沙湾电站压力管道斜井施工综述

王永红, 王 宁, 王 永, 黄光平

(1.中国水利水电第五工程局有限公司第一分局,四川成都 610066;2.中国水利水电第五工程局有限公司 海外事业部,四川成都 610066)

1 工程概况

沙湾水电站位于四川省凉山州境内的理塘河上,为低闸引水式电站。电站由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽组成。压力管道位于调压井下游,为双管埋藏式,在调压井分为两支,均为圆形断面,压力管道内径 为 4.2 m,分 别 长 500.768 6 m、511.074 8 m,由上平段、斜管段、下平段组成,其中两支斜管长度均为 209 m,倾角为 60°,开挖支护后直径为 5.4 m,如图 1所示。

2 地质条件

图 1 斜井纵、横剖面图

斜管上弯段开挖揭露的地层为三迭系下统(T1l)新鲜 ～弱风化板岩,优势结构面为层面裂隙,自压力管道与蝶阀室交叉口向下游范围裂隙面绣染较重、弱风化,局部发育层间挤压破碎带及软弱夹层,层间挤压揉皱轻微,地下水不发育。

3 开挖程序及方法

一般来说,大倾角压力管道只要能够用反井钻机开凿导井就应尽量采用,本工程斜井的倾角为 60°,刚好在反井钻机的适用范围内。其施工程序为:自上而下钻导孔(φ219)→自下而上钻溜渣井 φ1 400)→自上而下井筒扩挖(φ5 400)。整个斜井的导井开挖选用 LM300型反井钻机,扩挖采用 YT-28型手风钻钻孔,渣体通过导井溜到下平洞,ZLC-50型装载机装 20 t自卸汽车出渣,由下平洞运往渣场,施工方法如下。

3.1 导井施工

(1)施工准备。沙湾电站压力管道上平段开挖断面为 6.1 m×6.3 m。在上平段距反井钻机10 m处的洞底板开挖一个 5 m3的循环水池(水池池口高程要低于反井钻机底座),再用 M10砂浆抹面,泥浆泵放入循环水池中为正钻和扩孔供水。在反井钻机和循环水池之间砌筑一条小水渠,反井钻机返水后通过水渠流入循环水池中;反井钻机基础的浇筑是一个十分重要的环节,先进行一期混凝土的浇筑,一期浇筑时预留反井钻机底脚螺栓坑,待机体就位并进行初校后回填二期混凝土;考虑到反井钻机在洞室内的运输和装卸难度较大,沙湾电站采用 20 t自卸汽车将反井钻机运输至距斜井上弯段 18 m处的蝶阀室 PC300反铲卸车,将其拖动就位,再进行最后的调整对位。

(2)造孔工艺。最终导孔能否钻通且钻通后的偏离误差大小在开钻后是无法进行中间检测和控制的,只能依靠经验,针对不同的围岩类别实施不同的主、副泵工作压力(表 1)以及转速,适时装配稳定钻杆进行控制,当感觉有偏斜时把钻杆提起进行灌浆,将偏斜段灌满、待浆液凝固后再重新套孔。反井钻机的钻杆分为普通钻杆(1 m)和稳定钻杆(1 m)两种。稳定钻杆的作用是导向,防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅,并起到稳定的作用。

表1 钻进压力统计表

(3)造孔质量控制。反井钻机施工的关键在于导孔的钻孔质量,钻孔质量主要是控制导孔的方向偏差,若偏差超过 D/2(D为压力管道的开挖直径)会导致钻孔失败;如果偏出下平洞,即便能贯通也会造成超挖严重及回填混凝土方量大等问题。沙湾电站采用的稳定钻杆的加设方法为:钻进 3 m时加设 1根,钻进 8～10 m时再加设 1根,然后每钻进 30 m加设 1根。钻杆加设时一般采用副泵提供的较小动力运行,钻杆丝扣之间力度适中,过紧容易损伤丝扣,过松钻杆容易脱落,加钻杆时由有经验的技术人员检查钻杆的丝扣是否损伤,对于有损伤的钻杆不能用,防止其在钻进时钻杆脱落,造成事故。

(4)导孔贯通误差。应用以上施工方法,沙湾电站的两条斜井导孔贯通后均在开挖范围内(1#、2#斜井长度均为 209 m,其中 1#斜井导孔偏离中心线 0.8 m;2#斜井导孔偏离中心线 1.2 m),给斜井的开挖和混凝土回填施工打下了坚实的基础。

