抽水蓄能电站高压岔管薄壁异型结构开挖控制技术研究与应用

2023-06-07付红刚杨云志

四川水利 2023年5期

付红刚,杨云志

(中国水利水电第七工程局有限公司,成都 611700)

1 工程概况

芝瑞抽水蓄能电站位于内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗芝瑞镇,电站装机容量1200 MW,装设4台单机容量为300 MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机。主体土建及金属结构安装工程主要由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等五大建筑物组成,其中上水库正常蓄水库容725万m3,大坝采用沥青混凝土面板堆石坝;下水库正常蓄水库容1160万m3;引水系统采用“一管两机”供水方式;尾水系统采用“一机一洞”的布置型式。

芝瑞抽水蓄能电站设置2条水道系统,每条水道系统分别设置上、下斜井。上斜井由上弯段、斜直段和下弯段三部分构成。2条高压主管平行布置,洞轴线间距为49.00 m,上倾55 °,上斜井与上弯段夹角为55 °,斜直段长度295.291m,其中下部10.5m为渐缩管。高压管道开挖断面为马蹄形洞。

下斜井由上弯段、斜直段和下弯段三部分构成。2条高压主管平行布置,洞轴线间距为49.00 m,上倾55 °,下斜井与上弯段夹角为54.427 °,中心长度均为39.997 m,下斜井与下弯段夹角为54.427 °,中心长度均为37.997 m,斜直段长度163.692 m,其中下部10.5m为渐缩管。引水系统高压管道下斜井开挖为马蹄型洞。从高压管道末端分为两支高压岔管,由大断面分岔为两个小断面,开挖断面尺寸由8.65 m×7.2 m变为4.6 m×4.6 m,分岔处为异型薄壁尖角岩柱。

2 存在问题及解决方案

高压岔管分岔处为异型薄壁尖角岩柱,开始端岩柱厚度很小,且岩石较破碎,开挖成形难度大。若仅采用普通的爆破控制手段也难以保证爆破体形。为提高压力管道岔管段异型尖角部位开挖成形效果,需要对该部位进行预加固。若采用常规的系统钢筋锚杆进行预加固,在爆破后,锚杆上容易遗留块石难以清除。因此采用玻璃纤维锚杆进行预加固并同时采用爆破控制手段来进行开挖体形控制。玻璃纤维锚杆抗拉强度高,抗剪强度低[1],既能够对岩体进行预加固,又能够在爆破时沿着开挖结构线剪断,能够很好地控制爆破体形。

3 薄壁异型结构控制技术

按照“短进尺、弱爆破、紧支护、勤观测”原则,把高压岔管洞口前端分为多个区域,爆破进尺控制在1.5 m,保证分岔部位成形效果;分为左右两个岔洞独立进尺。每个循环爆破前采用φ25、L=4.5 m玻璃纤维锚杆垂直爆破抵抗线方向对尖角区域进行超前预支护,间排距根据现场岩石破碎情况确定,不宜大于1.5 m。爆破时,要遵循“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则循序渐进。

4 玻璃纤维锚杆施工

锚杆钻孔采用单臂钻造孔,钻孔孔径为φ42 mm,注浆采用M30水泥砂浆[2]。锚杆均采用先注浆后插杆的程序施工。

4.1 测量放线、锚杆孔定位

按照设计要求对锚杆孔位、角度进行施线,并用红油漆作好标记[3]。

4.2 钻孔

锚杆钻孔采用单臂钻钻孔,钻孔直径为φ42 mm。

4.3 锚杆制作

锚杆制作在钢筋厂统一加工、处理、保管,运至安装工作面直接安装。

4.4 锚杆安插及注浆

按照规范要求,采用“先注浆后插锚杆”施工工艺[4]。

4.4.1 锚杆材质检验

钢筋、水泥、砂浆等材料,均需要复核设计要求。

4.4.2 锚杆检测

锚杆长度检测采用无损检测法,常规部位永久锚杆检测比例不小于施工总数的10 %,且每单元工程不少于10根;关键部位的锚杆检测比例应不低于施工总数的50 %,必要时可100 %检测,且每单元工程不小于20根;临时工程锚杆检测比例宜为施工总数的3 %,且每单项或单元工程不小于5根;永久锚杆单项或单元工程质量无损检测合格率达不到要求时,应加倍检测。实测入孔长度大于等于设计长度的95 %为合格。

