胡魯水電站引水發電隧洞斜井改豎井方案探討

李海原

(中國水利水電第七工程局有限公司海外事業部，四川成都 610081)

1 工程概況

胡魯水電站位于馬來西亞登嘉樓州Kenyir水庫西北處，距離登嘉樓州府約90km，距首都吉隆坡約450km。該工程由左、右兩個庫區組成，左、右庫區靠1條輸水隧洞聯通。左庫區樞紐建筑主要由一座混凝土溢流壩和一條輸水隧洞組成;右庫區樞紐建筑物由引水發電系統、右岸導流洞、攔河心墻土石壩、左岸溢洪道構成。電站裝機2臺，總裝機容量250MW。該項目由中國水電七局和馬來西亞當地一家公司組成的聯營體中標承建主體工程。中國水電七局承建了除大壩、溢洪道和施工道路以外的、以地下工程為主的土建、金屬結構和機電安裝項目。

胡魯項目的業主為馬來西亞國家電力公司，咨詢工程師(負責設計、監理)為以加拿大SNC·LAVALIN公司作為牽頭方、馬來西亞本地兩家公司作為合作伙伴方組成的聯營體(以下簡稱HTJV)。工程為單價合同，采用FEDIC(紅皮書，1999版)合同條款。

胡魯水電站右庫區引水發電隧洞共兩條，呈平行布置，中心間距20m。原設計方案均由上平段、斜井段和下平段構成，上下平段的開挖斷面均為馬蹄形，斜井為圓形，主要開挖直徑均為5.1 m，襯砌厚度30cm，襯砌后為直徑4.5m的圓形。結構尺寸和長度等相同(圖1)。

圖1 原招標設計圖

胡魯水電站引水發電隧洞圍巖從進口至樁號CH.60左右為較為完整的沉積巖，單軸抗壓強度40MPa左右;CH.60～CH.80為沉積巖與火成巖過渡段，單軸抗壓強度為60～100MPa;CH.80以后為較完整的火成巖，單軸抗壓強度為80～100 MPa。

2 原設計方案面臨的施工難題

由于斜井長、傾角小，實際施工中將面臨以下技術、施工問題和困難:

(1)中導井開挖時采用常規反井鉆機不能滿足45°傾角，容易產生鉆孔孔向偏差。在開挖階段，采用常規的先中導井、后擴挖方法，普通反井鉆機的施工傾角范圍為60°～90°，不能滿足45°傾角。既使對反井鉆機進行適當的改進，由于鉆桿重力作用和韌性增加，也容易造成鉆孔孔向偏差，從而產生大量超挖的風險。

(2)采用人工鉆爆正導井法施工中導井，工期長、安全隱患較大。

(3)采用爬罐反導井施工中導井，斜井較長，爬罐投入成本相對較高，需結合人工正導井施工，安全隱患大。

(4)傾角45°的斜井在人工鉆爆擴挖階段容易出現石渣堆積堵井現象，清渣相對困難，工作量大，安全隱患較大。

(5)在混凝土施工階段，45°斜井為非常規斜井，需加工滿足該傾角要求的特殊的斜井滑模，生產成本相對較高。

(6)由于該斜井設計為無鋼筋混凝土襯砌，重力作用下“頂拱”部位容易產生混凝土與巖面脫空現象，相對普通豎井滑模施工難度大、工期長。

胡魯項目開工前期由于各種非承包商原因導致工程工期一度滯后，為節省生產成本、趕回工期，解決上述困難，承包商同咨詢工程師進行了多次商談，擬將斜井修改為豎井并承諾自行承擔修改段因隧洞增長等產生的額外費用，該方案可縮短兩個月的施工工期。

3 將斜井修改為豎井的設計方案

3.1 工程師和業主對修改方案的要求

咨詢工程師要求承包商提供初步的將斜井修改為豎井的設計方案，并要求修改前后不能減小發電出力水頭。業主根據其在某個類似的水電站豎井滲漏影響到地下廠房的案例，在提交了第三版設計后要求承包商將引水發電隧洞豎井向上游方向移60m，以減小豎井將來可能產生的滲漏對地下廠房造成的不利影響。

3.2 承包商修改設計的目的

承包商在設計過程中綜合考慮了以下因素:

