控制的,只能依靠經(jīng)驗(yàn),針對(duì)不同的圍巖類別實(shí)施不同的主、副泵工作壓力(表 1)以及轉(zhuǎn)速,適時(shí)裝配穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行控制,當(dāng)感覺有偏斜時(shí)把鉆桿提起進(jìn)行灌漿,將偏斜段灌滿、待漿液凝固后再重新套孔。反井鉆機(jī)的鉆桿分為普通鉆桿(1 m)和穩(wěn)定鉆桿(1 m)兩種。穩(wěn)定鉆桿的作用是導(dǎo)向,防止鉆桿隨深度的增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大彎曲、過大擺幅,并起到穩(wěn)定的作用。

表1 鉆進(jìn)壓力統(tǒng)計(jì)表

(3)造孔質(zhì)量控制。反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵在于導(dǎo)孔的鉆孔質(zhì)量,鉆孔質(zhì)量主要是控制導(dǎo)孔的方向偏差,若偏差超過 D/2(D為壓力管道的開挖直徑)會(huì)導(dǎo)致鉆孔失敗;如果偏出下平洞,即便能貫通也會(huì)造成超挖嚴(yán)重及回填混凝土方量大等問題。沙灣電站采用的穩(wěn)定鉆桿的加設(shè)方法為:鉆進(jìn) 3 m時(shí)加設(shè) 1根,鉆進(jìn) 8～10 m時(shí)再加設(shè) 1根,然后每鉆進(jìn) 30 m加設(shè) 1根。鉆桿加設(shè)時(shí)一般采用副泵提供的較小動(dòng)力運(yùn)行,鉆桿絲扣之間力度適中,過緊容易損傷絲扣,過松鉆桿容易脫落,加鉆桿時(shí)由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員檢查鉆桿的絲扣是否損傷,對(duì)于有損傷的鉆桿不能用,防止其在鉆進(jìn)時(shí)鉆桿脫落,造成事故。

(4)導(dǎo)孔貫通誤差。應(yīng)用以上施工方法,沙灣電站的兩條斜井導(dǎo)孔貫通后均在開挖范圍內(nèi)(1#、2#斜井長(zhǎng)度均為 209 m,其中 1#斜井導(dǎo)孔偏離中心線 0.8 m;2#斜井導(dǎo)孔偏離中心線 1.2 m),給斜井的開挖和混凝土回填施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(5)返擴(kuò)鉆頭的安裝。反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工完成后進(jìn)行反擴(kuò)鉆頭的安裝,沙灣電站反擴(kuò)鉆頭的安裝是利用人工配合 ZLC-50型裝載機(jī)在下平洞對(duì)接完成的。斜井反擴(kuò)鉆頭的安裝是非常重要的一道工序。由于斜井角度大,反擴(kuò)鉆頭安裝完畢對(duì)露在導(dǎo)孔外部的鉆桿產(chǎn)生的彎矩很大;反擴(kuò)鉆頭在剛接觸到巖石時(shí)屬偏心受力,很容易造成鉆桿絲扣的斷裂,所以,在反擴(kuò)鉆頭安裝時(shí)應(yīng)盡量抬高,使露在導(dǎo)孔外面的鉆桿長(zhǎng)度縮短,將鉆桿受到的彎矩降到最低,并在開始反擴(kuò)時(shí)提升速度要慢,等到反擴(kuò)鉆頭受力均勻后再進(jìn)行正常提升。

3.2 斜井?dāng)U挖

(1)鎖口施工。溜渣導(dǎo)井施工結(jié)束后,開始自上而下擴(kuò)挖。采用水平工作面先進(jìn)行斜井鎖口段的施工,鎖口段的施工非常重要,鎖口段處理不好,井下施工的人員和設(shè)備安全沒有保障。沙灣電站的斜井鎖口段長(zhǎng)度定為 4 m,布置 8榀 I16工字鋼,每榀 8根 φ25,L=4.0 m的鎖腳(角)錨桿,噴 C20混凝土,厚 21 cm,工字鋼之間設(shè) φ25的連接筋,連接筋的間距為 1.0 m,將鎖口段的工字鋼連接到一起,使其整體受力,并對(duì)鎖口工字鋼定時(shí)、不定時(shí)的進(jìn)行觀察。

(2)斜井?dāng)U挖。斜井?dāng)U挖時(shí)采用 6臺(tái) YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔,周邊光面爆破,孔深 2～2.3 m。開挖時(shí)炮孔的布置要合理(圖 2),防止在爆破時(shí)渣體塊度太大而造成導(dǎo)井封堵、二次解爆等,爆破石渣由導(dǎo)井溜入下平段,從下平段用 ZLC-50型裝載機(jī)裝20 t自卸汽車出渣。若斜井在開挖過程中留有欠挖,在后期的處理中施工難度和安全隱患非常大,故在出渣完畢應(yīng)對(duì)本次開挖段進(jìn)行測(cè)量校核,如有欠挖及時(shí)處理,欠挖不嚴(yán)重部位用風(fēng)鎬鑿除,欠挖嚴(yán)重部位采用手風(fēng)鉆打孔裝小藥卷爆破的方法進(jìn)行處理。