5 爆破施工

5.1 施工准备

施工用风、水、电就绪,安全防护措施落实到位,施工人员、机具及作业平台准备就位,并对管理人员、作业人员进行技术交底。

5.2 测量放线

测量放样采用全站仪进行,由专业人员实施,放样过程要求放出各周边孔位、隔孔放出方向点。在洞内开挖放线过程中,必须首先对上排炮超欠挖情况进行检查,对于出现欠挖的部位,要标出欠挖位置,同时,将测量放线成果向现场管理人员进行交底。随洞室开挖掌子面的推进,每隔10 m在进洞方向同侧洞壁标示桩号、高程标志,以便现场人员检查。在开挖过程中,应定期对所使用的控制点进行全面检查、复测,确保测量控制质量。

5.3 爆破设计

5.3.1 爆破控制要点

(1)为防止主爆孔对保护区影响,掏槽孔布置远离保护区。

(2)在保护区缓冲孔范围内间隔前布置4～5空孔,起到缓冲孔作用。

(3)测量人员对爆破孔孔位、孔向进行精确控制;三检人员对爆破参数进行过程控制。

5.3.2 主要的爆破参数确定[5]

洞室开挖前,根据围岩地质情况进行爆破设计,设计周边孔光面爆破,中孔掏槽,电子毫秒微差爆破,现场施工期间根据实施效果对爆破参数进行调整。常规的抽水蓄能电站岔管大小差别不大,可按照以下主要参数进行控制。

(1)保护区一侧光爆孔间距缩小至43 cm,其他部位光爆孔间距可按照50 cm控制,光爆孔装药线密度不超过150g/m。

(2)炸药单耗不超过1.2 kg/m3,具体可根据围岩类别调整。

(3)在保护区一侧的辅助孔部位设计少量的空孔,减少爆破对保护区的影响。

(4)爆破进尺不超过1.5 m。

(5)将掏槽孔的部位向非保护区一侧偏移,减少掏槽孔对保护区的影响。

5.4 钻孔作业

采用手风钻水平钻孔爆破。钻孔孔径为42 mm。钻孔作业前要准备必需的孔向控制工具及保证钻工处于最佳作业位置的材料、工具,造孔前由当班技术员对造孔孔位、方向进行检查,无误后方能开钻。钻孔由技术优秀的钻手负责周边孔,其余钻手负责中部爆破孔,钻孔作业严格按批准的爆破设计图进行布孔和钻孔作业,钻孔要求“平、直、齐”,周边孔偏差不大于5 cm,爆破孔偏差不大于10 cm。钻孔结束后由当班技术员对孔距、孔深、孔向进行检查,签字认可后方能进行下一工序施工。

5.5 装药

炮工必须取得爆破作业证书,装药量及起爆顺序严格按监理工程师批准的爆破设计进行装药联网。炸药采用φ32 mm乳化炸药,雷管采用电子雷管。崩落孔连续装药,周边孔采用φ32 mm药卷绑扎在竹片上间隔装药。装药作业时,除爆破工之外,施工设备及其他施工人员均需撤离到安全区域,并安排专人在炮区各个出入口进行爆破警戒。

