李 偉

(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌 615000)

1 工程概況

上通壩水電站是木里河干流(上通壩—阿布地)水電梯級規(guī)劃中的第一級電站，為低閘引水式電站，其正常蓄水位為3144.00m，額定引用流量107.7m3/s，額定水頭250m，電站裝機3臺，單機容量80MW，總裝機容量240MW，具有日調節(jié)性能。工程主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)建筑物等組成。

上通壩電站壓力管道總長為956m，采用地下埋藏式，壓力鋼管直徑5.2m，開挖直徑6.8m，初期支護噴混凝土20cm，全斷面采用鋼板襯砌，外包60cm厚的C20混凝土。管道由上平段、上豎井、中平段、下豎井及下平段組成，其中上平段長132m，上豎井段長136m，中平段長203m，下豎井段長148m，下平段長337m。上豎井與上、中平段90°連接，轉彎半徑為20m，下豎井以與中、下平段90°相連接，轉彎半徑為20m。平段按照城門洞形斷面開挖，豎井段按照圓形斷面開挖。豎井段圍巖為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組中段薄層狀泥質板巖，巖體質軟，遇水易軟化，開挖暴露后風化速度較快，地下水以浸潤狀滲水為主，屬Ⅴ類圍巖，洞壁巖石破碎，巖層傾角80°～85°，洞壁同巖層夾角20°～25°，容易沿洞壁發(fā)生潰屈、傾倒變形，并形成垮塌，靠自身條件難以形成穩(wěn)定拱圈，須邊開挖邊支護。

2 壓力管道豎井開挖技術措施

壓力管道豎井段開挖需在其上部平段及下部平段開挖完成后進行。上通壩水電站壓力管道豎井施工采用反井鉆機開挖工藝，即反井鉆機自上而下鉆設φ216mm導孔→反井鉆機自下而上反拉成φ1400mm小導井→人工自上而下擴挖。擴挖采用手風鉆鉆爆，井內扒渣通過溜渣導井溜入底部通道，機械井底裝運。

在豎井開挖中，通常形成導井或溜渣井，以便為豎井擴挖提供臨空面和出渣通道，因此導井的形成在豎井開挖的過程中特別重要，常用的方法有正井法、深孔分段爆破法、吊罐法、爬罐法、反井鉆機法等。上通壩電站壓力管道豎井先導孔采用的是反井鉆機法，該方法具有機械化程度高、施工速度快、安全、質量好、工作效率高以及無臨時支護等施工特點，同時由于有先導孔的存在，有利于施工期的排煙排水，施工人員作業(yè)環(huán)境好，因而常被采用。

但反井鉆機法也存在相應的缺點，尤其是在不良地質地段施工時，常有塌孔、卡鉆等情況發(fā)生，即使采用自重法灌漿護壁等，也有可能在后續(xù)造孔施工中，由于對破碎巖石的擾動及地下水浸泡等原因仍繼續(xù)塌孔，為此上通壩電站在反井鉆機施工前先進行了深孔預固結灌漿。

2.1 深孔預固結灌漿

在反井鉆機先導孔施工前，對導井四周進行預固結灌漿，灌漿孔布置方式為中軸線布置1孔，在φ1400mm導井開挖線向外偏移50cm線上均勻布置4個灌漿孔，在豎井全斷面開挖線內側偏移50cm線上均勻布置10個灌漿孔，間距1.5m，孔徑75mm，固結灌漿分兩步施工。深孔預固結灌漿的主要目的是為了提高圍巖整體性和均值性，提高圍巖的彈性模量，將破碎圍巖固結成整體，提高其自穩(wěn)能力，有利于井筒施工，確保豎井開挖時的施工安全，加快施工進度。

上通壩電站壓力管道豎井反井鉆機先導孔施工，由于提前采取了深孔預固結灌漿，在施工過程中十分順利，未發(fā)生塌孔及卡鉆等情況，先導孔平均鉆速能到達20m/d，反向擴挖平均鉆速能達到8m/d，速度較快。