(5)返扩钻头的安装。反井钻机导孔施工完成后进行反扩钻头的安装,沙湾电站反扩钻头的安装是利用人工配合 ZLC-50型装载机在下平洞对接完成的。斜井反扩钻头的安装是非常重要的一道工序。由于斜井角度大,反扩钻头安装完毕对露在导孔外部的钻杆产生的弯矩很大;反扩钻头在刚接触到岩石时属偏心受力,很容易造成钻杆丝扣的断裂,所以,在反扩钻头安装时应尽量抬高,使露在导孔外面的钻杆长度缩短,将钻杆受到的弯矩降到最低,并在开始反扩时提升速度要慢,等到反扩钻头受力均匀后再进行正常提升。

3.2 斜井扩挖

(1)锁口施工。溜渣导井施工结束后,开始自上而下扩挖。采用水平工作面先进行斜井锁口段的施工,锁口段的施工非常重要,锁口段处理不好,井下施工的人员和设备安全没有保障。沙湾电站的斜井锁口段长度定为 4 m,布置 8榀 I16工字钢,每榀 8根 φ25,L=4.0 m的锁脚(角)锚杆,喷 C20混凝土,厚 21 cm,工字钢之间设 φ25的连接筋,连接筋的间距为 1.0 m,将锁口段的工字钢连接到一起,使其整体受力,并对锁口工字钢定时、不定时的进行观察。

(2)斜井扩挖。斜井扩挖时采用 6台 YT-28型手风钻钻孔,周边光面爆破,孔深 2～2.3 m。开挖时炮孔的布置要合理(图 2),防止在爆破时渣体块度太大而造成导井封堵、二次解爆等,爆破石渣由导井溜入下平段,从下平段用 ZLC-50型装载机装20 t自卸汽车出渣。若斜井在开挖过程中留有欠挖,在后期的处理中施工难度和安全隐患非常大,故在出渣完毕应对本次开挖段进行测量校核,如有欠挖及时处理,欠挖不严重部位用风镐凿除,欠挖严重部位采用手风钻打孔装小药卷爆破的方法进行处理。

图 2 炮孔布置图

(3)激光指向仪放线。斜井开挖到 50 m以上,测量放线的难度很大,测量仪器看不到掌子面。沙湾电站的测量采用激光指向仪,激光指向仪固定在与斜井中心线相对应的上平段洞顶,每次测量放线时将激光指向仪打开,激光射到斜井掌子面导井盖的中心点上(导井口上设导井盖),根据测量提供的图纸,由中心点向掌子面四周扩散放线,将炮孔定位标记后再进行正常的打钻施工,并在斜井中布置校正十字叉,随着斜井的开挖深度增加十字叉的数量(约 30 m设一个十字叉),每隔一个星期对激光指向仪校正一次,防止因爆破的震动导致激光指向仪的指向偏移。

沙湾电站斜井采用激光指向仪测量放线,避免了超欠挖的出现,每次放线时间缩短 40 min左右,为后续施工争取了时间。

(4)“漏斗”形掌子面。沙湾电站斜井倾角大(60°),开挖直径小,扒渣机械无法使用,开挖过程中扒渣时间太长是影响进度的主要原因,故沙湾电站采用“漏斗”形掌子面开挖(图 3)。普通掌子面扒渣开挖每茬炮爆破 1.5 m左右,8个人分两班轮换扒渣需 10 h左右,而采用“漏斗”形掌子面在爆破时有将近一半的渣自动从导井溜走,扒渣时运距短,体力消耗少,扒渣时间只需 5 h左右,并且在爆破过程中不容易造成导井封堵,每个循环节约 5 h。扒渣时上下保持联系,发现有导井封堵的可能时及时沟通,确认未封堵后再继续扒渣,若确定封堵后,马上停止扒渣,对堵塞的导井及时进行处理。

图 3 “漏斗”形掌子面示意图

(5)导井堵塞后的疏通处理方法。

①穹顶爆破法爆除堵塞体。待导井不掉渣后进行作业,用钢管托举炸药爆破,钢管接头要固定牢固。炸药要牢固地绑扎在钢管的顶部,但不能绑在其顶端。用装载机或反铲向上顶送钢管,边顶边接长钢管,人员要站在安全的位置,顶到接触堵塞体为止,顶送药包时要防止顶送的力度太大而掉渣伤人或损坏钢管和机械,钢管固定好后人员迅速撤离,再起爆。

