上通坝水电站软岩地质压力管道竖井及其弯管段开挖技术分析

李 伟

(四川华电木里河水电开发有限公司，四川 西昌 615000)

1 工程概况

上通坝水电站是木里河干流(上通坝—阿布地)水电梯级规划中的第一级电站，为低闸引水式电站，其正常蓄水位为3144.00m，额定引用流量107.7m3/s，额定水头250m，电站装机3台，单机容量80MW，总装机容量240MW，具有日调节性能。工程主要由首部枢纽、引水系统、厂区建筑物等组成。

上通坝电站压力管道总长为956m，采用地下埋藏式，压力钢管直径5.2m，开挖直径6.8m，初期支护喷混凝土20cm，全断面采用钢板衬砌，外包60cm厚的C20混凝土。管道由上平段、上竖井、中平段、下竖井及下平段组成，其中上平段长132m，上竖井段长136m，中平段长203m，下竖井段长148m，下平段长337m。上竖井与上、中平段90°连接，转弯半径为20m，下竖井以与中、下平段90°相连接，转弯半径为20m。平段按照城门洞形断面开挖，竖井段按照圆形断面开挖。竖井段围岩为三叠系上统图姆沟组中段薄层状泥质板岩，岩体质软，遇水易软化，开挖暴露后风化速度较快，地下水以浸润状渗水为主，属Ⅴ类围岩，洞壁岩石破碎，岩层倾角80°～85°，洞壁同岩层夹角20°～25°，容易沿洞壁发生溃屈、倾倒变形，并形成垮塌，靠自身条件难以形成稳定拱圈，须边开挖边支护。

2 压力管道竖井开挖技术措施

压力管道竖井段开挖需在其上部平段及下部平段开挖完成后进行。上通坝水电站压力管道竖井施工采用反井钻机开挖工艺，即反井钻机自上而下钻设φ216mm导孔→反井钻机自下而上反拉成φ1400mm小导井→人工自上而下扩挖。扩挖采用手风钻钻爆，井内扒渣通过溜渣导井溜入底部通道，机械井底装运。

在竖井开挖中，通常形成导井或溜渣井，以便为竖井扩挖提供临空面和出渣通道，因此导井的形成在竖井开挖的过程中特别重要，常用的方法有正井法、深孔分段爆破法、吊罐法、爬罐法、反井钻机法等。上通坝电站压力管道竖井先导孔采用的是反井钻机法，该方法具有机械化程度高、施工速度快、安全、质量好、工作效率高以及无临时支护等施工特点，同时由于有先导孔的存在，有利于施工期的排烟排水，施工人员作业环境好，因而常被采用。

但反井钻机法也存在相应的缺点，尤其是在不良地质地段施工时，常有塌孔、卡钻等情况发生，即使采用自重法灌浆护壁等，也有可能在后续造孔施工中，由于对破碎岩石的扰动及地下水浸泡等原因仍继续塌孔，为此上通坝电站在反井钻机施工前先进行了深孔预固结灌浆。

2.1 深孔预固结灌浆

在反井钻机先导孔施工前，对导井四周进行预固结灌浆，灌浆孔布置方式为中轴线布置1孔，在φ1400mm导井开挖线向外偏移50cm线上均匀布置4个灌浆孔，在竖井全断面开挖线内侧偏移50cm线上均匀布置10个灌浆孔，间距1.5m，孔径75mm，固结灌浆分两步施工。深孔预固结灌浆的主要目的是为了提高围岩整体性和均值性，提高围岩的弹性模量，将破碎围岩固结成整体，提高其自稳能力，有利于井筒施工，确保竖井开挖时的施工安全，加快施工进度。

上通坝电站压力管道竖井反井钻机先导孔施工，由于提前采取了深孔预固结灌浆，在施工过程中十分顺利，未发生塌孔及卡钻等情况，先导孔平均钻速能到达20m/d，反向扩挖平均钻速能达到8m/d，速度较快。

2.2 喷锚+拱架+混凝土圈梁支护体系

由于围岩为薄层状泥质板岩，产状接近直立，为此全断面扩挖过程中采取了联合支护方式。(1)I18/I16环型钢拱架，间距0.8～1.0m，每榀钢支撑分为5段，每个接头设置4根φ25锁脚锚杆，每段工字钢中部再增设2根φ25固定锚杆，每两榀工字钢之间设置一排φ25系统锚杆，间距2m，锚杆采用普通砂浆锚杆，当无法成孔时采用自进式锚杆，长度为4.5m；(2)拱架之间连接钢筋采用φ22钢筋，间距50cm，拱架之间再增设环向钢筋，间距20cm，同时挂设钢筋网φ6.5@10×10cm，喷C20混凝土，厚度20cm；(3)设置排水孔，孔深3m，随机布置，内置φ50PVC管，排水集中引排入导井中部往下排；(4)在岩石风化严重区域采取φ42超前小导管并灌浆；(5)在开始全断面开挖前需在井口设置锁口圈梁(闭合钢筋混凝土承载受力环)，同时在竖井下挖过程中，每开挖15～20m设置一道环形钢筋混凝土圈梁，圈梁不占结构体形，嵌入井壁中，圈梁井筒向高1m，厚度60cm，双层配筋，沿混凝土处的两排系统锚杆调整到梁内并焊接牢固，用于增加井壁整体刚度，确保岩壁施工期稳定和后续施工安全。

从实施的效果来看，该支护组合结构对抑制竖井变形的作用十分有效，达到了预期目的，尤其是在岩石破碎地带，防止岩石长时间暴露会产生突变引起掉块、塌方，进而设置了钢筋混凝土圈梁，保证了下挖的安全，为竖井下挖提供了很好的技术支持。

