大斷面復雜體型壓力管道開挖控制技術

林開盛,段 斌,余俊良,張 杰

(1.國電大渡河雙江口工程建設管理分公司，四川省馬爾康市 624000；2.四川農業大學，四川省雅安市 625014)

0 前 言

壓力管道施工與工程地質、圍巖分級、施工程序和方法、質量控制手段等密切相關，在壓力管道工程施工前必須綜合考慮以上因素，并對施工方案進行研究。本文以雙江口水電站在建壓力管道為例，系統研究其施工方案和質量控制。雙江口水電站壓力管道斷面大、體型復雜，施工體型須跟進洞軸線在空間三維持續變形，施工控制難度大。

1 工程概述

1.1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市、金川縣境內，是大渡河流域水電梯級開發的上游控制性水庫工程，采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，壩體填筑總量約4 400萬m3，壩頂高程2 510.00 m，電站裝機容量2 000 MW。引水發電系統布置于左岸，發電廠房采用地下式，廠內安裝4臺立軸混流式水輪發電機組，采用“單機單管供水”及“2機1室1洞”的布置格局。4條壓力管道平行布置(見圖1和表1)，設計開挖斷面平均直徑為10.3 m的圓形斷面，襯砌成型后管徑8.3 m。

圖1 雙江口水電站壓力管道三維視圖

表1 雙江口水電站壓力管道特征長度數據表 /m

1.2 地質條件

壓力管道巖性為灰白色似斑狀黑云鉀長花崗巖，局部偉晶巖脈較發育，巖體新鮮，洞壁大多干燥～潮濕，巖石堅硬，巖體完整，多呈塊狀～整體狀結構，巖體中地應力高，考慮高應力折減后，圍巖以Ⅲa類為主，成洞條件較好。

壓力管道處于高地應力區，強度應力比小于4，且主地應力方向與管道軸線交角大，對洞壁圍巖穩定不利，施工中可能出現片幫、巖爆，須加強預防巖爆處理措施。

1.3 施工重難點

(1) 壓力管道地應力方向與管軸線交角大，對圍巖穩定不利，施工中可能出現片幫、巖爆，安全風險大。

(2) 壓力管道漸變段存在沿N70°W/SW∠85°～88°產生的集中松弛裂縫，裂縫寬4～10 cm，洞頂滴水，并有N70°W/SW∠20°～25°結構面切割，巖體較破碎，圍巖為Ⅳ類，成洞條件差，開挖成型是本工程施工控制重難點之一。

(3) 壓力管道空間彎管段為空間三維螺旋形結構，施工體型須跟進洞軸線在空間三維方向持續扭轉變形，施工控制難度大[1]。

2 施工程序及方法

2.1 施工程序

壓力管道上平段開挖支護總體遵循4、2號與1、3號交錯開挖的原則，主要施工程序為：

施工準備→洞口鎖口施工→洞口段開挖支護→空間轉彎段開挖支護→直線段開挖支護→上彎段開挖支護(部分)→洞內下層石方反方向開挖(循環)。

2.2 施工方法

2.2.1 漸變段開挖

方變圓漸變段長17.604 m，由11.6 m×11.6 m方形漸變成直徑11.6 m的圓形。該段開挖分為上、下2層施工，上層高度8.9 m，下層高度2.7 m。洞口部位開挖采取先導洞后周邊光爆成型的方法施工。洞口成型后采用短進尺爆破循環開挖，循環進尺不超過2 m，確保漸變段成型質量。

2.2.2 壓坡段開挖

4條壓力管道壓坡段均采用上、下分層斷面開挖，下層預留厚度2 m。上層由外向里掘進，先中部掏槽，周邊采用光面爆破控制開挖輪廓；先完成上層開挖后，再由里往外進行下層開挖，采用水平光面爆破開挖成型。

(1) 上層開挖鉆孔采用自制風鉆臺車作業，YT28汽腿鉆造孔。

(2) 選用2號巖石乳化炸藥，人工裝藥、聯網，非電毫秒雷管簇聯分段微差控制爆破。

(3) 壓力管道上平洞段開挖過程中，隨機安全支護適時進行，系統噴錨支護適時跟進施工。不良地質段則根據施工設計做好超前支護，洞挖在超前支護措施保護下作業。

2.2.3 空間轉彎段開挖

4條壓力管道空間轉彎段均采用上、下分層斷面開挖，下層預留厚度2 m。上層由外向里掘進，先中部掏槽，周邊采用光面爆破控制開挖輪廓；先完成上平段全部上層開挖后，再由里往外進行下層開挖，采用水平光面爆破開挖成型。

每個空間轉彎段開挖分為22個循環開挖，鉆孔前先測量計算偏移角度與鉆孔深度。按循環進尺1.5 m考慮，標準循環段左側最大鉆進深度約1.7 m，右側邊墻鉆孔深度約1.3 m，由此達到空間轉彎的目的。具體循環進尺以及偏移角度等參數詳見表2和圖2。爆破設計見圖3和表3、4。

