毛爾蓋水電站壓力管道斜井段施工技術(shù)

黃曉華，何其剛，袁赟

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司一分局，四川都江堰611830)

1 工程概況

毛爾蓋水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內(nèi)黑水河中游的紅巖鄉(xiāng)至俄石壩河段，是黑水河流域水電規(guī)劃二庫(kù)五級(jí)方案開(kāi)發(fā)的第3個(gè)梯級(jí)電站，該電站為大(2)型引水式單一發(fā)電工程。毛爾蓋電站單機(jī)容量140 MW，總裝機(jī)容量420 MW。該電站壓力管道為地下埋藏式，采用聯(lián)合供水的布置方式，由上平段、斜井段、下平段和岔支段組成，斜井段總長(zhǎng)211.61 m，其中包括上彎段28.2 m，斜直段154.62 m，下彎段28.79 m，斜井段設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑8.2 m，鋼管內(nèi)徑7 m，與水平面的夾角為55°。

壓力管道穿越地層為二疊系P、三疊系下統(tǒng)菠茨溝組(T1b)、三疊系中統(tǒng)雜谷腦組(T2Z1)之中厚層結(jié)晶灰?guī)r、千枚巖等。結(jié)構(gòu)面以節(jié)理裂隙為主，小斷層或順層擠壓破碎帶發(fā)育。巖層產(chǎn)狀N60°～70°W/NE∠75°～80°，優(yōu)勢(shì)節(jié)理有3組:①N60°～80°/SE∠65°～85°，②N30°～50°E/SE∠20°～40°，③N70°～80°W/NE∠60°～80°。間距一般為0.2～0.6 m，裂隙多平直、光滑，②組延伸較長(zhǎng)，傾向坡外，對(duì)穩(wěn)定不利。斜井段巖體千枚巖出露，層狀結(jié)構(gòu)，圍巖整體穩(wěn)定性差，見(jiàn)圖1。

2 施工技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)分析

(1)壓力管道工程開(kāi)挖直徑為8.2 m，角度55°，該角度為反井鉆機(jī)施工的臨界極限角度。施工期間如何保證反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔施工快速、準(zhǔn)確的與壓力管道下平段順利貫通是首先需要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

圖1 壓力管道布置示意圖

(2)工程所在地位于“5.12”汶川大地震震區(qū)范圍之內(nèi)，斜井段圍巖地質(zhì)情況受地震影響，圍巖裂隙普遍張開(kāi)，裂隙水發(fā)育，出露千枚巖遇水泥化，開(kāi)挖質(zhì)量難以控制且臨時(shí)安全支護(hù)施工難度增大。

(3)壓力管道斜井段深達(dá)211.61 m，加之其開(kāi)挖坡度陡，開(kāi)挖施工期間臨時(shí)支護(hù)材料的運(yùn)輸困難。如何保證支護(hù)施工的連續(xù)性，為開(kāi)挖提供安全保證是工程施工組織的難點(diǎn)。

3 主要施工技術(shù)

3.1 斜井超前預(yù)固結(jié)灌漿

施工期間，根據(jù)地質(zhì)勘探及相關(guān)地質(zhì)調(diào)查表明，壓力管道斜直段上部120 m巖體以千枚巖為主，圍巖裂隙發(fā)育，呈鑲嵌～碎裂結(jié)構(gòu)，巖體穩(wěn)定性及整體性差，以Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖為主。針對(duì)以上惡劣的地質(zhì)條件，為保證反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔施工的順利進(jìn)行及施工期安全，提高斜井開(kāi)挖質(zhì)量，在反井鉆機(jī)施工前，先進(jìn)行壓力管道超前預(yù)固結(jié)灌漿施工。

斜井超前預(yù)固結(jié)灌漿根據(jù)實(shí)際施工需要共設(shè)置了4個(gè)孔，其中包括周邊孔3個(gè)，中心孔一個(gè)，固結(jié)灌漿孔成孔孔徑為110 mm，單個(gè)孔深120 m，采用XY－2型地質(zhì)鉆機(jī)鉆設(shè)。鉆孔完成后，利用壓力循環(huán)水對(duì)孔內(nèi)裂隙進(jìn)行沖洗，清除固結(jié)范圍內(nèi)裂隙中的填充物。灌漿采用自上而下分段灌漿法。正式灌漿前，首先選定中心孔作為生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)孔，確定灌漿分段長(zhǎng)度為5 m，灌漿壓力不超過(guò)0.5 MPa。灌漿材料采用PO42.5水泥，選用3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1五個(gè)比級(jí)，由稀到濃變漿灌注，直至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，灌漿過(guò)程采用自動(dòng)記錄儀全程監(jiān)控。

