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.中國水利水電第五工程局有限公司 海外事業部,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的理塘河上,為低閘引水式電站。電站由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐組成。壓力管道位于調壓井下游,為雙管埋藏式,在調壓井分為兩支,均為圓形斷面,壓力管道內徑 為 4.2 m,分 別 長 500.768 6 m、511.074 8 m,由上平段、斜管段、下平段組成,其中兩支斜管長度均為 209 m,傾角為 60°,開挖支護后直徑為 5.4 m,如圖 1所示。

2 地質條件

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(T1l)新鮮 ～弱風化板巖,優勢結構面為層面裂隙,自壓力管道與蝶閥室交叉口向下游范圍裂隙面繡染較重、弱風化,局部發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開鑿導井就應盡量采用,本工程斜井的傾角為 60°,剛好在反井鉆機的適用范圍內。其施工程序為:自上而下鉆導孔(φ219)→自下而上鉆溜渣井 φ1 400)→自上而下井筒擴挖(φ5 400)。整個斜井的導井開挖選用 LM300型反井鉆機,擴挖采用 YT-28型手風鉆鉆孔,渣體通過導井溜到下平洞,ZLC-50型裝載機裝 20 t自卸汽車出渣,由下平洞運往渣場,施工方法如下。

3.1 導井施工

(1)施工準備。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10 m處的洞底板開挖一個 5 m3的循環水池(水池池口高程要低于反井鉆機底座),再用 M10砂漿抹面,泥漿泵放入循環水池中為正鉆和擴孔供水。在反井鉆機和循環水池之間砌筑一條小水渠,反井鉆機返水后通過水渠流入循環水池中;反井鉆機基礎的澆筑是一個十分重要的環節,先進行一期混凝土的澆筑,一期澆筑時預留反井鉆機底腳螺栓坑,待機體就位并進行初校后回填二期混凝土;考慮到反井鉆機在洞室內的運輸和裝卸難度較大,沙灣電站采用 20 t自卸汽車將反井鉆機運輸至距斜井上彎段 18 m處的蝶閥室 PC300反鏟卸車,將其拖動就位,再進行最后的調整對位。

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

表1 鉆進壓力統計表

(3)造孔質量控制。反井鉆機施工的關鍵在于導孔的鉆孔質量,鉆孔質量主要是控制導孔的方向偏差,若偏差超過 D/2(D為壓力管道的開挖直徑)會導致鉆孔失敗;如果偏出下平洞,即便能貫通也會造成超挖嚴重及回填混凝土方量大等問題。沙灣電站采用的穩定鉆桿的加設方法為:鉆進 3 m時加設 1根,鉆進 8～10 m時再加設 1根,然后每鉆進 30 m加設 1根。鉆桿加設時一般采用副泵提供的較小動力運行,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,加鉆桿時由有經驗的技術人員檢查鉆桿的絲扣是否損傷,對于有損傷的鉆桿不能用,防止其在鉆進時鉆桿脫落,造成事故。

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

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

3.2 斜井擴挖

(1)鎖口施工。溜渣導井施工結束后,開始自上而下擴挖。采用水平工作面先進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備安全沒有保障。沙灣電站的斜井鎖口段長度定為 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 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,并對鎖口工字鋼定時、不定時的進行觀察。

(2)斜井擴挖。斜井擴挖時采用 6臺 YT-28型手風鉆鉆孔,周邊光面爆破,孔深 2～2.3 m。開挖時炮孔的布置要合理(圖 2),防止在爆破時渣體塊度太大而造成導井封堵、二次解爆等,爆破石渣由導井溜入下平段,從下平段用 ZLC-50型裝載機裝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,故在出渣完畢應對本次開挖段進行測量校核,如有欠挖及時處理,欠挖不嚴重部位用風鎬鑿除,欠挖嚴重部位采用手風鉆打孔裝小藥卷爆破的方法進行處理。

圖 2 炮孔布置圖

(3)激光指向儀放線。斜井開挖到 50 m以上,測量放線的難度很大,測量儀器看不到掌子面。沙灣電站的測量采用激光指向儀,激光指向儀固定在與斜井中心線相對應的上平段洞頂,每次測量放線時將激光指向儀打開,激光射到斜井掌子面導井蓋的中心點上(導井口上設導井蓋),根據測量提供的圖紙,由中心點向掌子面四周擴散放線,將炮孔定位標記后再進行正常的打鉆施工,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量(約 30 m設一個十字叉),每隔一個星期對激光指向儀校正一次,防止因爆破的震動導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量放線,避免了超欠挖的出現,每次放線時間縮短 40 min左右,為后續施工爭取了時間。

