大断面复杂体型压力管道开挖控制技术

林开盛,段 斌,余俊良,张 杰

(1.国电大渡河双江口工程建设管理分公司，四川省马尔康市 624000；2.四川农业大学，四川省雅安市 625014)

0 前 言

压力管道施工与工程地质、围岩分级、施工程序和方法、质量控制手段等密切相关，在压力管道工程施工前必须综合考虑以上因素，并对施工方案进行研究。本文以双江口水电站在建压力管道为例，系统研究其施工方案和质量控制。双江口水电站压力管道断面大、体型复杂，施工体型须跟进洞轴线在空间三维持续变形，施工控制难度大。

1 工程概述

1.1 工程概况

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康市、金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库工程，采用砾石土心墙堆石坝，最大坝高312 m，坝体填筑总量约4 400万m3，坝顶高程2 510.00 m，电站装机容量2 000 MW。引水发电系统布置于左岸，发电厂房采用地下式，厂内安装4台立轴混流式水轮发电机组，采用“单机单管供水”及“2机1室1洞”的布置格局。4条压力管道平行布置(见图1和表1)，设计开挖断面平均直径为10.3 m的圆形断面，衬砌成型后管径8.3 m。

图1 双江口水电站压力管道三维视图

表1 双江口水电站压力管道特征长度数据表 /m

1.2 地质条件

压力管道岩性为灰白色似斑状黑云钾长花岗岩，局部伟晶岩脉较发育，岩体新鲜，洞壁大多干燥～潮湿，岩石坚硬，岩体完整，多呈块状～整体状结构，岩体中地应力高，考虑高应力折减后，围岩以Ⅲa类为主，成洞条件较好。

压力管道处于高地应力区，强度应力比小于4，且主地应力方向与管道轴线交角大，对洞壁围岩稳定不利，施工中可能出现片帮、岩爆，须加强预防岩爆处理措施。

1.3 施工重难点

(1) 压力管道地应力方向与管轴线交角大，对围岩稳定不利，施工中可能出现片帮、岩爆，安全风险大。

(2) 压力管道渐变段存在沿N70°W/SW∠85°～88°产生的集中松弛裂缝，裂缝宽4～10 cm，洞顶滴水，并有N70°W/SW∠20°～25°结构面切割，岩体较破碎，围岩为Ⅳ类，成洞条件差，开挖成型是本工程施工控制重难点之一。

(3) 压力管道空间弯管段为空间三维螺旋形结构，施工体型须跟进洞轴线在空间三维方向持续扭转变形，施工控制难度大[1]。

2 施工程序及方法

2.1 施工程序

压力管道上平段开挖支护总体遵循4、2号与1、3号交错开挖的原则，主要施工程序为：

施工准备→洞口锁口施工→洞口段开挖支护→空间转弯段开挖支护→直线段开挖支护→上弯段开挖支护(部分)→洞内下层石方反方向开挖(循环)。

2.2 施工方法

2.2.1 渐变段开挖

方变圆渐变段长17.604 m，由11.6 m×11.6 m方形渐变成直径11.6 m的圆形。该段开挖分为上、下2层施工，上层高度8.9 m，下层高度2.7 m。洞口部位开挖采取先导洞后周边光爆成型的方法施工。洞口成型后采用短进尺爆破循环开挖，循环进尺不超过2 m，确保渐变段成型质量。

2.2.2 压坡段开挖

4条压力管道压坡段均采用上、下分层断面开挖，下层预留厚度2 m。上层由外向里掘进，先中部掏槽，周边采用光面爆破控制开挖轮廓；先完成上层开挖后，再由里往外进行下层开挖，采用水平光面爆破开挖成型。

(1) 上层开挖钻孔采用自制风钻台车作业，YT28汽腿钻造孔。

(2) 选用2号岩石乳化炸药，人工装药、联网，非电毫秒雷管簇联分段微差控制爆破。

(3) 压力管道上平洞段开挖过程中，随机安全支护适时进行，系统喷锚支护适时跟进施工。不良地质段则根据施工设计做好超前支护，洞挖在超前支护措施保护下作业。

2.2.3 空间转弯段开挖

4条压力管道空间转弯段均采用上、下分层断面开挖，下层预留厚度2 m。上层由外向里掘进，先中部掏槽，周边采用光面爆破控制开挖轮廓；先完成上平段全部上层开挖后，再由里往外进行下层开挖，采用水平光面爆破开挖成型。

每个空间转弯段开挖分为22个循环开挖，钻孔前先测量计算偏移角度与钻孔深度。按循环进尺1.5 m考虑，标准循环段左侧最大钻进深度约1.7 m，右侧边墙钻孔深度约1.3 m，由此达到空间转弯的目的。具体循环进尺以及偏移角度等参数详见表2和图2。爆破设计见图3和表3、4。

