不良地质条件下压力管道斜井的设计优化与施工

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 工程概况

上通坝电站为闸坝引水式开发，额定引用流量106.29m3/s，额定水头250m，装机3台，总装机容量240MW。电站压力管道采用埋藏式，由上平段、上竖井(由原上斜段设计更改)、中平段、下竖井(由原下斜段设计更改)、下平段组成，设计更改后主管总长955m，内径5.2m，支管内径2.8m，其中下竖井深125.66m(含上下弯段高度)。

管道围岩为三叠系上统图姆沟组中段(T3t2)薄层状泥质板岩，岩层产状N32°W/NE∠80°～85°，局部直立。岩石质软，遇水易软化，为Ⅴ类围岩，有地下水活动，以浸润状渗水为主，局部滴水。

2 原斜井设计方案

原压力管道主管由上平段、中平段、下平段及两个斜段组成。中平段中心线高程2967.5m，直段长137.0m；下斜段以管0+441.398为起点，与下平段采用60°斜井相连接，至管0+605.536处与下平段相接，长164.14m，转弯半径为20m；下平段中心线高程2841.54m，主管长309.9m。由中平段起，总长611.038m。压力管道全线采用外包60cm厚的C20混凝土，全线采用固结灌浆，孔深3m，间排距3m。

原方案斜井布置主要考虑三个因素，一是从工程量和投资因素考虑以求轴线最短、费用最低；二是在原围岩组成以硬质灰岩为主的条件下，从施工安全上考虑同岩层走向尽量增大角度相交以利于施工成洞；三是从施工作业角度看，斜井方案改善了施工人员作业环境，有利于施工作业。

3 设计优化前施工情况以及优化的提出

3.1 设计优化前施工情况

2015年5月14日下斜段上弯管开始反井钻机就位准备工作，25日正式开始先导孔钻孔，26日总进尺17m时，开始出现塌孔、卡钻现象。承包商采取灌注砂浆处理，待凝后于5月31日恢复钻孔仅进尺3m。6月1日再次塌孔、卡钻并难以钻进。塌孔采用掺入速凝剂和水玻璃的浆液分段灌浆加固，反复循环钻进-灌浆-待凝-扫钻过程。6月2日孔内灌浆待凝，6月3日扫孔至20m时再次塌孔，继续灌浆处理并待凝后于6月5日总进尺至24m，塌孔后再次灌浆处理，6月8日施工进尺仍为24m，塌孔、卡钻现象十分突出，工作难以推进。

3.2 设计优化的提出

分析认为，钻孔困难的主要原因是在不良地质条件下钻孔工艺控制难以到位导致导孔发生偏斜，进而塌孔、卡钻。下斜段围岩为薄层状泥质板岩，有地下水活动，岩石质软破碎，在钻孔作业影响下极易泥塑化，岩石强度不足以提供竖向支持力以抵消钻杆自重。钻进时，钻杆推进的轴压太高，由于钻杆有一定的柔性，在自重荷载和轴压的双重作用下，容易发生弹性弯曲，造成孔向下偏斜。同时钻杆靠在井壁的下侧旋转时发生严重摩擦，造成了井壁坍塌和卡钻事故，严重时甚至会使钻杆发生磨损和折断。

在不良地质条件下，斜向钻进对施工工艺要求高，容易产生塌孔、卡钻现象，各方提出调整下斜段布置方案，由斜井调整为竖井方案。

4 设计优化过程

4.1 设计变更方案

压力管道主管由上平段、中平段、下平段及两个竖井段组成。中平段中心线高程2967.5m，直段长131.0m；下竖井段以管0+435.398为起点，与下平段采用90°竖井相连接，至管新0+583.786处与新下平段相接，长148.38m，至管新0+645.601(原管0+605.536)处与原下平段相接，长210.2m，转弯半径为20m；下平段中心线高程2841.54m，主管长309.9m。由中平段起，总长651.10m，对比斜段方案，竖井方案长度增加约40.07m。具体布置详见图1。

