周 杜，楊遵儉，劉運(yùn)雄，周海水，羅澤毅

（湖南建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

目前很多已建成水庫(kù)功能不完善，需要增加取水洞、泄洪洞或者防空洞等，都需要與既有水庫(kù)進(jìn)行水下貫通。目前常用的水下貫通的方法有水下巖塞體爆破施工、頂管施工、干倉(cāng)圍堰施工等［1］。

桂林市第二水源工程為從青獅潭水庫(kù)引水至桂林市，建成后可單獨(dú)承擔(dān)兩座水廠的應(yīng)急供水任務(wù)，取水口按照70 萬(wàn)m3/d設(shè)計(jì)。取水口設(shè)在大壩右岸碼頭附近山體，取水方式為豎井式分層取水口。取水口上方邊坡地形較為陡峭，呈45°～60°，水庫(kù)最深達(dá)60 m，陡坡處有發(fā)生巖石崩塌現(xiàn)象，自然邊坡穩(wěn)定性較差。圍巖主要由強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖組成，巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙相對(duì)發(fā)育。進(jìn)場(chǎng)道路急彎多且狹窄。

根據(jù)本項(xiàng)目的水文地質(zhì)、位于汛期水庫(kù)高水位的環(huán)境特點(diǎn)，水下貫通工程由于工期緊，對(duì)取水頭部的開(kāi)挖順序進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)湖南建工科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，創(chuàng)新發(fā)明了水下預(yù)埋封閉鋼管置換巖塞體貫通既有水庫(kù)施工新技術(shù)。

1 工程概況

（1）設(shè)計(jì)概況。取水口采用豎井式雙層取水口，分別布置低位引水支洞（下層取水口）和高位引水支洞（上層取水口），雙層取水口水平錯(cuò)開(kāi)布置，與豎井相連，上層取水口中線高程為209.60 m，下層取水口中線高程為199.60 m。下層取水口長(zhǎng)44.5 m，從豎井往水庫(kù)方向依次為：上游隧洞段26.5 m（洞內(nèi)開(kāi)挖），預(yù)埋鋼管段18 m（水下開(kāi)挖），上層取水口長(zhǎng)30 m，從豎井往水庫(kù)方向依次為：上游隧洞段15.5 m（洞內(nèi)開(kāi)挖），預(yù)埋鋼管段14.5 m（水下開(kāi)挖）。上下層取水口隧洞襯砌結(jié)構(gòu)為錨桿支護(hù)+鋼架支撐+掛鋼架網(wǎng)噴漿。

（2）施工條件。由于取水平洞距離水庫(kù)較近，并緊貼豎井，為確保施工安全，必須采取控制爆破，必要時(shí)可采取非爆破開(kāi)挖技術(shù)，尤其是靠近豎井壁的洞口段。另外，為防止沖擊波對(duì)提前埋設(shè)的鋼管及水下混凝土造成不利影響，要求靠近鋼管段7 m 范圍內(nèi)采用非爆破技術(shù)或靜態(tài)爆破開(kāi)挖。同時(shí)隧洞開(kāi)挖時(shí)根據(jù)地下滲水的情況，此方案為取水頭部施工需考慮的核心問(wèn)題之一。

洞口開(kāi)挖施工前應(yīng)對(duì)水下地形進(jìn)行高等級(jí)精度復(fù)測(cè)和工程地質(zhì)復(fù)核，并收集工作范圍內(nèi)的水深、可見(jiàn)度、水溫等環(huán)境資料，潛水員下水對(duì)爆破處淤積等情況進(jìn)行初查，做好水下攝像和記錄，熟悉設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行必要的施工工藝性試驗(yàn)。對(duì)施工影響敏感度高，施工過(guò)程中不僅要保證水庫(kù)側(cè)取水頭部施工的安全，還需采取有效措施解決因偏壓滲水崩塌而造成下游地區(qū)極端透水事件的問(wèn)題。為預(yù)防可能發(fā)生的此類事件，提前安裝豎井內(nèi)檢修閘門(mén)。取水頭部空間位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 取水頭部空間位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial position relationship of the water intake head