压力管道空间转弯段开挖方法如下：

(1) 上层开挖钻孔采用自制风钻台车作业，YT28汽腿钻造孔。

(2) 选用2号岩石乳化炸药，人工装药、联网，非电毫秒雷管簇联分段微差控制爆破。

表2 压力管道空间转弯段开挖质量控制参数表

图2 压力管道空间转弯段钻爆进尺控制图 单位：mm

图3 空间转弯段爆破布孔图 单位：cm

开挖断面/m2钻孔总数爆破方量/m3总装药量/kg炸药单耗/(kg·m-3)预期进尺/m65.8612198.895.70.971.5

表4 钻爆参数初设值表

(3) 空间转弯段开挖过程中，为保证爆破成型质量，需要对每循环进尺角度和各部位钻孔深度进行控制，具体参数见表2和图2。

(4) 压力管道空间转弯段开挖过程中，随机安全支护适时进行，系统喷锚支护适时跟进施工。不良地质段则根据施工设计做好超前支护，洞挖在超前支护措施保护下作业。

2.2.4 上弯段开挖

考虑斜井段施工反井钻机作业平台，需要在上弯段处进行技术扩挖以满足反井钻机作业空间需求，同时为保证后续斜井施工，需在上弯段顶拱设置天锚，以满足卷扬系统工作需要。

上弯段扩挖区域为弯段顶部尺寸24.37 m×9.9 m的三角部分，具体施工示意图见图4。

图4 压力管道上弯段开挖图 单位：m

根据以往工程经验滑模系统总量约20 t，考虑人员及设备荷载，并按1.5倍安全系数，总牵引力按60 t计，天锚计划布设4×Ø32 mm、L=6 m的锚筋，可满足受力要求。具体天锚参数布置见图5。

图5 压力管道上弯段天锚布置图 单位：m

3 开挖质量

3.1 质量控制要点

(1) 地下洞室开挖，测量放样是关键。施工过程中，每个循环爆破钻孔前均应根据施工图纸进行测量放样，并检查上一循环超欠挖情况，测量结果及时反馈到相关部门及施工人员，以便指导后续开挖施工。

(2) 钻孔质量直接影响开挖效果。钻孔施工采取定人、定机、定位的“三定”原则，即，将所有炮孔根据施钻人数划分责任区，实行“专孔专人专钻”，保证钻孔质量，同时也有利于炮后进行每茬炮的质量优劣分析及评比。

(3) 装药爆破质量控制。光爆孔、预裂孔药卷按爆破设计装药结构要求捆绑于竹片上，不耦和装药系数应大于1.5。光爆孔、预裂孔药卷必须经监理验收合格后方可插药入孔。装药过程中爆破班长、技术员现场旁站，三检员和现场监理随时抽查或现场监督。装药结束经监理签发准爆证后方可实施爆破。

(4) 爆破界面质量检查及参数调整。爆破开挖质量按每排炮进行检查和评定，在下排炮的钻孔前进行。检测项目包括：爆破半孔率、半孔平行度、平整度、超欠挖、排炮间错台等，每排炮开挖爆破界面质量检查评定成果作为工法改进的主要依据。同时依据质点振动速度及爆破效果调整爆破参数，不断提高开挖质量。

(5) 严格控制空间转弯段施工质量，钻孔前由测量计算偏移角度与钻孔深度，循环进尺控制在1.5 m以内，且测量人员加密复核洞轴线。

(6) 开挖后及时支护，防止围岩松弛变形失稳；遇到断层及不利结构面及时采取有效防范措施，确保洞室围岩稳定及施工安全。

3.2 质量控制效果

现场洞挖严格按照设计断面进行开挖，加强过程质量管控，取得了良好的开挖成型效果(见图6)。

图6 开挖效果图

(1) 围岩松动范围控制在20～120 cm，最大120 cm。

(2) 超欠挖质量控制：压力管道开挖共检测189个断面，947个点，无欠挖，平均超挖值12.4 cm(见表5)。

表5 双江口水电站压力管道超欠挖控制成果表

(3) 不平整度及半孔率质量控制：压力管道开挖共检测189个断面，3 255个点，最大值16.5 cm，平均值14.5 cm，检测点合格率93.4%；检查炮孔1 133个，半孔率92.2%(见表6)。

表6 双江口水电站压力管道不平整度及半孔率控制成果表

4 结 语

双江口水电站引水发电系统工程压力管道上平段施工，结合管道的结构形式及实际条件，施工中多种开挖方式有效结合，并通过测量放样、钻爆工艺控制，取得了良好的成型效果，达到了超欠挖控制精度要求，减少弯管超挖与混凝土回填量，节约工程成本，其施工参数与经验在其他类似工程中具有推广借鉴意义。