(4)“漏斗”形掌子面。沙灣電站斜井傾角大(60°),開挖直徑小,扒渣機械無法使用,開挖過程中扒渣時間太長是影響進度的主要原因,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”形掌子面在爆破時有將近一半的渣自動從導井溜走,扒渣時運距短,體力消耗少,扒渣時間只需 5 h左右,并且在爆破過程中不容易造成導井封堵,每個循環節約 5 h。扒渣時上下保持聯系,發現有導井封堵的可能時及時溝通,確認未封堵后再繼續扒渣,若確定封堵后,馬上停止扒渣,對堵塞的導井及時進行處理。

圖 3 “漏斗”形掌子面示意圖

(5)導井堵塞后的疏通處理方法。

①穹頂爆破法爆除堵塞體。待導井不掉渣后進行作業,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。用裝載機或反鏟向上頂送鋼管,邊頂邊接長鋼管,人員要站在安全的位置,頂到接觸堵塞體為止,頂送藥包時要防止頂送的力度太大而掉渣傷人或損壞鋼管和機械,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揚出渣設備,每班作業前對卷揚系統進行安全檢查,確定作業安全后方可工作,并且在工作中隨時保持作業安全。施工時嚴格按照出渣料斗先就位、作業人員再在下導井,作業人員先出導井后再提升渣料斗出渣的施工順序進行施工循環作業,作業人員必須正確佩戴安全帽、安全帶、防墜器等安全用品,導井內作業時,導井上口由專業人員看守,防止石塊等物品掉入導井內傷人。

③吊爆法爆除堵塞體。作業人員把安全繩固定牢固后下到導井內,確認安全后從堵塞體上方鉆孔,確認打透堵塞體后在鉆桿內插 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井,堵塞體穩定后利用已插好的鋼筋再次進行爆破。

4 斜井支護

4.1 支護前的準備

大角度斜井支護作業中材料的運輸難度很大,沙灣電站的斜井在開挖過程中設置了爬梯和卷揚軌道,爬梯設扶手(扶手設在軌道一側,不妨礙軌道上小車的正常工作),主要用于作業人員的上下交通。爬梯和軌道隨開挖的進度順接延長,爬梯和軌道應離掌子面 10 m左右,防止爆破時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,在爆破時將爬梯移到安全位置,軌道一定要焊接在預先打好的插筋上并且焊接牢固,同時必須滿足壓力鋼管安裝時鋼管的運輸要求,在軌道上設小車(小車要焊牢固,必須封閉,保證其在運送材料時不會掉落),小車用來運輸鋼筋網片和錨桿,由 5 t卷揚機作為小車的牽引,每班把所需材料先運至工作面后作業人員再下斜井,避免卷揚系統失靈傷人。

4.2 斜井支護

(1)錨桿、網片施工。在“漏斗”形掌子面上蓋鋼筋網片制作的導井蓋,導井蓋與“漏斗”外邊緣搭接 50 cm以上。根據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,確定初期支護形式為錨噴支護(錨桿 φ25,L=3.0 m,鋼筋網 φ6.5@20 cm×20 cm,噴射混凝土C20,δ=15 cm),錨桿和鋼筋網片施工時用小車把制作好的錨桿和鋼筋網片運輸到掌子面,人工完成插錨桿和網片的焊接工作。

(2)噴混凝土支護。斜井開挖 30 m之內時將噴錨機布置在井口,把噴錨管接到掌子面,直接進行噴混凝土;當開挖大于 30 m時噴錨料用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設一個緩降器,緩降器兩端焊接長 50 cm的 φ150鋼管并焊接法蘭盤,用螺栓和溜管對接,溜管隨開挖的進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(圖 4),由人工上料在掌子面噴混凝土。錨噴支護根據開挖進尺進行,一般三茬炮支護兩次,第一茬炮不支護,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。

圖 4 下料系統及緩降器示意圖

5 結 語

通過沙灣電站斜井開挖及支護總結出以下幾點經驗:(1)反井鉆機的使用加快了導井的施工進度,導井面光滑,在溜渣的過程中減小了導井堵塞的概率;(2)用激光指向儀測量放線,十字叉校正,縮短了放線時間,提高了開挖作業循環速度,避免了欠挖的出現;(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孔溜走,導孔不易封堵,扒渣時間縮短了 29d,加快了施工進度;(4)斜井支護采用小車運輸錨桿、鋼筋網片等,溜管、緩降器、溜筒作為管道運輸噴混凝土料從而縮短了材料的運輸時間,加快了施工進度,降低了材料的磨損率,創造了效益。