2 重難點(diǎn)分析及對(duì)策

（1）施工重點(diǎn)難點(diǎn)分析。隨著時(shí)代的進(jìn)步，我國(guó)大大小小的水庫(kù)越來(lái)越多，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市水源不足，需要新建第二水源，從現(xiàn)有水庫(kù)取水，很多老舊水庫(kù)功能不完善，需要增加泄洪洞或者防空洞、發(fā)電隧洞、灌溉隧洞等，都需要與既有水庫(kù)進(jìn)行水下貫通。為了保證取水率，取水口一般需要設(shè)置在水庫(kù)死水位以下。多數(shù)情況下施工方無(wú)法將水庫(kù)水位直接降低至死水位以便施工取水口，而即使在非汛期的水庫(kù)低水位窗口期施工，取水口也位于水位以下數(shù)米至數(shù)十米深度處。

綜上，在復(fù)雜的水庫(kù)環(huán)境條件下，為保證深大基坑施工及毗鄰構(gòu)筑物群的結(jié)構(gòu)安全，避免透水事故的發(fā)生，極有必要通過(guò)設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化對(duì)取水頭部施工提出切實(shí)可行的實(shí)施方案。

（2）解決思路。通過(guò)在取水口水庫(kù)岸坡里預(yù)埋大直徑封閉鋼管置換巖塞體，澆筑水下混凝土包封并復(fù)原岸坡山體，然后從里往外開(kāi)挖平洞與之相接，最后往豎井內(nèi)注水平衡后，水下靜水切割鋼管盲板，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)、取水鋼管、取水平洞、取水豎井和取水隧洞貫通，實(shí)現(xiàn)從庫(kù)區(qū)取水的目的。邀請(qǐng)當(dāng)?shù)刭Y深水利專家討論，并模擬水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方案的可實(shí)施性。

3 主要施工技術(shù)

（1）施工工藝流程。施工測(cè)量→岸坡水上開(kāi)挖、支護(hù)、加固→岸坡水下開(kāi)挖及水下溝槽開(kāi)挖→預(yù)埋鋼管設(shè)計(jì)、加工、下河、浮運(yùn)、下沉、定位→預(yù)埋接觸注漿管→水下混凝土澆注→預(yù)注漿、取水平洞開(kāi)挖、閘門(mén)安裝調(diào)試→豎井注水→切割鋼管盲板，實(shí)現(xiàn)通水。

（2）預(yù)埋鋼管基槽開(kāi)挖。在水庫(kù)低水位窗口期，通過(guò)水下機(jī)械開(kāi)挖及水下爆破［4］清除擬建取水口處水下邊坡表面的強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層，形成水下基槽。根據(jù)控制長(zhǎng)臂挖機(jī)的入水長(zhǎng)度來(lái)控制標(biāo)高，清渣后用測(cè)繩測(cè)出開(kāi)挖面地形圖，其中氣壓式長(zhǎng)臂挖機(jī)安裝在水上平臺(tái)。開(kāi)挖到位后采取用測(cè)繩拖拽法初次量測(cè)開(kāi)挖斷面，再由潛水員在水下用一根長(zhǎng)鋼管順著溝槽挑拉網(wǎng)式檢查，確定基槽開(kāi)挖到位。

（3）預(yù)埋鋼管設(shè)計(jì)、制作與運(yùn)輸。預(yù)埋鋼管直徑同取水平洞直徑，長(zhǎng)度以強(qiáng)風(fēng)化山體和破碎山體長(zhǎng)度為準(zhǔn)，端頭伸出水庫(kù)1 m，鋼管內(nèi)對(duì)稱分設(shè)個(gè)倉(cāng)段，用鋼板作隔倉(cāng)板，每個(gè)倉(cāng)段裝一對(duì)閥門(mén)，用作進(jìn)水閥和排氣閥，裝在鋼管的正上方和正下方，中間倉(cāng)段體積所排開(kāi)的水的重量略小于預(yù)埋鋼管的自重。鋼管兩端設(shè)盲板，外側(cè)每3 m加一道加勁槽鋼。