從后期斜井開(kāi)挖情況看，出露的圍巖多處大量發(fā)現(xiàn)水泥漿脈，圍巖破碎帶及軟弱帶連接完整，水泥充填密實(shí)，達(dá)到了預(yù)期目的，超前預(yù)固結(jié)灌漿效果較好。

3.2 斜井導(dǎo)井施工

3.2.1 反井鉆機(jī)施工

斜井先導(dǎo)孔施工選用LM300型反井鉆機(jī)，施工前先采用C20混凝土澆筑反井鉆機(jī)基礎(chǔ)，混凝土基礎(chǔ)頂面與水平面夾角為35°，以使反井鉆機(jī)機(jī)身與水平面呈55°。基礎(chǔ)澆筑時(shí)在兩側(cè)各預(yù)留1個(gè)50 cm×50 cm×100 cm二期坑，以滿足反井鉆機(jī)底板螺栓加固要求?；A(chǔ)形成后，利用反井鉆機(jī)軌道，輔助10 t手拉葫蘆牽引就位。機(jī)身就位時(shí)，選擇機(jī)身四個(gè)角點(diǎn)作為測(cè)量控制點(diǎn)，調(diào)整機(jī)身位置，使上排、下排控制點(diǎn)分別位于同一樁號(hào)、同一高程。反井鉆機(jī)就位后，安裝底板螺栓，進(jìn)行二期混凝土澆筑。

二期混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，隨即開(kāi)始進(jìn)行先導(dǎo)孔施工。反井鉆鉆進(jìn)過(guò)程中，每天檢測(cè)機(jī)身上4個(gè)控制點(diǎn)上的相對(duì)位置，且在施工過(guò)程中，為避免反井鉆機(jī)震動(dòng)過(guò)大造成軸線偏移，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度，每天鉆進(jìn)深度不大于10 m。采用以上方法控制后，反井鉆機(jī)施工質(zhì)量得到明顯提高，先導(dǎo)孔貫通時(shí)僅偏離軸線100 cm。反井鉆機(jī)的糾偏措施主要包括:

(1)鉆孔偏斜程度和方向非常有規(guī)律，可采取偏置鉆機(jī)的方法來(lái)糾正預(yù)計(jì)的偏斜。移動(dòng)鉆機(jī)安裝的距離和方向可根據(jù)本地以前施工獲得的經(jīng)驗(yàn)而定。在鉆進(jìn)中，如遇到巖層向更硬的巖層過(guò)渡時(shí)，同時(shí)降低鉆壓和轉(zhuǎn)速將有助于鉆頭以直線的方式鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層，避免出現(xiàn)偏斜轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)穩(wěn)定鉆桿進(jìn)入新巖層后，即可恢復(fù)原來(lái)的鉆壓和轉(zhuǎn)速。

(2)在鉆進(jìn)中發(fā)生不規(guī)則或意外的偏斜時(shí)，可采用變化鉆具組和變化鉆壓的方法來(lái)糾偏，也可以利用潛孔馬達(dá)和一個(gè)彎接頭來(lái)糾偏，還可以采用堵塞偏孔、重新鉆孔的方法解決偏斜。堵塞鉆孔系指用純水泥將變向點(diǎn)至孔底一段進(jìn)行充填并使之凝固。

(3)對(duì)于從地面開(kāi)鉆的深孔和鉆孔精度較高的鉆孔，常采用定向鉆井法鉆導(dǎo)井，如采用戴納鉆具。采用戴納鉆具鉆進(jìn)時(shí)，鉆具組不旋轉(zhuǎn)，鉆壓也很低，潛孔馬達(dá)靠液能驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，短接頭和鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，將控制鉆進(jìn)方向的元件加在潛孔鉆具的上部，這樣實(shí)施定向控制裝置就能比較容易地控制鉆孔精度。

3.2.2 導(dǎo)井人工擴(kuò)挖

導(dǎo)井施工完成后，泄渣導(dǎo)井直徑僅為1.4 m。為避免由于泄渣口狹小導(dǎo)致開(kāi)挖期間堵井，經(jīng)綜合考慮后，決定將導(dǎo)井直徑由人工擴(kuò)挖至2.5 m。導(dǎo)井人工擴(kuò)挖采用自下而上的施工方法，YT－28手風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔間排距1 m，呈輻射狀布置，鉆孔裝填2#巖石乳化炸藥，非電雷管起爆。鉆孔一次鉆設(shè)完成，采用分段爆破的方式進(jìn)行，即一次性完成斜井段人工擴(kuò)挖的全部鉆孔施工，每20 m段爆破一次。施工中為保證人員安全，采用鋼筋+鋼板制作簡(jiǎn)易小車(chē)進(jìn)行施工，同時(shí)考慮到導(dǎo)井內(nèi)空間狹小、通風(fēng)不足，施工過(guò)程中利用空壓機(jī)送風(fēng)。

