金水河三级水电站压力钢管隧洞内施工技术应用

李强宗

(广东水电二局股份有限公司,广东 广州 510000)

1 工程概况

金水河三级水电站位于云南省金水河上，为引水式电站，工程的建设可满足当地用电需求，进一步提升区域社会经济增长。枢纽建筑物主要由拦河坝、引水建筑物(包括引水隧洞、调压井、压力钢管)、地面厂房及升压站等组成[1]。引水隧洞总长6288.717m，断面为圆形，其中1#压力引水隧洞长4030.753m，2#压力引水隧洞长2253.964m。调压井位于1#引水隧洞末端处，后接压力钢管。压力钢管总长347.855m，其中主管长330.108m，管径3.6m，壁厚34mm；支管长17.747m，管径2.0m，壁厚26mm。主管主要采用洞内埋管，洞内坡度为5.71°，其分段桩号及隧洞断面型式见表1。

表1 压力钢管主管分段情况表

为保证工程顺利引水发电，压力钢管在隧洞内的成功贯通是项目的关键节点，因此须进行科学的施工技术方案分析及质量管控。压力钢管洞内施工流程主要包括洞内开挖及支护、钢管运输及安装、管周混凝土浇筑3个环节，结合项目建设实际，对其关键技术方案及质量管控要点进行分析，以期为我国水电站压力钢管的建设积累经验。

2 工程地质条件

施工技术方案编制与工程场地地质条件密切相关[2]。根据项目地勘报告，工程地震基本烈度为Ⅵ度。根据GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》，工程场地8km范围内无活动断层，库区无大于等于5级的地震活动，抗震稳定性好，因此工程场地属于建筑物抗震有利地段。压力管道沿线未发现明显影响隧洞洞口稳定的泥石流、滑坡等现象，适于引水隧洞的开凿。隧洞沿线分布Ⅲ～Ⅴ类围岩，局部洞段由于隧洞埋深较大，可能出现轻微～中等岩爆，影响深度为0.5～1m，对隧洞施工有一定影响。压力管道为洞内埋管，通过堵头与隧洞相连接，镇、支墩均置于洞内强～微风化变质砂岩、细砂岩、板岩之上，基础较稳定。根据沿线隧洞开挖情况，分段地质描述见表2。

表2 压力钢管(洞内段)地质分段描述

3 关键施工技术方案

3.1 隧洞开挖及支护

根据围岩情况及洞段部位不同，压力钢管的隧洞洞身主要采用常规喷锚支护，不良地质洞段进行衬砌支护或超前支护。对于洞身出口段，其局部稳定性差，可能发生小～中等坍落，须喷混凝土或喷锚支护，拱顶设置系统锚杆。结合现场实际条件及施工进度安排，考虑隧洞开挖和支护同步进行，具体施工程序可分为以下4种情况：

(1)支洞施工总体程序：施工准备→支洞进口测量→洞口明挖及洞脸支护→洞身开挖→支洞地质素描→支洞支护施工。(2)明挖主要施工程序：岩面清理→初喷混凝土→锚杆施工→挂钢筋网→喷混凝土→下层开挖。(3)一般洞段开挖施工程序：测量放样→钻孔→装药→联网起爆→通风排烟→安全检查→出渣→安全处理→支护→掌子面清理→进入下一循环。(4)穿过断层破碎带等不良地质洞段开挖施工程序：测量放样→钻孔→装药→联网起爆→通风排烟→安全检查→安全处理→顶拱初喷混凝土→设置系统锚杆→出渣→钢支撑、顶棚、喷射混凝土(必要时)→掌子面清理→进入下一循环。

3.1.1洞脸开挖与支护施工

首先采用反铲将洞脸表面覆盖层开挖掉，然后对岩石进行手风钻钻爆。洞脸从上向下开挖过程中，根据现场实际情况及时进行支护处理，以防止雨水冲刷导致边坡失稳[3]。根据地质情况采用C25混凝土进行洞脸喷护，并在局部岩石完整性较差的部位加打锚杆和喷砼支护。

3.1.2洞身开挖与支护施工

该项目施工支洞开挖断面相对较小，故采用全断面开挖方法，设计边线采用光面爆破形成。开挖后及时检查施工区域洞壁，并加强岩石的历时变形监测[4]。为保证场地围岩稳定，先对洞身进行超前锚杆及钢拱架临时支护，随后及时进行C25钢筋混凝土永久衬砌支护。

3.2 钢管运输及安装

隧洞开挖形成并防护稳定后，可进行压力钢管的洞内运输及安装工作。压力钢管分节制作，每节4m。在管道运输及安装前，须及早准备好运输与吊装设备，以保证按计划推进施工。同时足额配备切割下料、除锈及焊接设备等，确保工程按计划实施。场地内应备好动力接线及开关，保证工程顺利进行。

3.2.1钢管现场运输

在运输滑行台车支架上安置压力钢管如图1所示，其轨道中心距为2m，前后各用2个千斤顶进行钢管就位微调。钢管应在运输台车上固定牢靠，并将卷扬机钢丝绳与运输台车进行连接。之后用卷扬机和叉车配合，在隧洞出口处将钢管向洞内牵引至指定位置。

图1 压力钢管运输方案图(注：图示尺寸为mm)

3.2.2钢管安装

对压力钢管进行逐节安装，并采用全站仪监测钢管定位节(初始节)的安装数据，其偏差符合设计要求后方可进行钢管的外支撑加固[5]。为确保钢管在混凝土浇灌时不发生变位，在洞壁和管壁之间用14#槽钢分8至16个点(定位节)来支撑，并在每支撑点施打锚杆固定。钢管的外支撑加固如图2所示，安装所需材料见表3。

