毛爾蓋水電站壓力管道斜井段施工技術

黃曉華，何其剛，袁赟

(中國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黑水河中游的紅巖鄉至俄石壩河段，是黑水河流域水電規劃二庫五級方案開發的第3個梯級電站，該電站為大(2)型引水式單一發電工程。毛爾蓋電站單機容量140 MW，總裝機容量420 MW。該電站壓力管道為地下埋藏式，采用聯合供水的布置方式，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，斜井段設計開挖直徑8.2 m，鋼管內徑7 m，與水平面的夾角為55°。

壓力管道穿越地層為二疊系P、三疊系下統菠茨溝組(T1b)、三疊系中統雜谷腦組(T2Z1)之中厚層結晶灰巖、千枚巖等。結構面以節理裂隙為主，小斷層或順層擠壓破碎帶發育。巖層產狀N60°～70°W/NE∠75°～80°，優勢節理有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，傾向坡外，對穩定不利。斜井段巖體千枚巖出露，層狀結構，圍巖整體穩定性差，見圖1。

2 施工技術重點、難點分析

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

圖1 壓力管道布置示意圖

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

(3)壓力管道斜井段深達211.61 m，加之其開挖坡度陡，開挖施工期間臨時支護材料的運輸困難。如何保證支護施工的連續性，為開挖提供安全保證是工程施工組織的難點。

3 主要施工技術

3.1 斜井超前預固結灌漿

施工期間，根據地質勘探及相關地質調查表明，壓力管道斜直段上部120 m巖體以千枚巖為主，圍巖裂隙發育，呈鑲嵌～碎裂結構，巖體穩定性及整體性差，以Ⅳ～Ⅴ類圍巖為主。針對以上惡劣的地質條件，為保證反井鉆機先導孔施工的順利進行及施工期安全，提高斜井開挖質量，在反井鉆機施工前，先進行壓力管道超前預固結灌漿施工。

斜井超前預固結灌漿根據實際施工需要共設置了4個孔，其中包括周邊孔3個，中心孔一個，固結灌漿孔成孔孔徑為110 mm，單個孔深120 m，采用XY－2型地質鉆機鉆設。鉆孔完成后，利用壓力循環水對孔內裂隙進行沖洗，清除固結范圍內裂隙中的填充物。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性實驗孔，確定灌漿分段長度為5 m，灌漿壓力不超過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∶1五個比級，由稀到濃變漿灌注，直至達到設計壓力，灌漿過程采用自動記錄儀全程監控。

從后期斜井開挖情況看，出露的圍巖多處大量發現水泥漿脈，圍巖破碎帶及軟弱帶連接完整，水泥充填密實，達到了預期目的，超前預固結灌漿效果較好。

3.2 斜井導井施工

3.2.1 反井鉆機施工

斜井先導孔施工選用LM300型反井鉆機，施工前先采用C20混凝土澆筑反井鉆機基礎，混凝土基礎頂面與水平面夾角為35°，以使反井鉆機機身與水平面呈55°。基礎澆筑時在兩側各預留1個50 cm×50 cm×100 cm二期坑，以滿足反井鉆機底板螺栓加固要求。基礎形成后，利用反井鉆機軌道，輔助10 t手拉葫蘆牽引就位。機身就位時，選擇機身四個角點作為測量控制點，調整機身位置，使上排、下排控制點分別位于同一樁號、同一高程。反井鉆機就位后，安裝底板螺栓，進行二期混凝土澆筑。

二期混凝土達到強度后，隨即開始進行先導孔施工。反井鉆鉆進過程中，每天檢測機身上4個控制點上的相對位置，且在施工過程中，為避免反井鉆機震動過大造成軸線偏移，施工中應嚴格控制鉆機的鉆進速度，每天鉆進深度不大于10 m。采用以上方法控制后，反井鉆機施工質量得到明顯提高，先導孔貫通時僅偏離軸線100 cm。反井鉆機的糾偏措施主要包括:

