灵关水电站压力管道斜井开挖施工技术

李 东 强， 董 雪 梅， 孟 凡 朋

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

灵关水电站地处青衣江支流宝兴河中游段，位于宝兴县灵关镇小关子～大溪乡烟溪口河段，上接小关子电站尾水，下接铜头电站库尾。电站由挡水建筑物、泄水建筑物、7.277 km长的引水隧洞、调压井、调压井前后渐变段、250 m长的压力管道、主副厂房、安装间、GIS楼及860 m长的尾水渠等建筑物组成。电站装机容量为2×38.4 MW。

灵关水电站压力管道采用埋管方案，采用一条主管分为2条支管( 对称“Y”形分岔)向2台机组联合供水的方式以使水流进入厂房时对称均匀。压力管道的管线全长240 m，由上平段、斜管段、下平段组成，钢管在下平段分叉。

压力管道采用钢管外包钢筋混凝土(C20微膨胀混凝土)的型式，混凝土衬厚除管道始端10m长之内为1 m外，其余均为60 cm。埋管外包混凝土与基岩接触部分全线管道顶部120°范围采用回填灌浆，管道围岩全断面进行固结灌浆。

压力管道的斜井布置及设计支护情况见图1。

2 压力管道斜井的开挖及支护

图1 灵关水电站压力管道剖面图

2.1 施工规划及施工程序

由于灵关水电站压力管道的斜井坡度为45°，且其地质条件极差，在无辅助手段的情况下难以成井，故不适用于采用反井钻机进行导井开挖。因此，在上弯段开挖及临时支护完成后，先采用人工从上自下开挖了一个3 m×3 m城门洞型导井[1](顶部弧型与压力管道设计开挖断面相对应)，导井贯通后再自上而下由人工利用YT-28手风钻造孔，采用钻爆法施工，人工扒渣溜至下弯段，柳工50C装载机装渣至下平洞口装15 t自卸汽车经2#机改道公路运至渣场。

无论是导井开挖或斜井扩挖，施工过程中均须适时跟进并加强钻爆前的超前支护及钻爆后的临时支护，以确保施工过程中人员、设备的绝对安全。所采用的临时支护措施为：钻爆前超前锚杆、钻爆后及时素喷C20混凝土封闭岩面，再架工字钢或格栅拱架并进行锚喷临时支护[2]。遇垮塌部位时及时回填灌浆充填，防止垮塌事故的进一步加大。

2.2 施工布置[2，3]

(2)施工用风、水、电。施工用的风、水、电均由上、下平段就近位置直接引入工作面即可。

(3)通风散烟。斜井导井施工时采用压入式通风，导井贯通后为自然通风。

(4)施工排水。导井施工的排水由潜水泵抽至6#+1支洞后自流出洞外烟溪沟内，扩挖时由下平洞自流至洞口，由潜水泵经集水坑抽排至烟溪沟内。

2.3 开挖方法

2.3.1 导井施工

从斜井扩挖施工的安全角度考虑，斜井导井采用正井法上导井施工，开挖时保证顶部按设计断面开挖并及时跟进临时支护，以减少扩挖时的重复支护和对顶部的扰动。卷扬机提升系统参考《水电建设》期刊2006年第2期(总第64期)中《软弱围岩斜井开挖施工》一文中卷扬机提升系统进行布置。卷扬机选型为JM-5型电动卷扬机。

(1)钻爆开挖。人工持YT-28手风钻钻孔，周边光面爆破，楔形掏槽方式，孔深1～1.2 m，周边孔孔距为30～40 cm，崩落孔间距为50～70 cm，人工装2#岩石乳化炸药，非电毫秒雷管爆破，周边孔原则上采用导爆索光面爆破。局部段内由人工持镐直接挖凿成型。人工装自制装渣料斗，由卷扬机提升系统经槽钢轨道拖至上弯段卸料，小四轮或胶轮斗车接料运至附近存放，装载机装15 t汽车运至渣场(图2)。

在钻爆过程中，始终遵循“短进尺、多循环、弱爆破、强支护、循序渐进”的原则进行施工。

(2)安全支护。由于导井开挖支护的重要性及该处地质条件的特殊性，项目部对整个斜井段导井开挖坚持超前锚杆、锚喷支护、工字钢拱架或格栅拱架相结合的支护原则。支护参数为：①钻爆前，在开挖边线以外10 cm按4°～5°打入φ25@30 cm，L=3 m的超前锚杆，超前锚杆的压接长度以不小于150 cm为宜；②爆破后立即喷5 cm厚C20混凝土封闭岩面，然后按70 cm左右间距架设钢筋格栅拱架，打入φ25，L=3 m锁脚及固拱锚杆，然后加挂φ6.5@20 cm×20 cm钢筋网，再喷10 cm厚的C20混凝土进行支护[4，5]；③对特别差的地质条件洞段，将超前锚杆改为注浆花管，打入后及时注浆预固结，然后再钻爆开挖并支护，或将格栅拱架改为I16工字钢拱架。

