杜伯华水电站项目冲砂系统施工技术研究

谢兰清

摘 要：杜伯华水电站冲砂系统进洞40米为坡积体，连接段为洞室群纵横上下交错且围岩较为破碎，无论是从进洞开挖还是连接段贯通，施工难度较大，笔者通过研究、咨询、查阅资料，采用固结灌浆、管棚支护等措施顺利完成坡积体断开挖，采用控制高点质点速度爆破技术成功完成了冲砂系统贯通面附近的开挖，整个冲砂系统的施工技术安全可行。

关键词：质点速度 固结灌浆 管棚施工 洞室群 冲砂系统

1.工程概述

巴基斯坦杜伯华水电站项目位于巴基斯坦西北边界省Indus Kohistan 区， 是一座高水头、长隧洞引水式水电站，该工程主要有堰坝、引水系统、压力系统、发电厂房、沉沙系统、冲砂系统等建筑物组成。

冲砂系统是杜伯华水电站主要水工建筑物之一，冲砂系统由4条冲砂支洞和一条主洞组成，支洞分别与4条沉沙洞相连，冲砂主洞长243米，进口段40米深埋坡积体下，断面设计为马蹄形，开挖断面高度3.55米，最大跨度2.6米。4条冲砂支洞分别与4个出水闸室相连，4个出水闸室由于跨度大，岩石为F类型围岩，因此已完成混凝土衬砌。

2.洞口处理及进洞方案的确定

开挖洞口施工平台时，根据冲砂洞出口现场地形特点，在垂直洞口面高于顶拱2米以下以1：0.7的边坡形成开挖面，上部和侧边均以1：1的边坡形成开挖面。在洞口段采用3米150KN锚杆、Φ6 0.15x0.15 挂网和100mm厚的喷混凝土的支护措施，形成良好的施工作业平台。

工程初步拟定为固结灌浆施工方案。后经洞口部位开挖揭露地层条件看，表层崩积体下方为古河道冲积物，主要为泥沙层夹杂部分碎石、卵石等，且泥砂结合紧密，但无胶结情况。为进一步确定该部位地层情况，经在洞顶上方1m处探孔施工情况分析，主要为泥砂层。为取得较好的施工效果，调整该部位灌浆采用管棚灌浆方案，管棚为主，灌浆加固为辅。此种类型的管棚灌浆可采用花管灌浆工艺，在管棚管上间距0.5m打设一环出浆孔。同时由于为水平孔施工，孔斜不易保证，钻孔灌浆可按开挖段循环进行。每循环灌浆孔孔深为20m。

在第一循环（孔深20m）灌浆结束后，根据开挖后揭示的实际的围岩情况，如有必要，可确定是否进行第二循环的灌浆以及具体的第二循环的灌浆方案。每次循环灌浆结束后在灌注的浆液达到一定强度后即可进行灌浆处理范围内的隧洞开挖工作。钻灌孔的具体布置形式及参数附图1。

3.坡积体段管棚施工方法

3.1 施工工序

本段施工拟采用管棚灌浆法施工，①首先在洞顶上方设计位置用YG-80型钻机跟管钻进，钻孔孔径不小于146mm；②钻孔完成后下设直径不小于75mm壁厚≥5mm无缝钢管（管棚）；③拔出套管，孔口处采用水泥砂浆封闭管棚与孔壁间空隙；④射浆管下入孔底后采用孔口封闭纯压式灌浆法。

管棚灌浆钻孔采用YG-80潜孔钻机钻进；孔向应符合洞轴线方向；钻孔孔径不小于146mm。钻进过程中对钻进的地层及异常情况连续观察，及时记录。因为是水平孔钻孔，因此钻孔不测斜，主要为过程控制。

3.2 管棚灌浆及过程控制

管棚灌浆施工前需进行孔口封闭，以免管棚灌浆时浆液从管棚外壁渗出，管棚灌浆采用纯压式孔口封闭灌浆法，为保证灌浆效果，可多次循环进行灌浆，直到孔口灌浆时孔内不吃浆为止；共设计有两排管棚灌浆孔，根据施工平台情况安排管棚施工顺序，预计最大灌浆压力为1.5MPa。注入率大的孔段应分段升压，一般灌浆段灌浆压力应尽快达到设计值。由于没有进行灌浆试验，现场实施过程中可根据浆液灌注情况调整最大灌浆压力，以免浆液渗透到灌浆以外区域。管棚灌浆水灰比采用2：1、1：1、0.6：1三个比级。管棚灌浆浆液浓度遵循由稀到浓的原则逐级改变。变换标准为：

