胡鲁水电站引水发电隧洞斜井改竖井方案探讨

李海原

(中国水利水电第七工程局有限公司海外事业部，四川成都 610081)

1 工程概况

胡鲁水电站位于马来西亚登嘉楼州Kenyir水库西北处，距离登嘉楼州府约90km，距首都吉隆坡约450km。该工程由左、右两个库区组成，左、右库区靠1条输水隧洞联通。左库区枢纽建筑主要由一座混凝土溢流坝和一条输水隧洞组成;右库区枢纽建筑物由引水发电系统、右岸导流洞、拦河心墙土石坝、左岸溢洪道构成。电站装机2台，总装机容量250MW。该项目由中国水电七局和马来西亚当地一家公司组成的联营体中标承建主体工程。中国水电七局承建了除大坝、溢洪道和施工道路以外的、以地下工程为主的土建、金属结构和机电安装项目。

胡鲁项目的业主为马来西亚国家电力公司，咨询工程师(负责设计、监理)为以加拿大SNC·LAVALIN公司作为牵头方、马来西亚本地两家公司作为合作伙伴方组成的联营体(以下简称HTJV)。工程为单价合同，采用FEDIC(红皮书，1999版)合同条款。

胡鲁水电站右库区引水发电隧洞共两条，呈平行布置，中心间距20m。原设计方案均由上平段、斜井段和下平段构成，上下平段的开挖断面均为马蹄形，斜井为圆形，主要开挖直径均为5.1 m，衬砌厚度30cm，衬砌后为直径4.5m的圆形。结构尺寸和长度等相同(图1)。

图1 原招标设计图

胡鲁水电站引水发电隧洞围岩从进口至桩号CH.60左右为较为完整的沉积岩，单轴抗压强度40MPa左右;CH.60～CH.80为沉积岩与火成岩过渡段，单轴抗压强度为60～100MPa;CH.80以后为较完整的火成岩，单轴抗压强度为80～100 MPa。

2 原设计方案面临的施工难题

由于斜井长、倾角小，实际施工中将面临以下技术、施工问题和困难:

(1)中导井开挖时采用常规反井钻机不能满足45°倾角，容易产生钻孔孔向偏差。在开挖阶段，采用常规的先中导井、后扩挖方法，普通反井钻机的施工倾角范围为60°～90°，不能满足45°倾角。既使对反井钻机进行适当的改进，由于钻杆重力作用和韧性增加，也容易造成钻孔孔向偏差，从而产生大量超挖的风险。

(2)采用人工钻爆正导井法施工中导井，工期长、安全隐患较大。

(3)采用爬罐反导井施工中导井，斜井较长，爬罐投入成本相对较高，需结合人工正导井施工，安全隐患大。

(4)倾角45°的斜井在人工钻爆扩挖阶段容易出现石渣堆积堵井现象，清渣相对困难，工作量大，安全隐患较大。

(5)在混凝土施工阶段，45°斜井为非常规斜井，需加工满足该倾角要求的特殊的斜井滑模，生产成本相对较高。

(6)由于该斜井设计为无钢筋混凝土衬砌，重力作用下“顶拱”部位容易产生混凝土与岩面脱空现象，相对普通竖井滑模施工难度大、工期长。

胡鲁项目开工前期由于各种非承包商原因导致工程工期一度滞后，为节省生产成本、赶回工期，解决上述困难，承包商同咨询工程师进行了多次商谈，拟将斜井修改为竖井并承诺自行承担修改段因隧洞增长等产生的额外费用，该方案可缩短两个月的施工工期。

3 将斜井修改为竖井的设计方案

3.1 工程师和业主对修改方案的要求

咨询工程师要求承包商提供初步的将斜井修改为竖井的设计方案，并要求修改前后不能减小发电出力水头。业主根据其在某个类似的水电站竖井渗漏影响到地下厂房的案例，在提交了第三版设计后要求承包商将引水发电隧洞竖井向上游方向移60m，以减小竖井将来可能产生的渗漏对地下厂房造成的不利影响。