表1 4種施工技術(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison with 4 methods

預(yù)埋鋼管由廠家制作成型，包括隔倉(cāng)板和兩端的盲板，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)碼頭后，在平臺(tái)上焊接。各倉(cāng)段的閥門(mén)在現(xiàn)場(chǎng)焊接以利于運(yùn)輸。焊接完成后須對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，并做水密試壓。

預(yù)埋鋼管在碼頭拼裝好后利用軌道滑入水中，后端用卷?yè)P(yáng)機(jī)打保險(xiǎn)，前面用小船牽引。預(yù)埋鋼管入水后用小漁船牽引到施工區(qū)域臨時(shí)固定備用，固定時(shí)需采用鋼絲繩，并且預(yù)留一定的長(zhǎng)度，以免水位下降時(shí)拉斷鋼絲繩或擱淺。

（4）鋼管定位鋼架設(shè)計(jì)制作與安裝。預(yù)埋鋼管定位鋼架采用型鋼制作而成，經(jīng)過(guò)受力計(jì)算得出各型鋼規(guī)格。定位鋼架在加工車(chē)間制作。由于基底不平整，4個(gè)支點(diǎn)采用千斤頂調(diào)節(jié)，千斤頂隨定位鋼架下沉。定位鋼架安裝時(shí)，在左右兩側(cè)各焊一根測(cè)量定位鋼管，以便于測(cè)量定位。

（5）混凝土端模吊裝。在水下基槽水庫(kù)側(cè)分層碼放干混砂漿袋，按品子形水下人工操作，以砂袋為模板分層澆筑水下混凝土包封固定預(yù)埋鋼管，形成封閉式取水口。端模采用干混砂漿袋和吊裝袋組成，先將干混砂漿裝入編織袋，每袋只能裝一半，以便于調(diào)節(jié)。然后裝砂漿袋堆碼在吊裝袋內(nèi)，然后用吊車(chē)或挖機(jī)吊裝到指定地點(diǎn)，水下由潛水員指揮。

（6）抗浮槽鋼安裝。為了防止?jié)沧⒒炷習(xí)r鋼管上浮，經(jīng)計(jì)算，第一次澆注時(shí)，不超過(guò)管底以上70 cm，即第一次混凝土澆注高度為1.5 m 左右，在第一層混凝土底部埋設(shè)三根槽鋼，兩頭用鋼絲繩捆在鋼管上，使鋼絲繩受力但槽鋼不離地，鋼管定位鋼架安裝后即安裝抗浮槽鋼。

（7）沉管法安裝預(yù)埋鋼管。鋼管定位鋼架及抗浮槽鋼安裝好后方可沉管，首先將預(yù)埋鋼管移到設(shè)計(jì)位置，測(cè)量定位，然后校正預(yù)埋鋼管，將鋼管閥門(mén)置于預(yù)埋鋼管的正上方和正下方，在預(yù)埋鋼管兩頭正上方頂上各焊接一根測(cè)量定位鋼管用于定位測(cè)量和控制預(yù)埋鋼管的標(biāo)高。在預(yù)埋鋼管每端各系住兩根尼龍繩，拉到兩側(cè)小船上，用于控制預(yù)埋鋼管方向。然后潛水員下水，對(duì)稱分倉(cāng)將下方閥門(mén)打開(kāi)，使預(yù)埋鋼管慢慢下沉至剛好沒(méi)入水中即關(guān)閉閥門(mén)，使預(yù)埋鋼管處于水中漂浮狀態(tài)。