图1 竖井、斜段方案纵剖面

4.2 方案比选

4.2.1 地质条件

斜(竖)井均为薄层泥质板岩，属Ⅴ类围岩。岩体破碎，质软，有地下水活动，围岩自稳条件差，围岩地质特性没有本质区别。

4.2.2 钻孔工艺

原斜井方案：从上斜段钻孔经验看，尽管采取了孔外预固结灌浆加固、孔内灌浆护壁等措施，可能仍然存在钻杆下沉，造成孔向下偏斜，进而塌孔、卡钻等问题。

竖井方案：钻机钻进方向竖直向下，自重荷载产生的弯矩为零，将有效降低轴压造成的钻杆弯曲，反井钻机的适用性更好，对施工单位的施工工艺，孔斜控制等要求可进一步降低，竖井方案是有利于反井钻机成孔的。

4.2.3 结构布置

竖井方案线路增长约40m，压力管道高水头受力部分增长，因此相应板材重量及开挖支护工程量均比斜井方案有所增加，从结构布置角度看，原斜井方案略优。

4.2.4 水头损失

竖井方案较斜井方案沿程水头损失增加0.1m，局部水头损失增加0.06m，共计0.16m，水头损失极小。

4.2.5 施工影响

斜井方案为60°斜坡相对利于施工作业。洞轴线与岩层倾向交角略大，利于成洞，但也存在顶拱塌方风险；竖井存在开挖切角导致井周失稳风险；竖井方案工期略长，但相对可控。

4.2.6 费用分析

斜井方案为1162万元，竖井方案为1558万元，竖井方案高出396万元。

4.3 方案选择

竖井方案尽管工程量增加、投资高，但钻机作业条件好、钻孔工艺控制相对容易、工期可控，推荐采用竖井方案。

5 变更后的开挖施工

5.1 开挖方案

开挖采用“导井溜渣、自上而下、逐层开挖”的方式，由反井钻机先进行D216mm先导孔施工，完成后更换D1.4m钻头进行反拉形成溜渣井，之后进行全断面扩挖。

5.2 井身安全支护措施

(1)超前预固结灌浆：中轴线布置1孔，在1.4m导井开挖线向外偏移0.5m线上均匀布置4个灌浆孔，在竖井全断面开挖线内侧均匀布置10个灌浆孔，间距1.5m。

(2)井口锁口：在竖井井口2964.3m～2962.3m高程段设置60cm厚C25混凝土锁口，单层配筋。锁口浇筑部位支护参数为挂钢筋网φ6.5@20cm×20cm及系统锚杆φ25，L=3m，间排距1m×1m。

(3)溜渣井加固：在1.4m溜渣井底部增加I18钢支撑作为临时支护，间距0.8m。溜渣井底部段井壁设置φ25@1m，L=3m锚杆，喷10cm厚C20混凝土。溜渣井周围的竖井底部挂钢筋网φ22@20cm×20cm。

(4)全断面下挖施工期系统安全支护方案：采用喷锚支护+钢支撑的联合支护型式，喷15cm厚C20混凝土，挂φ6.5mm@10cm×10cm钢筋网，设置φ25mm砂浆锚杆，L=3m，I16环形钢支撑@0.8m～1.0m。

(5)圈梁加固：为防止围岩因局部塌落导致边墙整体失稳，每隔15m～20m设置一道环形C25钢筋混凝土圈梁，圈梁井筒向高1m，厚度60cm，双层配筋。

(6)开挖中特殊情况的处理：竖井2964.30～2949.80高程段围岩破碎、渗水、稳定性差，属特殊Ⅴ类围岩，成井条件差，采用φ42超前注浆小导管加固，环向间距视具体情况采用，长度为4.5m，排距2m。

5.3 开挖实施情况

φ216mm导孔二次施工于2015年12月1日再次开始，12月17日贯通，φ1.4m导井反提12月17日开始，1月5日完成；竖井全断面开挖及支护，2016年1月23日开始，2016年11月9日完成。变更后从钻孔的效果看，先导孔平均钻速5m/d，溜渣井扩挖平均达到8m/d，塌孔及卡钻现象不突出，成孔顺利。井筒全断面开挖支护措施到位，遇到险情及时处理，没有发生大的塌井事故，井挖工作顺利完成。

6 结语

上通坝压力管道下斜井调整为竖井后，溜渣井反井钻机法顺利成孔，同时在有效的安全支护措施保护下井身开挖也顺利完成。实践证明，设计和施工紧密结合、互相兼顾是有利于工程推进的。同时在不良地质条件下，采取合理有效的支护措施后，深长竖井是可以实现安全施工的。