(1)鉆孔偏斜程度和方向非常有規律，可采取偏置鉆機的方法來糾正預計的偏斜。移動鉆機安裝的距離和方向可根據本地以前施工獲得的經驗而定。在鉆進中，如遇到巖層向更硬的巖層過渡時，同時降低鉆壓和轉速將有助于鉆頭以直線的方式鉆進堅硬巖層，避免出現偏斜轉折點。當穩定鉆桿進入新巖層后，即可恢復原來的鉆壓和轉速。

(2)在鉆進中發生不規則或意外的偏斜時，可采用變化鉆具組和變化鉆壓的方法來糾偏，也可以利用潛孔馬達和一個彎接頭來糾偏，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至孔底一段進行充填并使之凝固。

(3)對于從地面開鉆的深孔和鉆孔精度較高的鉆孔，常采用定向鉆井法鉆導井，如采用戴納鉆具。采用戴納鉆具鉆進時，鉆具組不旋轉，鉆壓也很低，潛孔馬達靠液能驅動并帶動轉子，短接頭和鉆頭一起旋轉，將控制鉆進方向的元件加在潛孔鉆具的上部，這樣實施定向控制裝置就能比較容易地控制鉆孔精度。

3.2.2 導井人工擴挖

導井施工完成后，泄渣導井直徑僅為1.4 m。為避免由于泄渣口狹小導致開挖期間堵井，經綜合考慮后，決定將導井直徑由人工擴挖至2.5 m。導井人工擴挖采用自下而上的施工方法，YT－28手風鉆鉆孔，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。鉆孔一次鉆設完成，采用分段爆破的方式進行，即一次性完成斜井段人工擴挖的全部鉆孔施工，每20 m段爆破一次。施工中為保證人員安全，采用鋼筋+鋼板制作簡易小車進行施工，同時考慮到導井內空間狹小、通風不足，施工過程中利用空壓機送風。

3.3 斜井擴挖施工

斜井開挖采用平面分區、立面分層的開挖方式，循環鉆進。斜井開挖平面分兩區，立面分層高度2 m，采用YT－28手風鉆造孔，周邊孔預裂爆破，主爆孔間距1.5 m，預裂孔間距60 cm，爆破完成后，人工扒渣至泄渣導井，石渣經導井下泄至下平段，ZLC50裝載機裝車，15 t自卸汽車運送至指定渣場。每層開挖完成后，立即進行素噴混凝土施工，素噴厚度5 cm，隨后進行錨桿、鋼支撐等臨時支護施工，最后再噴護20 cm厚混凝土。完成支護施工后，再進行下層開挖施工。擴、開挖過程中，主要控制措施包括:

(1)在開挖施工前，詳細查閱設計圖紙及相關設計修改通知，收集并整理放樣資料，繪制放樣圖。對放樣點及時進行復查、量測，放樣過程完成后，及時對外業放樣過程及數據進行復查。

(2)進行現場爆破試驗，調整并優化爆破參數。確定在開挖區段內不同地質條件下的各項爆破參數，為開挖爆破設計提供最佳設計依據，以提高爆破效果，保證開挖質量;調整爆破有關參數，不斷優化爆破設計。

(3)鉆孔孔位依據測量定出的中線、腰線及開挖輪廓線確定;周邊孔在斷面輪廓線上開孔，沿輪廓線的調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 支護施工

(1)系統支護:壓力管道支護系統支護采用錨桿+掛網+噴混凝土聯合支護形式，錨桿由原設計的φ25、L=4.5m調整為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，將外露端嚴格控制在10 cm以內。掛網部分施工采用φ8鋼筋現場編制、固定，鋼筋網間距20 cm×20 cm，噴混凝土厚度由原設計的15 cm調整至20 cm，噴混凝土標號C20。