打開(kāi)閥門(mén)再注入一點(diǎn)水，讓預(yù)埋鋼管緩慢下沉即關(guān)閥門(mén)，用吊車(chē)打保險(xiǎn)吊住預(yù)埋鋼管兩端，使預(yù)埋鋼管緩慢下沉到鋼管定位鋼架內(nèi)。預(yù)埋鋼管兩頭上方的小鋼管不夠長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行接長(zhǎng)。預(yù)埋鋼管標(biāo)高及平面位置均定好位后，潛水員打開(kāi)鋼管閥門(mén)，使預(yù)埋鋼管里注滿水后關(guān)閉閥門(mén)。抗浮鋼絲繩計(jì)算好長(zhǎng)度后，在水下用卸扣與工字鋼聯(lián)結(jié)，確保鋼絲繩受力［3］。鋼管下沉如圖2所示。

圖2 鋼管下沉施工圖Fig.2 Steel pipe sinking construction drawing

（8）第一層混凝土兩端模安裝。第一層混凝土澆注高度控制在1.5 m 左右，預(yù)埋鋼管安裝前已將水庫(kù)端基槽底和距山體5 m 處安裝80 cm 高干混砂漿袋至管底，鋼管定位后潛水員下水再將原堆碼處堆碼干混砂漿袋到管底以上70 cm 處。潛水員再次檢查，用干混砂漿袋封堵漏洞。

（9）水下混凝土澆筑水上施工平臺(tái)拼裝及就位。預(yù)埋鋼管下沉定位后，即可進(jìn)行水下混凝土澆注及水上施工平臺(tái)的拼裝就位。將兩個(gè)浮箱移至指定位置，兩浮箱分開(kāi)4.5 m，用工字鋼聯(lián)結(jié)，用型鋼錯(cuò)開(kāi)位置搭設(shè)混凝土澆注門(mén)架于預(yù)埋鋼管兩側(cè)。

（10）水下混凝土導(dǎo)管及料斗安裝。在混凝土澆注門(mén)架處安裝導(dǎo)管，導(dǎo)管安裝前需進(jìn)行試壓，試壓壓力不得低于0.5 MPa，導(dǎo)管用兩個(gè)手拉葫蘆固定在平臺(tái)上，導(dǎo)管先放到底，然后往上提起20 cm 固定。導(dǎo)管安裝好后即安裝料斗，料斗底部插入導(dǎo)管頂口并且螺栓聯(lián)接。料斗口用定制蓋板蓋好，用小鋼絲繩吊住，小鋼絲繩引至料斗外側(cè)，澆注壓水時(shí)用吊車(chē)或挖機(jī)瞬時(shí)提起，使水下混凝土快速進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)。料斗裝水下混凝土前應(yīng)先用水濕潤(rùn)，確?；炷另樌禄?］。

（11）逐層澆筑水下混凝土。為確保水下混凝土質(zhì)量，采用水下不分散自護(hù)自密混凝土［2］，當(dāng)混凝土泵車(chē)和3 臺(tái)混凝土罐車(chē)共36 立方水下混凝土及人員全部就位后由指揮長(zhǎng)下達(dá)澆注指令，當(dāng)料斗裝滿水下混凝土后再次確認(rèn)導(dǎo)管底部與基槽的距離，因裝水下混凝土后有可能下沉，確保下方有15～20 cm后，即進(jìn)行壓水，壓水采用拔球法，用吊車(chē)快速起吊料斗內(nèi)蓋板，使水下混凝土快速下泄到導(dǎo)管內(nèi)。測(cè)深人員要隨時(shí)掌握各測(cè)點(diǎn)的混凝土標(biāo)高。第一次澆注時(shí)應(yīng)注意混凝土不應(yīng)高于預(yù)埋鋼管底部以上70 cm。待第一層混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用砂袋端模逐層澆筑水下混凝土直至出水面，水面以上用常態(tài)混凝土立模澆注至擋土墻底部，復(fù)原山體。水下混凝土澆筑施工如圖3所示。

