永宁河四级水电站调压井工程开挖施工方案优化

谢和平，李本华，王伟，李鹏

(中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川双流，610225)

1 工程概况

永宁河四级电站位于盐源县长柏乡境内的永宁河段上，厂房距盐源县城90km，距西昌市241km，电站装机容量4.0万kW，最大坝高13m，由进水枢纽(拦河闸坝)、引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、升压站等主要建筑物组成。

调压井在引水隧洞的末端，开挖直径15m，其成型洞径为12m，开挖深度为56.9m(高程2094～2150.9m)。调压井采用C30钢筋混凝土衬砌，井内正常水位2106.2m，最低涌浪水位2100m，最高涌浪水位2145.9m。

调压井布置在30°～35°山坡，附近基岩覆盖层较浅，卸荷带厚23m左右，风化带厚35m左右。

2 施工方案概述

2.1 原施工方案

2.1.2 调压井原投标灌浆方案:调压井井壁混凝土衬砌完成后进行水平钻孔对井壁固结灌浆。

2.1.2 调压井原投标开挖方案:先采用LM－300型反井钻机施工φ216mm的先导孔，再分两次扩挖成φ2000mm的导井(先扩挖成φ1400mm，再扩挖成φ2000mm)。φ216mm导井(溜渣井)扩挖完成后进行15m的井身开挖，采用分层分区钻孔爆破的施工方法，用MQ540/30型低架门机作为井内的运输机械，吊运挖机材料等，爆破完后的出渣用PC100的挖机扒渣至溜渣井，在下平洞用装载机配合自卸汽车出渣。

2.2 优化后施工方案

2.2.1 由于调压井地处岩体风化带较厚，岩层为灰色砂岩夹泥质灰岩，强风化，节理裂隙发育，岩体呈层状、碎块状，自稳能力差，且考虑到工期、避免卡钻等因素，所以开挖前进行优化，采用垂直孔深30m的预固结灌浆施工，保证反井钻机在竖井岩层中得正常钻进和扩孔。

2.2.2 由于原开挖施工方案工期为5个月，工期长，且门机、挖机等设备投入费用大，考虑到竖井石方开挖单价低，如果再大量的一次性投入，势必造成亏损，所以对开挖方案进行优化。

后经优化的开挖方案为:预固结灌浆完成后先采用LM－300型反井钻机施工φ216mm的先导孔，再扩钻成φ1400mm的导井。φ1400mm导井扩挖完成后进行井身开挖，采用分层分区钻孔爆破的施工方法，掌子面开挖成“V”字型(先开挖溜渣井四周，后开挖剩余部分)，坡度为30°～45°。爆破后有大部分的洞渣可依靠此坡度自然地溜入溜渣井，剩余的小部分采用人工在井内扒渣，通过溜碴导井溜入调压井下平洞，装载机、自卸汽车洞内出渣。井口设置自制龙门架，配合一台5t卷扬机，通过吊笼运输材料、工具等。作业人员上下使用钢爬梯。

3 施工方案的优化及实施

3.1 预固结灌浆

调压井处岩体风化带较厚，岩层为灰色砂岩夹泥质灰岩，强风化，节理裂隙发育，岩体呈层状、碎块状、自稳能力差。为了保证施工安全、确保施工进度，经过和设计人员的多次沟通，将原设计的水平灌浆优化为调压井上部30m范围内的垂直预固结灌浆。

预固结灌浆孔间排距均为1.5m，孔深30m，井壁预固结灌浆孔径为100mm，以调压井中心为圆心，内排半径8m，外排半径9.5m。浆液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.6∶1(或0.5∶1)四个重量比级，开灌水灰比为3∶1。参照设计要求，灌浆压力为0.25～0.5MPa，压力从上至下一次提高。固结灌浆分段段长不大于5m，终孔压力为0.5MPa。