3.2 承包商修改设计的目的

承包商在设计过程中综合考虑了以下因素:

(1)修改后的竖井能采用常规的机械设备进行开挖支护、混凝土衬砌和灌浆等施工，从而减少设备的投入成本;修改后的施工技术方案成熟可控、经济、工期短、安全，综合效益高。

(2)综合平衡修改前后的工程总造价，包括在上下平段设置适当的坡度以减少竖井长度，减小弯段转弯半径等，使工程师和业主在经济方面能接受修改方案。

(3)尽量减小对未修改部位的影响，包括保持压力钢管长度和内径不变等。

3.3 承包商的设计方案

根据总水头损失计算，将斜井修改为竖井后隧洞总长度将加长。在其它条件不变的情况下，总水头损失将增加，这不符合咨询工程师和业主的要求。解决的办法之一是增大隧洞直径，但这将导致生产成本增加。

经过反复进行方案分析和经济比较并与工程师和业主多次商谈后，在承包商提交第5版设计意见和相关的计算说明书后，工程师和业主最终同意了修改后的引水发电隧洞由上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段构成，上平段和上下弯段的主要开挖断面均为马蹄形，竖井为圆形，开挖直径均为5.5m，衬砌厚度30cm，衬砌后断面为直径4.9m的圆形。钢衬段基本保持了原设计参数，长109.36m，开挖直径为5.1m 的马蹄形，衬砌后主要为4.5m的圆形，其中尾部9m钢衬为一渐变段，从直径4.5m渐变为3.48m，能与蜗壳对接(图2)。

4 设计方案修改前后的综合比较

4.1 将斜井改为竖井后采用的主要施工方法

斜井改竖井后，主要采用以下施工方法:

(1)采用中国煤建生产的BRC300型反井钻机施工部分弯段和竖井段直径为1.4m的中导井，然后采用人工自上而下钻爆扩挖至设计线。

(2)采用国内定制的异形钢模板施工上下弯段衬砌混凝土，采用普通竖井滑模施工竖井混凝土。

(3)采用国内定制的竖井吊篮进行竖井灌浆和缺陷修补施工。

图2 业主批复的修改设计图

(4)采用卷扬机配轨道进行下平段的钢衬安装(设计方案修改后还避免了在斜井段安装钢管，避免了压力钢管和竖井衬砌之间对施工工期的影响)。

(5)修改前后的对比情况见图3。

图3 斜井修改为竖井后的3D视图

以上施工方法机械化程度高，设备安装和拆卸便捷，操作简单，技术成熟、可控，对比修改前的斜井施工具有更经济、施工工期短(比原计划提前2个月完成)和施工更安全的优点。

4.2 斜井改为竖井后的经济性分析

设计修改后工程量的变化导致工程产值发生了变化，表1主要列举了开挖、衬砌、灌浆导致的产值变化和实际产值影响。由于围岩条件较好，支护工程量变化不大，故未将其列入比较。

从表1分析得出以下结论:设计修改后单条引水发电隧洞长度增加了59.49m，除钢衬段外开挖断面和衬砌断面均变大了，工程造价相应增加了约86万马币。胡鲁项目的工程师和业主在实际工程结算中对引水隧洞采用了原单价，开挖和衬砌的工程量以实际长度进行了结算，对喷护、锚杆、灌浆等工程量也以实际发生量进行了结算，承包商因此增加了约173万马币的产值收入。

5 结语

水电站地下引水发电隧洞采用斜井一般比竖井更节省投资，可使开发商受益。胡鲁项目承包商为赶回滞后工期，解决小倾角、长斜井的相关施工难题，将斜井成功地修改为竖井，取得了以下效果。

表1 方案修改后经济性分析比较表

(1)保证了电站原设计的装机容量不受影响。

(2)使施工难度降低，工期缩短，确保了工程按期发电。

(3)有效避免了在扩挖过程中石渣堵塞导井等安全隐患，机械化程度高，施工更安全。

(4)降低了开挖、衬砌、灌浆和金属结构的施工直接成本和间接成本，又额外增加了产值，综合效益值约500万马币，折合人民币950万人民币。