圖3 水下混凝土澆筑施工圖Fig.3 Construction drawings for underwater concrete placement

（12）開(kāi)挖取水平洞。取水豎井同步施工至井底，并澆注井壁及閘墩混凝土，當(dāng)庫(kù)區(qū)預(yù)埋鋼管和水下混凝土澆筑完畢后，采用鉆爆法從取水豎井往庫(kù)區(qū)開(kāi)挖取水平洞，臨近庫(kù)區(qū)，為避免對(duì)圍巖造成較大擾動(dòng)和影響，按照“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則施工取水平洞。在取水平洞爆破過(guò)程中，對(duì)庫(kù)區(qū)附近建筑物進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超過(guò)規(guī)范限制，及時(shí)調(diào)整爆破裝藥量和進(jìn)尺，以信息化施工手段指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（13）施工初期支護(hù)。在取水平洞每循環(huán)進(jìn)尺開(kāi)挖施工后，及時(shí)按照規(guī)范要求施工初期支護(hù)。嚴(yán)格控制鋼拱架、錨桿的尺寸距離和注漿質(zhì)量，并合理選擇工藝施工噴射混凝土，確保初期支護(hù)達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。按照規(guī)范要求在取水平洞設(shè)置拱頂下沉、拱腳位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)及時(shí)觀測(cè)圍巖變形收斂，同時(shí)觀測(cè)平洞內(nèi)滲水情況，如遇滲水量較大，及時(shí)鉆孔注漿封閉圍巖，防止涌水事故。

（14）施工超前小導(dǎo)管。在取水平洞開(kāi)挖到臨近預(yù)埋鋼管段一定長(zhǎng)度時(shí)，根據(jù)圍巖滲水情況，首先施工超前小導(dǎo)管，并及時(shí)注漿封閉臨近庫(kù)區(qū)巖層裂隙，防止隧洞涌水造成安全事故。在超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)穩(wěn)定后，在掌子面前方按照一定長(zhǎng)度施工若干探孔，觀測(cè)圍巖滲水量情況，若滲水量存在增長(zhǎng)的趨勢(shì)，再加密超前小導(dǎo)管并加大注漿量，直至掌子面超前探孔滲水量穩(wěn)定或出現(xiàn)減弱趨勢(shì)，再逐層開(kāi)挖到預(yù)埋鋼管堵頭盲板斷面［6］。在距離預(yù)埋鋼管端部5 m 時(shí)，為確保安全，須安裝檢修閘門(mén)，將通往引水隧洞的閘門(mén)關(guān)閉。

（15）澆筑二次襯砌混凝土。在取水平洞開(kāi)挖完成后，采用定制鋼模施工取水平洞二襯混凝土。分兩層澆注，在施工二襯混凝土前，采用高壓水槍清洗取水平洞浮渣，按照要求綁扎安裝鋼筋和模板，從庫(kù)區(qū)一側(cè)往取水豎井方向逐模澆筑取水平洞二襯混凝土，并按照要求及時(shí)對(duì)二襯混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行平洞固結(jié)灌漿，確保二襯混凝土和圍巖充分固結(jié)。

（16）拆除取水平洞側(cè)鋼管堵頭盲板。取水平洞和取水豎井施工完成后，在封閉式取水口的保護(hù)下，將取水平洞施工至水下預(yù)埋鋼管山體側(cè)，可視滲水情況采取超前注漿措施，拆除預(yù)埋鋼管山體側(cè)預(yù)留盲板，與取水平洞二襯結(jié)構(gòu)順接，取水豎井采用抽水泵抽空預(yù)埋鋼管內(nèi)前期滯水。當(dāng)鋼管內(nèi)滯水抽空后，拆除取水平洞內(nèi)側(cè)鋼管堵頭盲板平洞。拆除豎井側(cè)堵頭盲板如圖4所示。