5.6 联线、起爆

装药结束,按爆破警报约定,进行准备-预警-起爆-警报解除等程序,起爆由前排依次向后排起爆,为保证爆破作业安全、稳定及成形,采用毫秒微差电子起爆网络。

5.7 通风散烟及除尘

工作面爆破后及时启动洞口轴流风机通风。确定空气合格,等待时间超过15 min后,人员方可进现场进行查炮。

5.8 安全检查与处理

爆破后,为保证施工人员和设备的安全,安全处理将成为爆破作业的一道非常重要工序。采用反铲对掌子面危石进行完全彻底地清撬,尽量将洞顶可能掉落的石块清除;处理完成并经检查安全后,才能进行出渣作业;出渣完成后由装载机将施工平台抬至掌子面,人工利用撬棍再次进行安全检查及处理。

5.9 出渣及清底

采用3 m3侧卸装载机配合20 t自卸车出渣,出渣过程要将掌子面底部积渣清干净,以利于后续钻孔作业,同时要将底部扒平整,为文明施工创造良好条件。清底主要采用反铲进行。

5.10 主要的爆破控制要求

(1)每茬炮后完成一炮一总结工作,总结经验,优化下一炮的施工。

(2)根据围岩特点合理选择周边孔间距及周边孔最小抵抗线。

(3)严格控制周边孔装药量,并使药量沿炮孔长度合理分布。

(4)周边炮孔与辅助炮孔的孔底在同一垂直面上,保证开挖面平整,应根据实际情况调整炮孔深度,并相应调整装药量。

5.11 常见问题分析及应对措施

(1)光爆(预裂)孔孔间平整度不足

应对措施:合理布置周边孔间距、控制装药量。

(2)冲天炮

防治措施:合理布置炮孔、正确确定爆破参数和提高堵塞质量等。

(3)挂门帘

防治措施:根据石质选择合适的抵抗线;尽量采用小直径连续装药等。

(4)岩壁留有半边孔的超、欠挖

防治措施:严格按要求穿孔,控制钻孔孔向。

(5)未留半边眼孔的超欠挖

防治措施:严格控制装药量,合理选择抵抗线厚度。

6 挂网喷混凝土施工

6.1 施工准备

清除开挖面的浮石,清除石渣和堆积物。处理光滑岩面。用高压风水枪冲洗喷面,对遇水易潮解的泥化岩层,采用压风清扫岩面。埋设好喷厚控制标志,喷前检查所有机械设备和管线,确保施工正常。根据设计图纸,进行喷混凝土配合比试验。

6.2 挂网施工方法

钢筋网应沿开挖面铺设,与岩面距离宜为30～50 mm。

按设计图纸,在指定部位布设钢筋网,钢筋网与锚杆连接要牢固,且尽量紧贴岩面。对有凹陷较大部位,可加设膨胀螺杆拉紧钢丝网,再挂铺钢筋网,并与锚杆和附加插筋(或膨胀螺栓)连接牢固[3]。

6.3 喷混凝土施工方法

湿喷工艺:在湿喷台车可以施工范围采用机械臂进行湿喷,喷混凝土料在拌合楼供料,采用混凝土罐车运输至工作面,采用湿喷台车进行施工。

潮/干喷工艺:湿喷台车不能到达的局部狭窄区域采用喷射机进行潮/干喷,喷混凝土料采用在过渡料筛分系统前建设临时潮/干喷料强制式搅拌站,后采用自卸汽车运输至工作面,采用潮/干喷机施工。

喷射混凝土终凝2 h后,喷水养护,养护时间一般部位为7 d,重要部位为14 d,气温低于5 ℃时,不喷水养护。

6.4 质量检查与验收

按照相关规范要求进行喷射混凝土施工质量抽样试验,抽样试验报告报送监理人。

7 异型结构爆破控制技术成果分析

利用玻璃纤维锚杆抗拉强度高而抗剪强度低的特点[6],能够很好地对临时结构断面起到预支护作用,并在爆破冲击波的作用下沿着结构面被剪断,省去了后续处理的难题。加上采用光面爆破技术和弱爆破、短进尺的爆破机理,高压岔管中部的尖角岩柱能够很好地保留下来。经过现场测量,最大超挖不超过15 cm,无欠挖情况存在,有效保证了施工质量,节省了后期超挖超填处理的费用。