①当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；

②当某一比级浆液的注入量已达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比浆液灌注；

③当注入率大于30L/min时，可根据具体情况越级变浓。

在该段最大设计压力下，当注入率不大于1L/min，继续灌注30min，可结束灌浆，并做好闭浆措施。

管棚灌浆孔封孔应采用“机械压浆封孔法”或“压力灌浆封孔法”，用浓浆（0.5：1）全孔一次性封孔。封孔压力为该孔最大灌浆压力。如该段灌浆结束为最浓一级水灰比（0.6：1）时，可不进行置换浓浆，直接封孔。

3.3 开挖进洞

由于进洞4 0米为坡积体，尽管已完成顶部管棚灌浆处理，取样判断不乐观，因此采用非常规的开挖方法。冲砂隧洞开挖断面面积6.14～10.36m2，属于小断面洞室，主要采用人工作业。运用分层开挖、局部爆破的方式，保证较小的掏槽开挖进尺，配用小型挖掘设备配合，逐步往前推进。开挖钻孔采用YT-28手风钻作业，出碴采用装载机装运，至洞口再集中倒运到指定弃碴场地。

支护是确保地下洞室开挖安全的有效途径，一般有喷浆、挂网、锚杆、钢拱架等组成。该施工段特殊，洞口段采用分层开挖方式，在上半部开挖完成后立即进行注浆锚杆和钢拱架支护，锚杆和钢拱架布设完成后，采用混凝土或钢纤维混凝土进行喷护，喷护厚度为10cm，待上部稳定后再进行下部开挖，开挖完成后立即进行下部支护，和上半部形成统一整体，为了防止过度沉降，在钢拱架底部焊接较大垫片。反复进行循环操作，甚至进行局部灌浆再处理。

4.冲砂支洞施工方法

4.1施工方法的确定

冲砂支洞紧邻出水闸室，该区域洞室群相互纵横交错，立体交叉口多，加上洞室与洞室之间的岩柱较薄，靠近出水闸室开挖断面大，边墙高，工程地质条件就更显复杂。现场经地质工程师鉴定岩石为D级，岩石较为破碎，为满足出水闸室开挖安全要求，部分闸室已完成永久混凝土衬砌。爆破振动直接影响高边墙的稳定和出水闸室建筑物结构的安全，根据技术规范要求，在已完工或部分完工的砼结构附近进行爆破，爆破导致振动的限度是根据在结构上测量的高峰质点速度確定的，建在岩石上的整体砼建筑物高峰质点速度应满足要求，因此，4条冲砂支洞采用砼建筑物控制高峰质点速度方法进行开挖。

4.2 施工方法

冲砂支洞的开挖采用国内先进的M20爆破振动仪器来监测出水闸室的砼衬砌的振动质点速度，建在岩石上的整体砼建筑物，高峰质点速度vs≤100mm/s。因而在冲沙支洞开挖时须通过爆破振动试验确定最初的爆破控制，并在施工过程中进行质点振动速度监测，经过监测数据对最初的爆破振动成果进行修正和数据分析，从而选择合理的施工方法、装药量和爆破参数，指导隧洞在安全可控的情况下实现开挖，最终4条冲沙支洞全面成功贯通，标志着冲沙系统开挖完成。

经过每轮爆破监测，指导下一轮开挖装药量，直到4条冲砂支洞完全贯通，出水闸室的砼建筑物上高峰质点速度都控制在规范要求范围之内，成功完成贯通。

5.结束语

冲砂系统的开挖与常规的地下隧洞开挖有区别的，坡积体段管棚灌浆处理形成了封闭裂隙，加强基岩的完整性，达到提高岩体强度和刚度的。在开挖过程中明显出现砂砾石形成整体现象，加上临时支护及时，未出现大量塌方现象，说明该隧洞的坡积体段施工方法可靠。

冲砂支洞的开挖也较特殊，使用高峰质点速度控制技术，从现场和检测数据显示，即保证了隧洞开挖质量和速度，又保证了永久砼衬砌不被干扰。说明在这种条件下爆破施工可以保证质量和安全。

主洞洞口坡积体段固结灌浆管棚施工方法和支洞质点速度控制技术，解决了该项目几年来悬而未决的问题，大大加快工程的进度，降低工程成本，在保证质量和安全的前提下，通过对施工方法的研究，实现了冲砂系统的顺利开挖。

参考文献：

[1]张云峰，骆莉，谢毅.蹇家湾水电站泄洪冲砂及消能建筑物布置[J].工业设计，2011（8）：192.

[2]郑小平，熊增生，徐倩，et al.四川横江万年桥水电站泄洪、冲砂闸门制造及施工技术[J].华北水利水电大学学报（自然科学版）， 2011， 32（1）：23-26.