壓力管道空間轉彎段開挖方法如下：

(1) 上層開挖鉆孔采用自制風鉆臺車作業，YT28汽腿鉆造孔。

(2) 選用2號巖石乳化炸藥，人工裝藥、聯網，非電毫秒雷管簇聯分段微差控制爆破。

表2 壓力管道空間轉彎段開挖質量控制參數表

圖2 壓力管道空間轉彎段鉆爆進尺控制圖 單位：mm

圖3 空間轉彎段爆破布孔圖 單位：cm

開挖斷面/m2鉆孔總數爆破方量/m3總裝藥量/kg炸藥單耗/(kg·m-3)預期進尺/m65.8612198.895.70.971.5

表4 鉆爆參數初設值表

(3) 空間轉彎段開挖過程中，為保證爆破成型質量，需要對每循環進尺角度和各部位鉆孔深度進行控制，具體參數見表2和圖2。

(4) 壓力管道空間轉彎段開挖過程中，隨機安全支護適時進行，系統噴錨支護適時跟進施工。不良地質段則根據施工設計做好超前支護，洞挖在超前支護措施保護下作業。

2.2.4 上彎段開挖

考慮斜井段施工反井鉆機作業平臺，需要在上彎段處進行技術擴挖以滿足反井鉆機作業空間需求，同時為保證后續斜井施工，需在上彎段頂拱設置天錨，以滿足卷揚系統工作需要。

上彎段擴挖區域為彎段頂部尺寸24.37 m×9.9 m的三角部分，具體施工示意圖見圖4。

圖4 壓力管道上彎段開挖圖 單位：m

根據以往工程經驗滑模系統總量約20 t，考慮人員及設備荷載，并按1.5倍安全系數，總牽引力按60 t計，天錨計劃布設4×?32 mm、L=6 m的錨筋，可滿足受力要求。具體天錨參數布置見圖5。

圖5 壓力管道上彎段天錨布置圖 單位：m

3 開挖質量

3.1 質量控制要點

(1) 地下洞室開挖，測量放樣是關鍵。施工過程中，每個循環爆破鉆孔前均應根據施工圖紙進行測量放樣，并檢查上一循環超欠挖情況，測量結果及時反饋到相關部門及施工人員，以便指導后續開挖施工。

(2) 鉆孔質量直接影響開挖效果。鉆孔施工采取定人、定機、定位的“三定”原則，即，將所有炮孔根據施鉆人數劃分責任區，實行“專孔專人專鉆”，保證鉆孔質量，同時也有利于炮后進行每茬炮的質量優劣分析及評比。

(3) 裝藥爆破質量控制。光爆孔、預裂孔藥卷按爆破設計裝藥結構要求捆綁于竹片上，不耦和裝藥系數應大于1.5。光爆孔、預裂孔藥卷必須經監理驗收合格后方可插藥入孔。裝藥過程中爆破班長、技術員現場旁站，三檢員和現場監理隨時抽查或現場監督。裝藥結束經監理簽發準爆證后方可實施爆破。

(4) 爆破界面質量檢查及參數調整。爆破開挖質量按每排炮進行檢查和評定，在下排炮的鉆孔前進行。檢測項目包括：爆破半孔率、半孔平行度、平整度、超欠挖、排炮間錯臺等，每排炮開挖爆破界面質量檢查評定成果作為工法改進的主要依據。同時依據質點振動速度及爆破效果調整爆破參數，不斷提高開挖質量。

(5) 嚴格控制空間轉彎段施工質量，鉆孔前由測量計算偏移角度與鉆孔深度，循環進尺控制在1.5 m以內，且測量人員加密復核洞軸線。

(6) 開挖后及時支護，防止圍巖松弛變形失穩；遇到斷層及不利結構面及時采取有效防范措施，確保洞室圍巖穩定及施工安全。

3.2 質量控制效果

現場洞挖嚴格按照設計斷面進行開挖，加強過程質量管控，取得了良好的開挖成型效果(見圖6)。

圖6 開挖效果圖

(1) 圍巖松動范圍控制在20～120 cm，最大120 cm。

(2) 超欠挖質量控制：壓力管道開挖共檢測189個斷面，947個點，無欠挖，平均超挖值12.4 cm(見表5)。

表5 雙江口水電站壓力管道超欠挖控制成果表

(3) 不平整度及半孔率質量控制：壓力管道開挖共檢測189個斷面，3 255個點，最大值16.5 cm，平均值14.5 cm，檢測點合格率93.4%；檢查炮孔1 133個，半孔率92.2%(見表6)。

表6 雙江口水電站壓力管道不平整度及半孔率控制成果表

4 結 語

雙江口水電站引水發電系統工程壓力管道上平段施工，結合管道的結構形式及實際條件，施工中多種開挖方式有效結合，并通過測量放樣、鉆爆工藝控制，取得了良好的成型效果，達到了超欠挖控制精度要求，減少彎管超挖與混凝土回填量，節約工程成本，其施工參數與經驗在其他類似工程中具有推廣借鑒意義。