图2 灵关水电站压力管道斜井导井施工示意图

为了保证导井顶部在后期扩挖过程中的绝对安全，顶部锁拱锚杆的施工质量尤为关键，不仅要保证锚入深度，并且要保证药卷的饱满度，而且锚杆与拱架之间的焊接质量亦至关重要。施工过程中必须安排专人进行专项检查。

2.3.2 斜井扩挖施工

斜井导井开挖、支护完成后，随即进行压力管道斜井扩挖的施工。由于地质条件太差，由下至上扩挖安全威胁太大，故只能采用单头进尺多断面(垂直于轴线方向)同时跟扩挖的方式进行。

扩挖过程中，将上半圆有意识地领先一定距离，让导井口始终略低于后面，以利将扒渣面形成一个前低后高的面。

斜井扩挖情况见图3。

图3 灵关水电站压力管道斜井扩挖示意图

(1)爆破扩挖。人工持YT-28手风钻钻孔，周边光面爆破，楔形掏槽方式，孔深1.5～1.8 m，周边孔孔距为40～60 cm，辅助孔间距为70～90 cm，人工装2#岩石乳化炸药，非电毫秒雷管爆破，周边孔原则上采用导爆索光面爆破。局部段内由人工持镐直接挖凿成型。

(2)安全支护及清渣。爆破后由人工及时扒除两侧边墙部位的爆渣，及时喷5 cm厚C20混凝土进行岩面封闭，人工抬格栅拱架至工作面沿原导井顶拱拱架对应分段顺弧接下，然后根据需要打、灌φ25，L=3 m锁拱锚杆，与拱架作牢固焊接后再加挂φ6.5@20 cm×20 cm钢筋网片，再喷10 cm厚C20混凝土进行支护[4，5]。为了尽可能地保证拱架的整体性，将拱架断面垂直于轴线方向，整榀拱架分2～3次接下。然后再由人工扒除掌子面爆渣沿导井溜下。

在实际施工过程中，由于斜井坡度为45°，而且岩石为薄层粉砂质泥岩、炭质页岩偶夹薄层状泥质粉砂岩，岩石质软，爆渣难以沿溜渣面自然溜至下弯段出渣面，经常有将导井堵住的现象发生。为此，采用了水力冲渣的方法，很好地解决了这一难题，使工人的劳动强度得到了很大程度的降低。

3 质量与安全控制

在整个导井开挖和斜井扩挖施工过程中，安全和质量控制绝不能忽视。

(1)安全方面。爆破过程中，“短进尺、多循环、弱爆破、强支护、循序渐井”的原则必须贯彻始终，安全支护参数的确定和支护的及时性必须有效予以落实，切忌盲目追求进尺而忽略安全，任何侥幸心理都可能造成难以挽回的安全事故。

施工过程中，每位施工人员上、下斜井时都应有意识地对沿途已支护好的部位进行观察，对变形部位及时告知相关人员，以便对其进行及时、有效的处理，保证施工人员和施工设备的安全。

施工设备的选型必须满足施工需要，并且要保证相应的安全系数。使用过程中必须由专人负责，严格按操作规程操作。

(2)质量方面。对锚杆、挂网、喷混凝土的质量必须严格把关。拱架的焊接质量至关重要，其关系到整榀拱架的整体性，亦关系到整个斜井在开挖过程中、压力钢管运输和安装过程中以及后期回填混凝土施工的长期安全。焊接后由质检人员进行严格把关，不合格焊缝未经处理不能进行下道工序的施工，必须坚持“宁慢勿松”的原则。

由于压力管道的开挖牵涉到后期压力钢管的运输，所有的钢管均须由下平洞拉进并逐节到位，必须要求开挖断面绝不能有欠挖现象存在，且处理欠挖对已支护好的拱架等均有相当大的安全威胁，因此，在开挖控制过程中有意识地对开挖断面在设计断面的基础上进行了一定的放大(半径增加15 cm左右)，进而保证了后期压力钢管的顺利运输。

4 结 语

灵关水电站压力管道斜井工程于2008年6月开始进行导井施工，2008年11月3日贯通并开始斜井扩挖，2009年3月完成扩挖。施工过程中，针对工程地质情况的特殊性，采取了上导井开挖然后进行斜井扩挖并及时跟进安全支护的施工方案。在支护过程中，针对特殊洞段采用了注浆花管先注浆、后开挖或在支护后再注浆等系列措施，压力钢管已全部安装完毕，斜管段、上、下弯段回填混凝土已全部浇筑完毕，施工过程中无人员、设备安全事故发生。实践证明：在如此复杂的地质条件、特殊结构的压力管道斜井开挖过程中，所采取的质量、安全措施行之有效，所选定的支护参数可行。