图2 压力钢管安装外加固筋示意图

初始定位节安装完毕后，将第二节钢管缓慢下放并移至定位节，用千斤顶将钢管顶起后进行微调，待安装管节的各项尺寸符合要求后，即可进行环缝对接。环缝的对接错位利用顶杠和千斤顶进行调整，之后便可进行钢管对接环缝点焊(点焊长度为50～80mm，间距为300～500mm)。环缝点焊完毕即可进行钢管加固，并保证牢固可靠。在钢管对接过程中应随时监测钢管的高程、桩号及中心变化。环缝组装完毕后，可对钢管组装质量进行检查和验收，合格后交焊工对其施焊。其余管节安装方法类同。

3.3 管周混凝土浇筑

根据项目设计方案，洞内钢管周围的混凝土衬砌厚度为60cm，洞外明管段外包混凝土厚度为120cm，混凝土总量约为5447m3。管周混凝土根据钢管安装的进度合理组织施工，其中明管段外包混凝土施工难度较小，按常规混凝土施工即可，堵头及洞身采用微膨胀混凝土浇筑；洞内管周混凝土浇筑应进行重点控制。

在钢管周围衬砌混凝土回填之前，须清除钢管外表上的浮锈及其它有害物质，在浇筑混凝土之前一直保持清洁[6]。钢管周围衬砌回填混凝土采用预埋泵送管分段浇筑如图3所示，钢管安装20～30m后移交混凝土浇筑，具体分段长度可根据现场情况进行调整。为保证管周混凝土浇筑饱满，每仓仓面内预埋两条泵送管，泵送管安装在拱顶中心位置两侧(与灌浆检查孔位置错开)，长短宜交错布置，其中长管距里侧模板或混凝土面50～100cm。浇筑过程中主要使用短管进行浇筑，长管兼顾排气管使用，当长管有混凝土浆液流出时将其封闭，随后继续泵送混凝土至钢管周围并浇筑完成。

图3 仓面预埋泵送管示意图

混凝土浇筑时，采用软轴式振捣器进行振捣，并加强钢管底部和加筋环周围部位的振捣，使混凝土达到最大密实度[7]。每层浇筑厚度控制在30～50cm，并保证管道左右对称浇筑，均匀上升，混凝土层间浇筑间歇时间<90min且不得大于最早初凝时间。浇筑设备由有经验的工人操作，以确保混凝土能被泵送压入岩面的所有凹凸面内，以填满整个空腔。浇筑完成后，为不妨碍洞内其余节的钢管安装，混凝土采取盖麻袋洒水养护，早期潮湿养护不少于21d，炎热季节应延长至28d，以防止混凝土的早期塑性开裂。

表3 压力钢管安装材料表

3.4 质量管控要点

水电站压力钢管施工具有建设条件有限、施工流程复杂、特种设备交叉作业等特点，因此须对管道的主要施工环节进行科学的质量管控。施工前，项目部应建立以项目经理为核心的质量保证体系，认真把好图纸会审关、方案编制关、设备验收关、施工工序质量检查关和质量收集关，使施工质量在各个环节上能得到有效控制[8]。同时，技术人员应认真对施工班组进行技术交底，在施工过程中严格落实“三检制”要求。结合金水河三级水电站压力钢管建设实际，其主要施工质量管控要点如下：

(1)隧洞开挖施工前，应进行详细合理的爆破开发方案设计，并组织实施生产性试验，以确定爆破技术参数。结合试爆效果，对爆破方案进行修正和完善以达到最优产出。

(2)提升施工期围岩变形及爆破震动的监测频次，结合监测结果优化开挖及支护设计，保证洞室和毗邻岩体结构稳定可控。

(3)钢管安装主要在引水隧洞内完成，周边环境湿度较大，不利于钢管焊接质量控制。为了确保焊接质量，所有焊缝均采用半自动气体保护焊和手工电弧焊。

(4)混凝土施工作业遵照相关规范执行。为保证混凝土质量符合要求，须加强进场材料质量管理和抽查检测，严禁不合格材料的使用；在混凝土的配置过程中，必须保障混凝土配合比的科学性，并严格遵守相应的施工规范与要求。

(5)混凝土浇筑中应重点关注泵送过程是否出现堵塞，其常见堵塞原因一是泵送混凝土不合格，主要表现为混凝土离析、塌落度不符合要求或粗骨料粒径过大；二是在泵送过程中，若每个泵送冲程的压力高峰值随冲程交替而交叉上升，在达到设定压力后，正常的泵循环会自动停止，主油路溢流阀会发出溢流声；或在泵送过程中，出现泵压力和油温升高，管端出料困难或停止出料，就表明发生堵塞。堵塞后不得强行泵送，应用木槌适度敲击弯管及锥管部位，同时进行1～2个反泵循环，就有可能排除堵塞。如仍然无效，则表明堵塞较严重，应立即查明原因并处理。

4 结语

在系统分析金水河三级水电站地质条件的基础上，对压力钢管洞内施工的技术方案及质量管控要点进行了论述，形成主要结论如下。

(1)引水隧洞在施工过程中，为确保围岩稳定，先对洞身进行超前锚杆及钢拱架临时支护，随后及时进行C25钢筋混凝土永久衬砌支护。

(2)压力钢管应分节制作、运输和安装，并重点控制洞内安装质量。安装完成后应采用半自动气体保护焊和手工电弧焊确保潮湿环境下的焊缝质量。

(3)混凝土浇筑前进行配合比设计，浇筑中重点关注泵送过程是否出现堵塞，并在浇筑完成后注意养护到位。

(4)工程实践表明，通过进行科学合理的施工技术分析及质量管控，可保证压力钢管施工满足工期、安全及质量要求，且运行后无质量缺陷产生。工程的实施，可为我国水电站压力钢管的建设积累现实经验。