永寧河四級水電站調壓井工程開挖施工方案優化

謝和平，李本華，王偉，李鵬

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川雙流，610225)

1 工程概況

永寧河四級電站位于鹽源縣長柏鄉境內的永寧河段上，廠房距鹽源縣城90km，距西昌市241km，電站裝機容量4.0萬kW，最大壩高13m，由進水樞紐(攔河閘壩)、引水隧洞、調壓井、壓力管道、電站廠房、升壓站等主要建筑物組成。

調壓井在引水隧洞的末端，開挖直徑15m，其成型洞徑為12m，開挖深度為56.9m(高程2094～2150.9m)。調壓井采用C30鋼筋混凝土襯砌，井內正常水位2106.2m，最低涌浪水位2100m，最高涌浪水位2145.9m。

調壓井布置在30°～35°山坡，附近基巖覆蓋層較淺，卸荷帶厚23m左右，風化帶厚35m左右。

2 施工方案概述

2.1 原施工方案

2.1.2 調壓井原投標灌漿方案:調壓井井壁混凝土襯砌完成后進行水平鉆孔對井壁固結灌漿。

2.1.2 調壓井原投標開挖方案:先采用LM－300型反井鉆機施工φ216mm的先導孔，再分兩次擴挖成φ2000mm的導井(先擴挖成φ1400mm，再擴挖成φ2000mm)。φ216mm導井(溜渣井)擴挖完成后進行15m的井身開挖，采用分層分區鉆孔爆破的施工方法，用MQ540/30型低架門機作為井內的運輸機械，吊運挖機材料等，爆破完后的出渣用PC100的挖機扒渣至溜渣井，在下平洞用裝載機配合自卸汽車出渣。

2.2 優化后施工方案

2.2.1 由于調壓井地處巖體風化帶較厚，巖層為灰色砂巖夾泥質灰巖，強風化，節理裂隙發育，巖體呈層狀、碎塊狀，自穩能力差，且考慮到工期、避免卡鉆等因素，所以開挖前進行優化，采用垂直孔深30m的預固結灌漿施工，保證反井鉆機在豎井巖層中得正常鉆進和擴孔。

2.2.2 由于原開挖施工方案工期為5個月，工期長，且門機、挖機等設備投入費用大，考慮到豎井石方開挖單價低，如果再大量的一次性投入，勢必造成虧損，所以對開挖方案進行優化。

后經優化的開挖方案為:預固結灌漿完成后先采用LM－300型反井鉆機施工φ216mm的先導孔，再擴鉆成φ1400mm的導井。φ1400mm導井擴挖完成后進行井身開挖，采用分層分區鉆孔爆破的施工方法，掌子面開挖成“V”字型(先開挖溜渣井四周，后開挖剩余部分)，坡度為30°～45°。爆破后有大部分的洞渣可依靠此坡度自然地溜入溜渣井，剩余的小部分采用人工在井內扒渣，通過溜碴導井溜入調壓井下平洞，裝載機、自卸汽車洞內出渣。井口設置自制龍門架，配合一臺5t卷揚機，通過吊籠運輸材料、工具等。作業人員上下使用鋼爬梯。

3 施工方案的優化及實施

3.1 預固結灌漿

調壓井處巖體風化帶較厚，巖層為灰色砂巖夾泥質灰巖，強風化，節理裂隙發育，巖體呈層狀、碎塊狀、自穩能力差。為了保證施工安全、確保施工進度，經過和設計人員的多次溝通，將原設計的水平灌漿優化為調壓井上部30m范圍內的垂直預固結灌漿。

預固結灌漿孔間排距均為1.5m，孔深30m，井壁預固結灌漿孔徑為100mm，以調壓井中心為圓心，內排半徑8m，外排半徑9.5m。漿液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.6∶1(或0.5∶1)四個重量比級，開灌水灰比為3∶1。參照設計要求，灌漿壓力為0.25～0.5MPa，壓力從上至下一次提高。固結灌漿分段段長不大于5m，終孔壓力為0.5MPa。