②自上而下掏除堵塞体。采用这种方法必须先安置卷扬出渣设备,每班作业前对卷扬系统进行安全检查,确定作业安全后方可工作,并且在工作中随时保持作业安全。施工时严格按照出渣料斗先就位、作业人员再在下导井,作业人员先出导井后再提升渣料斗出渣的施工顺序进行施工循环作业,作业人员必须正确佩戴安全帽、安全带、防坠器等安全用品,导井内作业时,导井上口由专业人员看守,防止石块等物品掉入导井内伤人。

③吊爆法爆除堵塞体。作业人员把安全绳固定牢固后下到导井内,确认安全后从堵塞体上方钻孔,确认打透堵塞体后在钻杆内插 φ8钢筋,钢筋送到下平段,在下平段把炸药包固定在钢筋上,将炸药包拉到堵塞位置,然后将施工人员撤离到安全地带后起爆;若第一次爆破没有疏通导井,堵塞体稳定后利用已插好的钢筋再次进行爆破。

4 斜井支护

4.1 支护前的准备

大角度斜井支护作业中材料的运输难度很大,沙湾电站的斜井在开挖过程中设置了爬梯和卷扬轨道,爬梯设扶手(扶手设在轨道一侧,不妨碍轨道上小车的正常工作),主要用于作业人员的上下交通。爬梯和轨道随开挖的进度顺接延长,爬梯和轨道应离掌子面 10 m左右,防止爆破时把已安装好的轨道和爬梯炸坏,剩余 10 m用挂梯挂在爬梯的踏步上,在爆破时将爬梯移到安全位置,轨道一定要焊接在预先打好的插筋上并且焊接牢固,同时必须满足压力钢管安装时钢管的运输要求,在轨道上设小车(小车要焊牢固,必须封闭,保证其在运送材料时不会掉落),小车用来运输钢筋网片和锚杆,由 5 t卷扬机作为小车的牵引,每班把所需材料先运至工作面后作业人员再下斜井,避免卷扬系统失灵伤人。

4.2 斜井支护

(1)锚杆、网片施工。在“漏斗”形掌子面上盖钢筋网片制作的导井盖,导井盖与“漏斗”外边缘搭接 50 cm以上。根据沙湾电站斜井围岩情况(大部分为Ⅳ类围岩,局部为Ⅴ类围岩)及开挖断面,确定初期支护形式为锚喷支护(锚杆 φ25,L=3.0 m,钢筋网 φ6.5@20 cm×20 cm,喷射混凝土C20,δ=15 cm),锚杆和钢筋网片施工时用小车把制作好的锚杆和钢筋网片运输到掌子面,人工完成插锚杆和网片的焊接工作。

(2)喷混凝土支护。斜井开挖 30 m之内时将喷锚机布置在井口,把喷锚管接到掌子面,直接进行喷混凝土;当开挖大于 30 m时喷锚料用φ150钢管作为溜管从井口溜到掌子面,为防止钢管磨破,每隔 20 m设一个缓降器,缓降器两端焊接长 50 cm的 φ150钢管并焊接法兰盘,用螺栓和溜管对接,溜管随开挖的进度始终顺接到离掌子面约 10 m的位置,在溜管下面悬挂溜筒,溜筒的下端直接放在布置于掌子面的受料斗内(图 4),由人工上料在掌子面喷混凝土。锚喷支护根据开挖进尺进行,一般三茬炮支护两次,第一茬炮不支护,第二茬炮爆破完毕只扒一般的渣,加上第一茬炮垂直高度大约为 2.0 m左右,剩余部分和第三茬炮一起支护。

图 4 下料系统及缓降器示意图

5 结 语

通过沙湾电站斜井开挖及支护总结出以下几点经验:(1)反井钻机的使用加快了导井的施工进度,导井面光滑,在溜渣的过程中减小了导井堵塞的概率;(2)用激光指向仪测量放线,十字叉校正,缩短了放线时间,提高了开挖作业循环速度,避免了欠挖的出现;(3)采用“漏斗”形掌子面,开挖过程中近 50%的渣在爆破过程中从导孔溜走,导孔不易封堵,扒渣时间缩短了 29d,加快了施工进度;(4)斜井支护采用小车运输锚杆、钢筋网片等,溜管、缓降器、溜筒作为管道运输喷混凝土料从而缩短了材料的运输时间,加快了施工进度,降低了材料的磨损率,创造了效益。