3 弯管段开挖措施

竖井顶部与底部和平段交叉段(称为上弯段及下弯段)，围岩应力集中，加之地质条件较差的因素影响，同时竖井开挖期间所有石渣经导井溜渣后在竖井底部与平段交叉段处装运，在围岩破碎松散的溜渣孔中长期溜渣，下落的石渣不断冲击碰撞溜渣井壁，容易导致溜渣井不断扩大，形成塌腔，甚至发生整体垮塌，一旦发生垮塌，极有可能造成设备、人员损失，失事后果严重。在以往的工程经验中，柬埔寨达岱水电站引水发电洞竖井下弯段及梨园水电站4号引水道下弯段就发生过塌方，为此上弯段及下弯段的开挖需特别加强支护方式，制定专项施工方案及安全保证措施。

3.1 上弯段开挖措施

开挖时，上弯段先按照竖井直段方式开挖，待竖井全断面开挖完成之后返回上弯管进行扩挖，扩挖步骤如下：

(1)将竖井开挖前浇筑的环形锁口圈梁平段方向侧半环拆除，重新沿平段方向将圈梁两侧墙各延伸10m，形成U型混凝土圈梁结构，以确保中平段城门洞型钢支撑立柱支撑在稳定结构上；圈梁两侧墙各布置2排φ25自进式锚杆，L=4.5m，间距1m。

(2)从上部平段起弯处逐层向下扩挖，将原竖直洞段开挖时初期支护的钢拱架部分拆除，重新按弯管开挖断面焊接钢拱架支护。设置I16钢支撑，间距与原竖直段钢支撑一致，根据实际需要每榀钢支撑分为4～5段，每个接头设置4根φ25锁脚锚杆，每段工字钢再均匀布置2根φ25固定锚杆，锚杆采用普通砂浆锚杆或自进式锚杆，L=4.5m；钢支撑连接筋采用φ22钢筋，间距50cm。钢支撑架设完成后，挂钢筋网φ6.5@10×10cm；喷C20混凝土，厚度20cm。后期压力钢管外包混凝土浇筑时将扩挖部分回填。如图1、图2所示。

图1 竖井上弯管段扩挖支护示意图

图2 I16钢支撑加工图

3.2 下弯段开挖措施

由于弯管段转弯半径大且围岩稳定性差，下弯段开挖支护主要分下部平段开挖及竖井全断面向下开挖两个部分，具体按照以下步骤进行：

(1)在下部平段开挖时，按照城门洞型开挖，并在起弯处开始根据现场施工条件尽量向上开挖以降低竖井开挖时的难度，上通坝电站施工时自平段按城门洞型延伸进尺至三分之一弧长处，开挖断面顶部随设计线逐渐升高，再按三分之一弧长处断面尺寸开挖支护至竖井直段φ1.4m溜渣导井上游侧开挖边线下部，水平向开挖时，采用φ42小导管顶拱120°范围超前支护，环向间距0.3m，长度4.5m，搭接长度2m；I16型钢支撑，间距0.5m。

(2)在竖井全断面开挖至起弯处时，竖井起弯桩号开始按设计断面继续往下开挖支护5m，在5m处设置一道钢筋混凝土圈梁，5m以下部位采用半断面开挖，弯管内侧断面按设计断面形式开挖支护，弯管外侧断面则按6.76m宽度开挖成矩形，内、外侧半断面采用错台开挖支护，内侧半断面开挖后立即进行支护，以确保开挖过程中内弯段有稳定可靠的支护。内弯段采用倾向溜渣导井的斜面开挖，为防止内弯段顶部垮塌，开挖后立即设置钢拱架垂直于弧段支撑，由于该部位应力集中，为确保施工安全，弧段每进尺30cm布置一榀钢拱架，内侧半断面开挖后外侧半断面滞后约1m高程交替开挖，外侧半断面开挖完成后将内弧钢支撑延长至外侧半断面，钢支撑最终形成城门洞型整体。开挖至下部水平支护部位时，将前期施工钢拱架顶部弧段逐步拆除，内弯段斜向钢支撑拱腿延伸与底部前期钢拱架立柱焊接，使支撑体系形成整体。

图3 水平向扩挖示意图

图4 竖向扩挖示意图

在施工过程中还需注意以下细节：①在开挖过程中，需加强重视测量工作，一方面加强每循环进行测量放样以便对钻孔角度进行调整，减小超挖，另一方面方便压力管道后期钢管顺利安装；②溜渣井在溜渣过程中，由于渣体反复碰撞容易形成空腔，遇到这种情况一定要将空腔全部填密实后再进行下挖，否则容易发生垮塌引起安全事故；③加强安全监测工作，包括竖井变形检测及井内空气质量监测，确保工作环境安全。

4 结语

上通坝电站压力管道上下两个竖井于2017年3月顺利贯通，在泥质板岩稳定性较差的条件下平均强度达到1.5～2m/d，未出任何质量及安全事故。实践证明，采用超前深孔预固结灌浆，加上喷锚、钢支撑及混凝土圈梁等支护方式，可以有效解决破碎围岩的竖井开挖问题，在坚持好“短进尺、多循环、强支护、勤观测”的洞室开挖原则下，采取超前深孔预固结灌浆、反井钻机先导孔开挖加正向溜渣、竖井开挖喷锚+拱架+钢筋混凝土圈梁的组合支护体系等技术，可以有效地解决在软岩等不良地质洞段的竖井开挖的质量和安全问题，并能保证施工进度，是一种较好的施工方法。

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