3.3 斜井?dāng)U挖施工

斜井開(kāi)挖采用平面分區(qū)、立面分層的開(kāi)挖方式，循環(huán)鉆進(jìn)。斜井開(kāi)挖平面分兩區(qū)，立面分層高度2 m，采用YT－28手風(fēng)鉆造孔，周邊孔預(yù)裂爆破，主爆孔間距1.5 m，預(yù)裂孔間距60 cm，爆破完成后，人工扒渣至泄渣導(dǎo)井，石渣經(jīng)導(dǎo)井下泄至下平段，ZLC50裝載機(jī)裝車(chē)，15 t自卸汽車(chē)運(yùn)送至指定渣場(chǎng)。每層開(kāi)挖完成后，立即進(jìn)行素噴混凝土施工，素噴厚度5 cm，隨后進(jìn)行錨桿、鋼支撐等臨時(shí)支護(hù)施工，最后再?lài)娮o(hù)20 cm厚混凝土。完成支護(hù)施工后，再進(jìn)行下層開(kāi)挖施工。擴(kuò)、開(kāi)挖過(guò)程中，主要控制措施包括:

(1)在開(kāi)挖施工前，詳細(xì)查閱設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)設(shè)計(jì)修改通知，收集并整理放樣資料，繪制放樣圖。對(duì)放樣點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行復(fù)查、量測(cè)，放樣過(guò)程完成后，及時(shí)對(duì)外業(yè)放樣過(guò)程及數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查。

(2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)，調(diào)整并優(yōu)化爆破參數(shù)。確定在開(kāi)挖區(qū)段內(nèi)不同地質(zhì)條件下的各項(xiàng)爆破參數(shù)，為開(kāi)挖爆破設(shè)計(jì)提供最佳設(shè)計(jì)依據(jù)，以提高爆破效果，保證開(kāi)挖質(zhì)量;調(diào)整爆破有關(guān)參數(shù)，不斷優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)。

(3)鉆孔孔位依據(jù)測(cè)量定出的中線、腰線及開(kāi)挖輪廓線確定;周邊孔在斷面輪廓線上開(kāi)孔，沿輪廓線的調(diào)整范圍和掏槽孔的孔位偏差不大于5 cm，其它炮孔孔位的偏差不得大于10 cm。

3.4 支護(hù)施工

(1)系統(tǒng)支護(hù):壓力管道支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)采用錨桿+掛網(wǎng)+噴混凝土聯(lián)合支護(hù)形式，錨桿由原設(shè)計(jì)的φ25、L=4.5m調(diào)整為φ28、L=6 m，錨桿間排距1.5 m，梅花型布置。考慮到壓力管道鋼管安裝空間僅為60 cm，故在錨桿施工期間，將外露端嚴(yán)格控制在10 cm以內(nèi)。掛網(wǎng)部分施工采用φ8鋼筋現(xiàn)場(chǎng)編制、固定，鋼筋網(wǎng)間距20 cm×20 cm，噴混凝土厚度由原設(shè)計(jì)的15 cm調(diào)整至20 cm，噴混凝土標(biāo)號(hào)C20。

(2)鋼支撐支護(hù):對(duì)于斜井段內(nèi)圍巖變形嚴(yán)重部位，采用I18鋼支撐進(jìn)行剛性支護(hù)，鋼支撐間距60～100 cm，沿開(kāi)挖斷面全斷面支撐巖體，每榀鋼支撐設(shè)置鎖腳錨桿φ25、L=4.5 m 14根，鎖腳錨桿沿鋼支撐兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，連接筋(φ22)環(huán)向間距1 m。由于斜井段鋼支撐支護(hù)主要材料運(yùn)輸困難，故施工期間將整圈鋼支撐分8段進(jìn)行安裝，每段長(zhǎng)3.22 m，采用鋼板+螺栓機(jī)械連接的方式在井下進(jìn)行拼裝，拼裝完成后將鋼板焊接牢固。工字鋼井內(nèi)運(yùn)輸采用10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引自制板車(chē)沿底部軌道下放至施工平臺(tái)。

(3)徑向小導(dǎo)管支護(hù):針對(duì)井內(nèi)圍巖特別破碎段(主要集中在(管)236.281～(管)0+313.246段)，斜井段主要采用設(shè)置超前小導(dǎo)管的方式增加巖體整體性，徑向小導(dǎo)管設(shè)置深度L=4.5 m，環(huán)向間距1.5 m，排距3 m，小導(dǎo)管傾角15°，采用YT－28手風(fēng)鉆鉆孔，成孔直徑42 mm，灌漿壓力不大于0.1 MPa。