预固结灌浆在井筒开挖前对井壁围岩进行了加固，提高了围岩的自稳能力，减小井筒开挖过程中的不安全因素，降低了井筒开挖施工期的安全风险。

3.2 溜渣导井开挖

溜渣导井部位，先施工LM－300型反井钻机的基础混凝土，然后将LM－300型反井钻机定位。首先自上而下进行φ216mm导孔钻孔，导孔施工时，严格工艺过程各个环节，控制导孔偏斜。导孔施工结束后，在调压井下部洞室换φ1400mm钻头，LM－300型反井钻机自下而上扩孔，形成φ1400mm的导井。

3.3 锁口混凝土施工

在竖井大面积开挖前，沿井周浇筑深度3m的C30钢筋混凝土形成锁口承重环，来保持山体和井口表面的不松散变形。调压井锁口混凝土示意见图1。

图1 调压井锁口混凝土示意

3.4 井筒扩挖

竖井井筒开挖采取自上而下扩挖，导井溜渣的施工方法施工。按照平面施工分区、竖向分层的原则，在平面上分三个区开挖(A、B、C)，通过分区，可实现“钻孔爆破、出渣、支护”交替平行作业，竖向按照两个支护循环为一层，确定其开挖高度为1.5m左右。

3.4.1 钻孔爆破

井身采用5台YT－28手风钻钻孔，孔径φ42mm，爆破孔孔距0.9m，排距0.7m，孔深1.8～2.0m。乳化炸药、非电毫秒导爆管雷管分段起爆，竖向开挖确定其开挖高度为1.5m。爆破参数见表1，调压井分区分层示意见图2。

表1 爆破参数

图2 调压井分区分层示意

3.4.2 出渣

(1)井内出渣。由于爆破成型为“V”型，爆破后会有一大部分依靠爆破坡度(30°～45°)自然溜入溜渣井，剩余的一小部分利用人工扒渣入井内。为防止堵塞溜渣井，在井内预先穿入一根钢丝绳，万一堵塞时，可利用该钢丝绳吊药包进行爆破处理。

(2)井下平洞出渣。井下平洞内ZL－50装载机装10t自卸汽车出渣，运往业主指定的弃渣场弃渣。

3.4.3 井身开挖作业循环时间

井身扩挖分三个区进行，钻孔深度1.8～2m，作业循环时间约1～1.5d。

3.5 井筒扩挖支护

调压井的型式为阻抗式，调压井高程2150.9m附近基岩覆盖层较浅，卸荷带23m左右，风化带35m左右。其不良地段为58m，施工时安全隐患较大。

该调压井具有跨度大、井身高和地质条件差的特点，为使井挖能顺利施工，应采取“预固结、短进尺、弱爆破、强支护及勤观测”的施工原则，重点抓好临时支护及施工监测。

由于调压井地质条件差，如果出现破碎的地质段，采取“型钢拱架+钢筋网+锚杆+喷混凝土”的组合支护结构，支护时向四周扩挖20㎝，保证支护结构不占永久衬砌断面。施工中，型钢拱架、钢筋网结构紧贴井壁围岩设置，锚杆设置在拱架底部并与拱架焊接，用C25混凝土喷充填拱架，形成临时支护结构主体。支护结构主要通过面接触来改善围岩对拱架传力的均匀性，提高拱架结构承载力，进而达到联合成整体受力而抑制围岩的变形。

3.6 龙门架设计

为满足导井扩挖及施工过程中少量锚杆，钢筋等工具部件的垂直运输，将原龙门吊优化为“自制龙门架+5t卷扬机”的方案。调压井井筒最大直径为17m，故门架跨度按18m设计，门架横梁采用2根32#工字钢进行并焊错缝焊接，支撑横梁的门柱采用倒三角架支撑焊接(图3)。调压井自制龙门架设计的安全指标按照3t吊重进行，后经验证及施工实践均能满足要求。

图3 调压井自制龙门架

4 经济效益

调压井开挖施工计划工期为5个月，优化后实际工期4个月，大大节约施工成本，取得了较好的经济效益。优化前后利润比较见表2。

表2 优化前后成本工期比较