圖 2 炮孔布置圖

(3)激光指向儀放線。斜井開挖到 50 m以上,測(cè)量放線的難度很大,測(cè)量?jī)x器看不到掌子面。沙灣電站的測(cè)量采用激光指向儀,激光指向儀固定在與斜井中心線相對(duì)應(yīng)的上平段洞頂,每次測(cè)量放線時(shí)將激光指向儀打開,激光射到斜井掌子面導(dǎo)井蓋的中心點(diǎn)上(導(dǎo)井口上設(shè)導(dǎo)井蓋),根據(jù)測(cè)量提供的圖紙,由中心點(diǎn)向掌子面四周擴(kuò)散放線,將炮孔定位標(biāo)記后再進(jìn)行正常的打鉆施工,并在斜井中布置校正十字叉,隨著斜井的開挖深度增加十字叉的數(shù)量(約 30 m設(shè)一個(gè)十字叉),每隔一個(gè)星期對(duì)激光指向儀校正一次,防止因爆破的震動(dòng)導(dǎo)致激光指向儀的指向偏移。

沙灣電站斜井采用激光指向儀測(cè)量放線,避免了超欠挖的出現(xiàn),每次放線時(shí)間縮短 40 min左右,為后續(xù)施工爭(zhēng)取了時(shí)間。

(4)“漏斗”形掌子面。沙灣電站斜井傾角大(60°),開挖直徑小,扒渣機(jī)械無法使用,開挖過程中扒渣時(shí)間太長(zhǎng)是影響進(jìn)度的主要原因,故沙灣電站采用“漏斗”形掌子面開挖(圖 3)。普通掌子面扒渣開挖每茬炮爆破 1.5 m左右,8個(gè)人分兩班輪換扒渣需 10 h左右,而采用“漏斗”形掌子面在爆破時(shí)有將近一半的渣自動(dòng)從導(dǎo)井溜走,扒渣時(shí)運(yùn)距短,體力消耗少,扒渣時(shí)間只需 5 h左右,并且在爆破過程中不容易造成導(dǎo)井封堵,每個(gè)循環(huán)節(jié)約 5 h。扒渣時(shí)上下保持聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)有導(dǎo)井封堵的可能時(shí)及時(shí)溝通,確認(rèn)未封堵后再繼續(xù)扒渣,若確定封堵后,馬上停止扒渣,對(duì)堵塞的導(dǎo)井及時(shí)進(jìn)行處理。

圖 3 “漏斗”形掌子面示意圖

(5)導(dǎo)井堵塞后的疏通處理方法。

①穹頂爆破法爆除堵塞體。待導(dǎo)井不掉渣后進(jìn)行作業(yè),用鋼管托舉炸藥爆破,鋼管接頭要固定牢固。炸藥要牢固地綁扎在鋼管的頂部,但不能綁在其頂端。用裝載機(jī)或反鏟向上頂送鋼管,邊頂邊接長(zhǎng)鋼管,人員要站在安全的位置,頂?shù)浇佑|堵塞體為止,頂送藥包時(shí)要防止頂送的力度太大而掉渣傷人或損壞鋼管和機(jī)械,鋼管固定好后人員迅速撤離,再起爆。

②自上而下掏除堵塞體。采用這種方法必須先安置卷?yè)P(yáng)出渣設(shè)備,每班作業(yè)前對(duì)卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行安全檢查,確定作業(yè)安全后方可工作,并且在工作中隨時(shí)保持作業(yè)安全。施工時(shí)嚴(yán)格按照出渣料斗先就位、作業(yè)人員再在下導(dǎo)井,作業(yè)人員先出導(dǎo)井后再提升渣料斗出渣的施工順序進(jìn)行施工循環(huán)作業(yè),作業(yè)人員必須正確佩戴安全帽、安全帶、防墜器等安全用品,導(dǎo)井內(nèi)作業(yè)時(shí),導(dǎo)井上口由專業(yè)人員看守,防止石塊等物品掉入導(dǎo)井內(nèi)傷人。

③吊爆法爆除堵塞體。作業(yè)人員把安全繩固定牢固后下到導(dǎo)井內(nèi),確認(rèn)安全后從堵塞體上方鉆孔,確認(rèn)打透堵塞體后在鉆桿內(nèi)插 φ8鋼筋,鋼筋送到下平段,在下平段把炸藥包固定在鋼筋上,將炸藥包拉到堵塞位置,然后將施工人員撤離到安全地帶后起爆;若第一次爆破沒有疏通導(dǎo)井,堵塞體穩(wěn)定后利用已插好的鋼筋再次進(jìn)行爆破。

