新疆奎屯河引水工程新龙口电站竖井施工方案探究

徐向东

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

新龙口水电站厂址区位于新龙口渠首下游奎屯河出山口右岸，处于中山区与山间洼地两地貌单元交界位置，地势南高北低。奎屯河河谷在该段呈“U”字型，平坦、开阔，现代河床宽160～200 m，高程968～980 m，纵坡1.2%。河谷两岸陡立，为数百米高的陡崖，由于长期的风化剥蚀、雨水冲刷作用，形成沟壑密集的冲蚀地貌。在实际施工中，还需要严格按照施工方案加以处理。

1 项目概况

新龙口电站，设计引水流量48.5 m3/s，新龙口电站装机140 MW，主要由泄水陡坡、前池、压力管道和厂房等主要建筑物组成。前池、泄水陡坡、压力钢管、电站厂房为2级建筑物；其他临时建筑物为4级。

2 隧洞布置方案咨询

3 计算模型咨询

经与武汉大学水利水电学院咨询，由于竖井地层岩性为下更新统(Q1X)西域砾岩，不是纯粹的岩石，在运行期内水压力的作用下不足以提供足够的围岩支撑，且存在遇水软化的问题。建议采用临时支护解决施工期掉渣和围岩稳定问题，采用一次衬砌解决施工期结构稳定和设备布置问题，由钢管单独承受内水压力，不在管壁开孔进行回填灌浆和接触灌浆，采用一次衬砌和二次衬砌联合承受外力[2]。

3.1 结构设计

竖井自管道向外结构依次为：钢管+70 cm厚C25回填钢筋砼+45 cm厚C30钢筋砼一次衬砌+型钢拱架支护(挂网+10 cm厚C25砼喷护)，开挖洞径6.60 m。

3.2 结构稳定数值模拟分析

3.2.1 支护时机初判

经过数值模拟分析可知，围岩应力释放55%～60%时，围岩变形尚在可控范围内，可考虑进行钢拱架、喷锚等初期支护的架设[3]。

3.2.2 施工期结构稳定分析

初期支护考虑钢拱架、喷层、锚杆和一次衬砌，按照不同的支护施作时机设计方案，将各支护方案的围岩变形和塑性区深度结果、支护结构的施加情况和工作性能列详见下表1。

分析以上各方案计算结果，可以得出以下结论：方案SG04在开挖后围岩应力释放80%时进行钢拱架及喷锚支护，即初期支护落后于掌子面2 m施作；应力释放90%时施加45 cm厚钢筋混凝土衬砌，即衬砌落后于掌子面4 m施作。支护完成后围岩最大变形为6.0 cm，最大塑性区深度1.33 m，围岩变形在可控制范围内，且钢拱架、锚杆及一次衬砌工作性能良好[4]。

3.2.3 运行期结构稳定分析

选择上述部分方案进行分析，具体见表2。

分析以上各方案计算结果，可以得出以下结论：对于方案YX01和方案YX02可知，衬砌承担部分围岩应力，对衬砌结构在运行期的安全性更有利。在方案YX01、方案YX02、方案YX03中，内衬钢板分别分担60.8%、75.6%、63.7%的内水荷载，钢衬应力均满足设计要求。

3.3 井筒抗滑稳定分析

一次衬砌井筒抗滑摩擦力根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)钻(挖)孔灌注桩的承载力进行计算，其容许值：

(1)

qr=m0λ[[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

式中：[Ra]为单桩轴向受压承载力容许值(kN)；桩身自重与置换土重(当自重计人浮力时，置换土重也计人浮力)的差值作为荷载考虑；U为桩身周长(m)；Ap为桩端截面面积(m2)，对于扩底桩，取扩底截面面积；n为土的层数；li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度(m)，扩孔部分不计；qik为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值(kPa)；qr为桩端处土的承载力容许值(kPa)；h为桩端的埋置深度(m)；γ2为桩端以上各土层的加权平均重度(kN/m3)；λ为修正系数；

表1 施工期各方案计算结果

表2 运行期各方案计算结果

表3 竖井井筒抗滑稳定计算表

通过利用结构稳定数值计算模型进行计算，我们获得了新龙口电站竖井井筒抗滑稳定结构设计的相关数据(如表3所示)，为后期制度科学的施工方案提供数据参考。

3.4 竖井施工技术方案

竖井施工技术主要有沉井法、冻结法、TBM施工、防渗墙法、钻井法。

3.4.1 沉井法

对于松散的地质条件，开挖过程中无法采用锚索或锚杆、锚筋束辅以喷射混凝土等临时支护方式加固井壁，成孔困难，沉井法优势比较突出，采用沉井法施工，可以将开挖时临时支护措施和井筒永久结构相结合，合二为一，能有效避免井壁坍塌，大大降低安全风险。

由于新龙口电站压力管道竖井深度216 m，能否顺利下沉需要进行论证；另一方面若沉井顺利下沉，则标识着竖井重量集中向下传导致井底，而井底地基承载力允许值为1 000 kPa，地基承载力也无法满足要求。因此综合考虑，暂不选择沉井法。

3.4.2 钻井法

水利工程中所采用的钻井法通常为反井钻机法，即反井钻机自上而下钻导孔，再通过反向刀盘自下而上扩孔成井，导井贯通以后，利用导井作为溜渣孔，再自上向下采用人工钻爆法扩大到设计断面，扩大过程进行必要的临时支护，再进行混凝土衬砌。

新龙口电站压力管道竖井而言，该种施工方法施工的先决条件为下平洞贯通，能够底部出渣，同时由于竖井地层岩性为下更新统(Q1X)西域砾岩，溜渣过程中产生的扰动对竖井稳定的影响无法预估，因此不选择该方案。

3.4.3 开挖、砌壁混合作业方式

混合作业方式，掘进和砌壁工序在一个循环段内先后(少量工作有一定交叉)进行。这种作业方式的突出特点是不省时、省事、省钱；永久井壁紧跟掘进工作面，安全程度是各作业方式之冠；缺点是永久井壁接碴较多。

通过综合分析，采用临时支护解决施工期掉渣和围岩稳定问题，采用一次衬砌解决施工期结构稳定和设备布置问题，由钢管单独承受内水压力，采用一次衬砌和二次衬砌联合承受外力的模型是合理的，采用开挖、砌壁混合作业方式施工技术也是安全、可行的。

4 结语

引水工程中的竖井施工是整个电站工程重要的施工内容之一，其施工的安全性、科学性直接影响整个电站工程的质量，因此必须要结合客观、主观因素选择合理施工技术来完成，以此来保证电站的可持续安全运营。本文通过新疆奎屯河引水工程新龙口电站竖井施工方案的分析，利用具体的计算模型咨询分析，从而明确相应的施工方案，以便后续施工能够顺利开展。