(2)鋼支撐支護:對于斜井段內圍巖變形嚴重部位，采用I18鋼支撐進行剛性支護，鋼支撐間距60～100 cm，沿開挖斷面全斷面支撐巖體，每榀鋼支撐設置鎖腳錨桿φ25、L=4.5 m 14根，鎖腳錨桿沿鋼支撐兩側對稱布置，連接筋(φ22)環向間距1 m。由于斜井段鋼支撐支護主要材料運輸困難，故施工期間將整圈鋼支撐分8段進行安裝，每段長3.22 m，采用鋼板+螺栓機械連接的方式在井下進行拼裝，拼裝完成后將鋼板焊接牢固。工字鋼井內運輸采用10 t卷揚機牽引自制板車沿底部軌道下放至施工平臺。

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

(4)支護施工材料運輸:施工過程中，為保證材料運輸，特別是支護鋼拱架的材料運輸，根據現場情況，自制了一簡易小車以滿足施工需要。小車框架采用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，工字鋼間采用φ8鋼筋連接成網狀，φ8鋼筋間距20 cm×20 cm，小車寬同軌道寬度。為節約成本，小車軌道與鋼管安裝軌道共用，10 t卷揚機作為小車動力源，在軌道上滑行，其具體布置形式見圖2。

3.5 混凝土施工

壓力管道斜井段混凝土澆筑施工入倉方式的選擇是施工的重點與難點，根據原投標階段施工組織設計，斜井段混凝土全部考慮泵送入倉。經實踐檢驗，若采用泵送入倉主要存在以下不足:

(1)在上平段采用輸送泵入倉，由于混凝土土向下輸送，泵管內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，導致泵管內吸入空氣，漿液的流失將造成骨料與泵管管壁摩擦增大，極容易發生堵管現象，且堵管后由于受井內施工條件的制約，泵管疏通、清理工作極其困難。

(2)采用泵送入倉，因每倉混凝土澆筑前需重復搭設泵管，澆筑完成后為避免與鋼管安裝的干擾，還需將泵機拆除后移至洞外，下一倉澆筑再重新就位，混凝土澆筑準備時間過長，施工工期難以保證。

經綜合考慮以上因素，現場實際施工過程中，將原泵機入倉方式調整為溜筒入倉，溜筒管徑200 mm，單根長3 m，采用φ12圓鋼連接，溜筒利用原系統支護錨桿固定于軌道混凝土內側，從而避免了與鋼管安裝的相互干擾，解決了溜筒重復搭設的問題。同時，為避免溜筒施工由于高度高而產生骨料分離的情況，斜井澆筑期間，溜筒每隔20 m設置緩降溜器一個，以確保混凝土澆筑質量。混凝土入倉后，人工手持φ50軟管振搗器振搗密實。

采用以上方式澆筑混凝土，從實踐效果看，每倉混凝土澆筑周期比泵機入倉縮短2～3 d，工期能得到充分保證，取得了較好的經濟效益。

4 安全檢測

(1)超前地質勘探:壓力管道斜井段圍巖由于受“5.12”汶川地震影響較大，實際開挖階段地質條件復雜。為及時掌握掌子面前方圍巖構造情況，為確定合理的開挖方式及臨時支護參數提供參考，在整個斜井開挖過程中，采用超聲波地質雷達對前方圍巖地質情況進行了預報，地質預報長度一般為10 m。

從地質預報結果看，實際開挖圍巖構造情況基本與預報相符，為斜井順利開挖提供了有力的技術保障。

(2)圍巖變形觀測:斜井開挖期間，在開挖斷面頂部每5m設置一BGK－A3單點位移計，及時掌握洞室臨時支護完成后頂拱的位移變形情況。經過對位移計的長期觀測，位移計最大位移值＜7 mm，最大變化速率為0.15 mm/d，支護完成后井壁圍巖基本趨于穩定，說明支護階段的參數選擇是合理的。

5 結語

毛爾蓋水電站壓力管道斜井施工于2009年6月15日正式開始，2009年12月2日開始斜井大井開挖，2010年6月8日開挖及支護施工全部完成，開挖施工歷時近7個月完成，月平均進尺30 m，施工進度符合總體進度計劃要求，為整個壓力管道工程按期完工創造了有利條件。