預固結灌漿在井筒開挖前對井壁圍巖進行了加固，提高了圍巖的自穩能力，減小井筒開挖過程中的不安全因素，降低了井筒開挖施工期的安全風險。

3.2 溜渣導井開挖

溜渣導井部位，先施工LM－300型反井鉆機的基礎混凝土，然后將LM－300型反井鉆機定位。首先自上而下進行φ216mm導孔鉆孔，導孔施工時，嚴格工藝過程各個環節，控制導孔偏斜。導孔施工結束后，在調壓井下部洞室換φ1400mm鉆頭，LM－300型反井鉆機自下而上擴孔，形成φ1400mm的導井。

3.3 鎖口混凝土施工

在豎井大面積開挖前，沿井周澆筑深度3m的C30鋼筋混凝土形成鎖口承重環，來保持山體和井口表面的不松散變形。調壓井鎖口混凝土示意見圖1。

圖1 調壓井鎖口混凝土示意

3.4 井筒擴挖

豎井井筒開挖采取自上而下擴挖，導井溜渣的施工方法施工。按照平面施工分區、豎向分層的原則，在平面上分三個區開挖(A、B、C)，通過分區，可實現“鉆孔爆破、出渣、支護”交替平行作業，豎向按照兩個支護循環為一層，確定其開挖高度為1.5m左右。

3.4.1 鉆孔爆破

井身采用5臺YT－28手風鉆鉆孔，孔徑φ42mm，爆破孔孔距0.9m，排距0.7m，孔深1.8～2.0m。乳化炸藥、非電毫秒導爆管雷管分段起爆，豎向開挖確定其開挖高度為1.5m。爆破參數見表1，調壓井分區分層示意見圖2。

表1 爆破參數

圖2 調壓井分區分層示意

3.4.2 出渣

(1)井內出渣。由于爆破成型為“V”型，爆破后會有一大部分依靠爆破坡度(30°～45°)自然溜入溜渣井，剩余的一小部分利用人工扒渣入井內。為防止堵塞溜渣井，在井內預先穿入一根鋼絲繩，萬一堵塞時，可利用該鋼絲繩吊藥包進行爆破處理。

(2)井下平洞出渣。井下平洞內ZL－50裝載機裝10t自卸汽車出渣，運往業主指定的棄渣場棄渣。

3.4.3 井身開挖作業循環時間

井身擴挖分三個區進行，鉆孔深度1.8～2m，作業循環時間約1～1.5d。

3.5 井筒擴挖支護

調壓井的型式為阻抗式，調壓井高程2150.9m附近基巖覆蓋層較淺，卸荷帶23m左右，風化帶35m左右。其不良地段為58m，施工時安全隱患較大。

該調壓井具有跨度大、井身高和地質條件差的特點，為使井挖能順利施工，應采取“預固結、短進尺、弱爆破、強支護及勤觀測”的施工原則，重點抓好臨時支護及施工監測。

由于調壓井地質條件差，如果出現破碎的地質段，采取“型鋼拱架+鋼筋網+錨桿+噴混凝土”的組合支護結構，支護時向四周擴挖20㎝，保證支護結構不占永久襯砌斷面。施工中，型鋼拱架、鋼筋網結構緊貼井壁圍巖設置，錨桿設置在拱架底部并與拱架焊接，用C25混凝土噴充填拱架，形成臨時支護結構主體。支護結構主要通過面接觸來改善圍巖對拱架傳力的均勻性，提高拱架結構承載力，進而達到聯合成整體受力而抑制圍巖的變形。

3.6 龍門架設計

為滿足導井擴挖及施工過程中少量錨桿，鋼筋等工具部件的垂直運輸，將原龍門吊優化為“自制龍門架+5t卷揚機”的方案。調壓井井筒最大直徑為17m，故門架跨度按18m設計，門架橫梁采用2根32#工字鋼進行并焊錯縫焊接，支撐橫梁的門柱采用倒三角架支撐焊接(圖3)。調壓井自制龍門架設計的安全指標按照3t吊重進行，后經驗證及施工實踐均能滿足要求。

圖3 調壓井自制龍門架

4 經濟效益

調壓井開挖施工計劃工期為5個月，優化后實際工期4個月，大大節約施工成本，取得了較好的經濟效益。優化前后利潤比較見表2。

表2 優化前后成本工期比較