2.2 噴錨+拱架+混凝土圈梁支護體系

由于圍巖為薄層狀泥質板巖，產(chǎn)狀接近直立，為此全斷面擴挖過程中采取了聯(lián)合支護方式。(1)I18/I16環(huán)型鋼拱架，間距0.8～1.0m，每榀鋼支撐分為5段，每個接頭設置4根φ25鎖腳錨桿，每段工字鋼中部再增設2根φ25固定錨桿，每兩榀工字鋼之間設置一排φ25系統(tǒng)錨桿，間距2m，錨桿采用普通砂漿錨桿，當無法成孔時采用自進式錨桿，長度為4.5m；(2)拱架之間連接鋼筋采用φ22鋼筋，間距50cm，拱架之間再增設環(huán)向鋼筋，間距20cm，同時掛設鋼筋網(wǎng)φ6.5@10×10cm，噴C20混凝土，厚度20cm；(3)設置排水孔，孔深3m，隨機布置，內置φ50PVC管，排水集中引排入導井中部往下排；(4)在巖石風化嚴重區(qū)域采取φ42超前小導管并灌漿；(5)在開始全斷面開挖前需在井口設置鎖口圈梁(閉合鋼筋混凝土承載受力環(huán))，同時在豎井下挖過程中，每開挖15～20m設置一道環(huán)形鋼筋混凝土圈梁，圈梁不占結構體形，嵌入井壁中，圈梁井筒向高1m，厚度60cm，雙層配筋，沿混凝土處的兩排系統(tǒng)錨桿調整到梁內并焊接牢固，用于增加井壁整體剛度，確保巖壁施工期穩(wěn)定和后續(xù)施工安全。

從實施的效果來看，該支護組合結構對抑制豎井變形的作用十分有效，達到了預期目的，尤其是在巖石破碎地帶，防止巖石長時間暴露會產(chǎn)生突變引起掉塊、塌方，進而設置了鋼筋混凝土圈梁，保證了下挖的安全，為豎井下挖提供了很好的技術支持。

3 彎管段開挖措施

豎井頂部與底部和平段交叉段(稱為上彎段及下彎段)，圍巖應力集中，加之地質條件較差的因素影響，同時豎井開挖期間所有石渣經(jīng)導井溜渣后在豎井底部與平段交叉段處裝運，在圍巖破碎松散的溜渣孔中長期溜渣，下落的石渣不斷沖擊碰撞溜渣井壁，容易導致溜渣井不斷擴大，形成塌腔，甚至發(fā)生整體垮塌，一旦發(fā)生垮塌，極有可能造成設備、人員損失，失事后果嚴重。在以往的工程經(jīng)驗中，柬埔寨達岱水電站引水發(fā)電洞豎井下彎段及梨園水電站4號引水道下彎段就發(fā)生過塌方，為此上彎段及下彎段的開挖需特別加強支護方式，制定專項施工方案及安全保證措施。

3.1 上彎段開挖措施

開挖時，上彎段先按照豎井直段方式開挖，待豎井全斷面開挖完成之后返回上彎管進行擴挖，擴挖步驟如下：

(1)將豎井開挖前澆筑的環(huán)形鎖口圈梁平段方向側半環(huán)拆除，重新沿平段方向將圈梁兩側墻各延伸10m，形成U型混凝土圈梁結構，以確保中平段城門洞型鋼支撐立柱支撐在穩(wěn)定結構上；圈梁兩側墻各布置2排φ25自進式錨桿，L=4.5m，間距1m。

(2)從上部平段起彎處逐層向下擴挖，將原豎直洞段開挖時初期支護的鋼拱架部分拆除，重新按彎管開挖斷面焊接鋼拱架支護。設置I16鋼支撐，間距與原豎直段鋼支撐一致，根據(jù)實際需要每榀鋼支撐分為4～5段，每個接頭設置4根φ25鎖腳錨桿，每段工字鋼再均勻布置2根φ25固定錨桿，錨桿采用普通砂漿錨桿或自進式錨桿，L=4.5m；鋼支撐連接筋采用φ22鋼筋，間距50cm。鋼支撐架設完成后，掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@10×10cm；噴C20混凝土，厚度20cm。后期壓力鋼管外包混凝土澆筑時將擴挖部分回填。如圖1、圖2所示。