4 斜井支護(hù)

4.1 支護(hù)前的準(zhǔn)備

大角度斜井支護(hù)作業(yè)中材料的運(yùn)輸難度很大,沙灣電站的斜井在開挖過程中設(shè)置了爬梯和卷?yè)P(yáng)軌道,爬梯設(shè)扶手(扶手設(shè)在軌道一側(cè),不妨礙軌道上小車的正常工作),主要用于作業(yè)人員的上下交通。爬梯和軌道隨開挖的進(jìn)度順接延長(zhǎng),爬梯和軌道應(yīng)離掌子面 10 m左右,防止爆破時(shí)把已安裝好的軌道和爬梯炸壞,剩余 10 m用掛梯掛在爬梯的踏步上,在爆破時(shí)將爬梯移到安全位置,軌道一定要焊接在預(yù)先打好的插筋上并且焊接牢固,同時(shí)必須滿足壓力鋼管安裝時(shí)鋼管的運(yùn)輸要求,在軌道上設(shè)小車(小車要焊牢固,必須封閉,保證其在運(yùn)送材料時(shí)不會(huì)掉落),小車用來運(yùn)輸鋼筋網(wǎng)片和錨桿,由 5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)作為小車的牽引,每班把所需材料先運(yùn)至工作面后作業(yè)人員再下斜井,避免卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)失靈傷人。

4.2 斜井支護(hù)

(1)錨桿、網(wǎng)片施工。在“漏斗”形掌子面上蓋鋼筋網(wǎng)片制作的導(dǎo)井蓋,導(dǎo)井蓋與“漏斗”外邊緣搭接 50 cm以上。根據(jù)沙灣電站斜井圍巖情況(大部分為Ⅳ類圍巖,局部為Ⅴ類圍巖)及開挖斷面,確定初期支護(hù)形式為錨噴支護(hù)(錨桿 φ25,L=3.0 m,鋼筋網(wǎng) φ6.5@20 cm×20 cm,噴射混凝土C20,δ=15 cm),錨桿和鋼筋網(wǎng)片施工時(shí)用小車把制作好的錨桿和鋼筋網(wǎng)片運(yùn)輸?shù)秸谱用?人工完成插錨桿和網(wǎng)片的焊接工作。

(2)噴混凝土支護(hù)。斜井開挖 30 m之內(nèi)時(shí)將噴錨機(jī)布置在井口,把噴錨管接到掌子面,直接進(jìn)行噴混凝土;當(dāng)開挖大于 30 m時(shí)噴錨料用φ150鋼管作為溜管從井口溜到掌子面,為防止鋼管磨破,每隔 20 m設(shè)一個(gè)緩降器,緩降器兩端焊接長(zhǎng) 50 cm的 φ150鋼管并焊接法蘭盤,用螺栓和溜管對(duì)接,溜管隨開挖的進(jìn)度始終順接到離掌子面約 10 m的位置,在溜管下面懸掛溜筒,溜筒的下端直接放在布置于掌子面的受料斗內(nèi)(圖 4),由人工上料在掌子面噴混凝土。錨噴支護(hù)根據(jù)開挖進(jìn)尺進(jìn)行,一般三茬炮支護(hù)兩次,第一茬炮不支護(hù),第二茬炮爆破完畢只扒一般的渣,加上第一茬炮垂直高度大約為 2.0 m左右,剩余部分和第三茬炮一起支護(hù)。

圖 4 下料系統(tǒng)及緩降器示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過沙灣電站斜井開挖及支護(hù)總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn):(1)反井鉆機(jī)的使用加快了導(dǎo)井的施工進(jìn)度,導(dǎo)井面光滑,在溜渣的過程中減小了導(dǎo)井堵塞的概率;(2)用激光指向儀測(cè)量放線,十字叉校正,縮短了放線時(shí)間,提高了開挖作業(yè)循環(huán)速度,避免了欠挖的出現(xiàn);(3)采用“漏斗”形掌子面,開挖過程中近 50%的渣在爆破過程中從導(dǎo)孔溜走,導(dǎo)孔不易封堵,扒渣時(shí)間縮短了 29d,加快了施工進(jìn)度;(4)斜井支護(hù)采用小車運(yùn)輸錨桿、鋼筋網(wǎng)片等,溜管、緩降器、溜筒作為管道運(yùn)輸噴混凝土料從而縮短了材料的運(yùn)輸時(shí)間,加快了施工進(jìn)度,降低了材料的磨損率,創(chuàng)造了效益。