(4)支護(hù)施工材料運(yùn)輸:施工過(guò)程中，為保證材料運(yùn)輸，特別是支護(hù)鋼拱架的材料運(yùn)輸，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，自制了一簡(jiǎn)易小車(chē)以滿足施工需要。小車(chē)框架采用I18工字鋼焊接而成，底部及尾部焊接δ=1 cm鋼板作為呈物平臺(tái)，工字鋼間采用φ8鋼筋連接成網(wǎng)狀，φ8鋼筋間距20 cm×20 cm，小車(chē)寬同軌道寬度。為節(jié)約成本，小車(chē)軌道與鋼管安裝軌道共用，10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)作為小車(chē)動(dòng)力源，在軌道上滑行，其具體布置形式見(jiàn)圖2。

3.5 混凝土施工

壓力管道斜井段混凝土澆筑施工入倉(cāng)方式的選擇是施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)，根據(jù)原投標(biāo)階段施工組織設(shè)計(jì)，斜井段混凝土全部考慮泵送入倉(cāng)。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，若采用泵送入倉(cāng)主要存在以下不足:

(1)在上平段采用輸送泵入倉(cāng)，由于混凝土土向下輸送，泵管內(nèi)混凝土因自身重力影響，輸送間歇混凝土漿液容易向下堆積，導(dǎo)致泵管內(nèi)吸入空氣，漿液的流失將造成骨料與泵管管壁摩擦增大，極容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，且堵管后由于受井內(nèi)施工條件的制約，泵管疏通、清理工作極其困難。

(2)采用泵送入倉(cāng)，因每倉(cāng)混凝土澆筑前需重復(fù)搭設(shè)泵管，澆筑完成后為避免與鋼管安裝的干擾，還需將泵機(jī)拆除后移至洞外，下一倉(cāng)澆筑再重新就位，混凝土澆筑準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，施工工期難以保證。

經(jīng)綜合考慮以上因素，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，將原泵機(jī)入倉(cāng)方式調(diào)整為溜筒入倉(cāng)，溜筒管徑200 mm，單根長(zhǎng)3 m，采用φ12圓鋼連接，溜筒利用原系統(tǒng)支護(hù)錨桿固定于軌道混凝土內(nèi)側(cè)，從而避免了與鋼管安裝的相互干擾，解決了溜筒重復(fù)搭設(shè)的問(wèn)題。同時(shí)，為避免溜筒施工由于高度高而產(chǎn)生骨料分離的情況，斜井澆筑期間，溜筒每隔20 m設(shè)置緩降溜器一個(gè)，以確?；炷翝仓|(zhì)量?；炷寥雮}(cāng)后，人工手持φ50軟管振搗器振搗密實(shí)。

采用以上方式澆筑混凝土，從實(shí)踐效果看，每倉(cāng)混凝土澆筑周期比泵機(jī)入倉(cāng)縮短2～3 d，工期能得到充分保證，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 安全檢測(cè)

(1)超前地質(zhì)勘探:壓力管道斜井段圍巖由于受“5.12”汶川地震影響較大，實(shí)際開(kāi)挖階段地質(zhì)條件復(fù)雜。為及時(shí)掌握掌子面前方圍巖構(gòu)造情況，為確定合理的開(kāi)挖方式及臨時(shí)支護(hù)參數(shù)提供參考，在整個(gè)斜井開(kāi)挖過(guò)程中，采用超聲波地質(zhì)雷達(dá)對(duì)前方圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行了預(yù)報(bào)，地質(zhì)預(yù)報(bào)長(zhǎng)度一般為10 m。

從地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果看，實(shí)際開(kāi)挖圍巖構(gòu)造情況基本與預(yù)報(bào)相符，為斜井順利開(kāi)挖提供了有力的技術(shù)保障。

(2)圍巖變形觀測(cè):斜井開(kāi)挖期間，在開(kāi)挖斷面頂部每5m設(shè)置一BGK－A3單點(diǎn)位移計(jì)，及時(shí)掌握洞室臨時(shí)支護(hù)完成后頂拱的位移變形情況。經(jīng)過(guò)對(duì)位移計(jì)的長(zhǎng)期觀測(cè)，位移計(jì)最大位移值＜7 mm，最大變化速率為0.15 mm/d，支護(hù)完成后井壁圍巖基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明支護(hù)階段的參數(shù)選擇是合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

毛爾蓋水電站壓力管道斜井施工于2009年6月15日正式開(kāi)始，2009年12月2日開(kāi)始斜井大井開(kāi)挖，2010年6月8日開(kāi)挖及支護(hù)施工全部完成，開(kāi)挖施工歷時(shí)近7個(gè)月完成，月平均進(jìn)尺30 m，施工進(jìn)度符合總體進(jìn)度計(jì)劃要求，為整個(gè)壓力管道工程按期完工創(chuàng)造了有利條件。