圖1 豎井上彎管段擴挖支護示意圖

圖2 I16鋼支撐加工圖

3.2 下彎段開挖措施

由于彎管段轉彎半徑大且圍巖穩(wěn)定性差，下彎段開挖支護主要分下部平段開挖及豎井全斷面向下開挖兩個部分，具體按照以下步驟進行：

(1)在下部平段開挖時，按照城門洞型開挖，并在起彎處開始根據(jù)現(xiàn)場施工條件盡量向上開挖以降低豎井開挖時的難度，上通壩電站施工時自平段按城門洞型延伸進尺至三分之一弧長處，開挖斷面頂部隨設計線逐漸升高，再按三分之一弧長處斷面尺寸開挖支護至豎井直段φ1.4m溜渣導井上游側開挖邊線下部，水平向開挖時，采用φ42小導管頂拱120°范圍超前支護，環(huán)向間距0.3m，長度4.5m，搭接長度2m；I16型鋼支撐，間距0.5m。

(2)在豎井全斷面開挖至起彎處時，豎井起彎樁號開始按設計斷面繼續(xù)往下開挖支護5m，在5m處設置一道鋼筋混凝土圈梁，5m以下部位采用半斷面開挖，彎管內側斷面按設計斷面形式開挖支護，彎管外側斷面則按6.76m寬度開挖成矩形，內、外側半斷面采用錯臺開挖支護，內側半斷面開挖后立即進行支護，以確保開挖過程中內彎段有穩(wěn)定可靠的支護。內彎段采用傾向溜渣導井的斜面開挖，為防止內彎段頂部垮塌，開挖后立即設置鋼拱架垂直于弧段支撐，由于該部位應力集中，為確保施工安全，弧段每進尺30cm布置一榀鋼拱架，內側半斷面開挖后外側半斷面滯后約1m高程交替開挖，外側半斷面開挖完成后將內弧鋼支撐延長至外側半斷面，鋼支撐最終形成城門洞型整體。開挖至下部水平支護部位時，將前期施工鋼拱架頂部弧段逐步拆除，內彎段斜向鋼支撐拱腿延伸與底部前期鋼拱架立柱焊接，使支撐體系形成整體。

圖3 水平向擴挖示意圖

圖4 豎向擴挖示意圖

在施工過程中還需注意以下細節(jié)：①在開挖過程中，需加強重視測量工作，一方面加強每循環(huán)進行測量放樣以便對鉆孔角度進行調整，減小超挖，另一方面方便壓力管道后期鋼管順利安裝；②溜渣井在溜渣過程中，由于渣體反復碰撞容易形成空腔，遇到這種情況一定要將空腔全部填密實后再進行下挖，否則容易發(fā)生垮塌引起安全事故；③加強安全監(jiān)測工作，包括豎井變形檢測及井內空氣質量監(jiān)測，確保工作環(huán)境安全。

4 結語

上通壩電站壓力管道上下兩個豎井于2017年3月順利貫通，在泥質板巖穩(wěn)定性較差的條件下平均強度達到1.5～2m/d，未出任何質量及安全事故。實踐證明，采用超前深孔預固結灌漿，加上噴錨、鋼支撐及混凝土圈梁等支護方式，可以有效解決破碎圍巖的豎井開挖問題，在堅持好“短進尺、多循環(huán)、強支護、勤觀測”的洞室開挖原則下，采取超前深孔預固結灌漿、反井鉆機先導孔開挖加正向溜渣、豎井開挖噴錨+拱架+鋼筋混凝土圈梁的組合支護體系等技術，可以有效地解決在軟巖等不良地質洞段的豎井開挖的質量和安全問題，并能保證施工進度，是一種較好的施工方法。

[1] 康建榮, 李福林. 瓦屋山水電站調壓井工程開挖及支護施工技術應用[J]. 四川水力發(fā)電, 2008(04): 51- 54.

[2] 胡勇, 帥莉群, 任志民. 梨園水電站4號引水道下彎及斜井段塌方處理[J]. 云南水力發(fā)電, 2013(06): 142- 145.

[3] 呂興民, 任夢寧. 柬埔寨達岱水電站引水發(fā)電洞豎井下彎段圍巖塌方原因及工程處理[J]. 資源環(huán)境與工程, 2014(03): 284- 287.

[4] 曹勇. 福堂水電站調壓井開挖與支護施工方法[J]. 水電站設計, 2006(01): 6- 22.

[5] 余建強, 王慧娟. 復雜地質條件下壓力管道開挖支護施工探討[J]. 四川水力發(fā)電, 2014(S2): 111- 113.