圖4 拆除豎井側(cè)堵頭盲板示意圖Fig.4 Diagram of the removal of the shaft side plug blind

（17）拆除庫(kù)區(qū)側(cè)鋼管堵頭盲板。當(dāng)取水豎井和啟閉機(jī)調(diào)試完成后，往取水豎井內(nèi)灌水，當(dāng)取水平洞連同取水豎井內(nèi)注水水位和庫(kù)區(qū)水位一致時(shí)，預(yù)埋鋼管庫(kù)區(qū)堵頭盲板內(nèi)外兩側(cè)水壓平衡，停止往取水平洞內(nèi)注水，并安排潛水員下潛庫(kù)區(qū)，拆除庫(kù)區(qū)一側(cè)預(yù)埋鋼管堵頭盲板，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)、預(yù)埋鋼管、取水平洞和取水豎井水下連通段貫通，達(dá)到從庫(kù)區(qū)取水的目標(biāo)［7］。拆除水庫(kù)側(cè)盲板如圖5所示。

圖5 拆除水庫(kù)側(cè)堵頭盲板示意圖Fig.5 Diagram of removal of reservoir side plug blind

4 施工難點(diǎn)及工藝要點(diǎn)

本施工技術(shù)主要施工難點(diǎn)：項(xiàng)目地理位置特殊、為深水區(qū)水下特種作業(yè)、對(duì)水下作業(yè)人員專業(yè)性要求高、對(duì)鋼管位置和高程的測(cè)量精度要求高、難度大、對(duì)鋼管抗浮要求高、對(duì)水下混凝土質(zhì)量控制難度大、對(duì)平洞與水庫(kù)側(cè)鋼管連接處灌漿要求高、防坍塌、防透水、工期緊、安全、質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)要求高、且本施工技術(shù)為全國(guó)首創(chuàng)無(wú)歷史借鑒等問(wèn)題。工藝要點(diǎn)：鋼管基槽開(kāi)挖的測(cè)量定位、基槽定位架位置平整度控制、鋼管下沉?xí)r注水速度和注水均勻度、鋼管牽引繩控制鋼管擺動(dòng)下沉方向、鋼管抗浮裝置設(shè)置與計(jì)算、干混砂漿袋堆放穩(wěn)定性控制及堵縫、水下混凝土分層澆筑高度及施工質(zhì)量、水下混凝土施工配合比控制、混凝土與山體側(cè)接觸灌漿質(zhì)量控制、取水平洞開(kāi)挖與鋼管連接最后5 m 不宜采用爆破可采用破碎錘施工，且必須放下檢修閘門(mén)防止透水事故、水下切割時(shí)預(yù)先將水庫(kù)側(cè)堵頭盲板上注水球閥打開(kāi)注水至豎井水位與庫(kù)區(qū)水位保持一致時(shí)，方能切除堵頭盲板。

5 結(jié) 語(yǔ)

施工過(guò)程中觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，累計(jì)值均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，表明鋼管置換巖塞體施工過(guò)程整體安全可控。

本施工技術(shù)項(xiàng)目地理位置特殊、為深水區(qū)水下特種作業(yè)、對(duì)水下作業(yè)人員專業(yè)性要求高、對(duì)鋼管位置和高程的測(cè)量精度要求高、難度大、對(duì)鋼管抗浮要求高、對(duì)水下混凝土質(zhì)量控制難度大、對(duì)平洞與水庫(kù)側(cè)鋼管連接處灌漿要求高、防坍塌、防透水、工期緊、安全、質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)要求高等問(wèn)題，最關(guān)鍵是7月份要通水，正好是水庫(kù)汛期。

本施工技術(shù)不受環(huán)境條件、施工水域條件以及地質(zhì)條件、氣候水文條件限制，適用于各類新增泄洪洞、放空洞、沖砂洞、取水工程等水下通往已建水庫(kù)的取水工程。