(1)修改后的豎井能采用常規的機械設備進行開挖支護、混凝土襯砌和灌漿等施工，從而減少設備的投入成本;修改后的施工技術方案成熟可控、經濟、工期短、安全，綜合效益高。

(2)綜合平衡修改前后的工程總造價，包括在上下平段設置適當的坡度以減少豎井長度，減小彎段轉彎半徑等，使工程師和業主在經濟方面能接受修改方案。

(3)盡量減小對未修改部位的影響，包括保持壓力鋼管長度和內徑不變等。

3.3 承包商的設計方案

根據總水頭損失計算，將斜井修改為豎井后隧洞總長度將加長。在其它條件不變的情況下，總水頭損失將增加，這不符合咨詢工程師和業主的要求。解決的辦法之一是增大隧洞直徑，但這將導致生產成本增加。

經過反復進行方案分析和經濟比較并與工程師和業主多次商談后，在承包商提交第5版設計意見和相關的計算說明書后，工程師和業主最終同意了修改后的引水發電隧洞由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段構成，上平段和上下彎段的主要開挖斷面均為馬蹄形，豎井為圓形，開挖直徑均為5.5m，襯砌厚度30cm，襯砌后斷面為直徑4.9m的圓形。鋼襯段基本保持了原設計參數，長109.36m，開挖直徑為5.1m 的馬蹄形，襯砌后主要為4.5m的圓形，其中尾部9m鋼襯為一漸變段，從直徑4.5m漸變為3.48m，能與蝸殼對接(圖2)。

4 設計方案修改前后的綜合比較

4.1 將斜井改為豎井后采用的主要施工方法

斜井改豎井后，主要采用以下施工方法:

(1)采用中國煤建生產的BRC300型反井鉆機施工部分彎段和豎井段直徑為1.4m的中導井，然后采用人工自上而下鉆爆擴挖至設計線。

(2)采用國內定制的異形鋼模板施工上下彎段襯砌混凝土，采用普通豎井滑模施工豎井混凝土。

(3)采用國內定制的豎井吊籃進行豎井灌漿和缺陷修補施工。

圖2 業主批復的修改設計圖

(4)采用卷揚機配軌道進行下平段的鋼襯安裝(設計方案修改后還避免了在斜井段安裝鋼管，避免了壓力鋼管和豎井襯砌之間對施工工期的影響)。

(5)修改前后的對比情況見圖3。

圖3 斜井修改為豎井后的3D視圖

以上施工方法機械化程度高，設備安裝和拆卸便捷，操作簡單，技術成熟、可控，對比修改前的斜井施工具有更經濟、施工工期短(比原計劃提前2個月完成)和施工更安全的優點。

4.2 斜井改為豎井后的經濟性分析

設計修改后工程量的變化導致工程產值發生了變化，表1主要列舉了開挖、襯砌、灌漿導致的產值變化和實際產值影響。由于圍巖條件較好，支護工程量變化不大，故未將其列入比較。

從表1分析得出以下結論:設計修改后單條引水發電隧洞長度增加了59.49m，除鋼襯段外開挖斷面和襯砌斷面均變大了，工程造價相應增加了約86萬馬幣。胡魯項目的工程師和業主在實際工程結算中對引水隧洞采用了原單價，開挖和襯砌的工程量以實際長度進行了結算，對噴護、錨桿、灌漿等工程量也以實際發生量進行了結算，承包商因此增加了約173萬馬幣的產值收入。

5 結語

水電站地下引水發電隧洞采用斜井一般比豎井更節省投資，可使開發商受益。胡魯項目承包商為趕回滯后工期，解決小傾角、長斜井的相關施工難題，將斜井成功地修改為豎井，取得了以下效果。

表1 方案修改后經濟性分析比較表

(1)保證了電站原設計的裝機容量不受影響。

(2)使施工難度降低，工期縮短，確保了工程按期發電。

(3)有效避免了在擴挖過程中石渣堵塞導井等安全隱患，機械化程度高，施工更安全。

(4)降低了開挖、襯砌、灌漿和金屬結構的施工直接成本和間接成本，又額外增加了產值，綜合效益值約500萬馬幣，折合人民幣950萬人民幣。