金水河三級水電站壓力鋼管隧洞內施工技術應用

李強宗

(廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 510000)

1 工程概況

金水河三級水電站位于云南省金水河上，為引水式電站，工程的建設可滿足當地用電需求，進一步提升區域社會經濟增長。樞紐建筑物主要由攔河壩、引水建筑物(包括引水隧洞、調壓井、壓力鋼管)、地面廠房及升壓站等組成[1]。引水隧洞總長6288.717m，斷面為圓形，其中1#壓力引水隧洞長4030.753m，2#壓力引水隧洞長2253.964m。調壓井位于1#引水隧洞末端處，后接壓力鋼管。壓力鋼管總長347.855m，其中主管長330.108m，管徑3.6m，壁厚34mm；支管長17.747m，管徑2.0m，壁厚26mm。主管主要采用洞內埋管，洞內坡度為5.71°，其分段樁號及隧洞斷面型式見表1。

表1 壓力鋼管主管分段情況表

為保證工程順利引水發電，壓力鋼管在隧洞內的成功貫通是項目的關鍵節點，因此須進行科學的施工技術方案分析及質量管控。壓力鋼管洞內施工流程主要包括洞內開挖及支護、鋼管運輸及安裝、管周混凝土澆筑3個環節，結合項目建設實際，對其關鍵技術方案及質量管控要點進行分析，以期為我國水電站壓力鋼管的建設積累經驗。

2 工程地質條件

施工技術方案編制與工程場地地質條件密切相關[2]。根據項目地勘報告，工程地震基本烈度為Ⅵ度。根據GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計標準》，工程場地8km范圍內無活動斷層，庫區無大于等于5級的地震活動，抗震穩定性好，因此工程場地屬于建筑物抗震有利地段。壓力管道沿線未發現明顯影響隧洞洞口穩定的泥石流、滑坡等現象，適于引水隧洞的開鑿。隧洞沿線分布Ⅲ～Ⅴ類圍巖，局部洞段由于隧洞埋深較大，可能出現輕微～中等巖爆，影響深度為0.5～1m，對隧洞施工有一定影響。壓力管道為洞內埋管，通過堵頭與隧洞相連接，鎮、支墩均置于洞內強～微風化變質砂巖、細砂巖、板巖之上，基礎較穩定。根據沿線隧洞開挖情況，分段地質描述見表2。

表2 壓力鋼管(洞內段)地質分段描述

3 關鍵施工技術方案

3.1 隧洞開挖及支護

根據圍巖情況及洞段部位不同，壓力鋼管的隧洞洞身主要采用常規噴錨支護，不良地質洞段進行襯砌支護或超前支護。對于洞身出口段，其局部穩定性差，可能發生小～中等坍落，須噴混凝土或噴錨支護，拱頂設置系統錨桿。結合現場實際條件及施工進度安排，考慮隧洞開挖和支護同步進行，具體施工程序可分為以下4種情況：

(1)支洞施工總體程序：施工準備→支洞進口測量→洞口明挖及洞臉支護→洞身開挖→支洞地質素描→支洞支護施工。(2)明挖主要施工程序：巖面清理→初噴混凝土→錨桿施工→掛鋼筋網→噴混凝土→下層開挖。(3)一般洞段開挖施工程序：測量放樣→鉆孔→裝藥→聯網起爆→通風排煙→安全檢查→出渣→安全處理→支護→掌子面清理→進入下一循環。(4)穿過斷層破碎帶等不良地質洞段開挖施工程序：測量放樣→鉆孔→裝藥→聯網起爆→通風排煙→安全檢查→安全處理→頂拱初噴混凝土→設置系統錨桿→出渣→鋼支撐、頂棚、噴射混凝土(必要時)→掌子面清理→進入下一循環。

3.1.1洞臉開挖與支護施工

首先采用反鏟將洞臉表面覆蓋層開挖掉，然后對巖石進行手風鉆鉆爆。洞臉從上向下開挖過程中，根據現場實際情況及時進行支護處理，以防止雨水沖刷導致邊坡失穩[3]。根據地質情況采用C25混凝土進行洞臉噴護，并在局部巖石完整性較差的部位加打錨桿和噴砼支護。

3.1.2洞身開挖與支護施工

該項目施工支洞開挖斷面相對較小，故采用全斷面開挖方法，設計邊線采用光面爆破形成。開挖后及時檢查施工區域洞壁，并加強巖石的歷時變形監測[4]。為保證場地圍巖穩定，先對洞身進行超前錨桿及鋼拱架臨時支護，隨后及時進行C25鋼筋混凝土永久襯砌支護。

3.2 鋼管運輸及安裝

隧洞開挖形成并防護穩定后，可進行壓力鋼管的洞內運輸及安裝工作。壓力鋼管分節制作，每節4m。在管道運輸及安裝前，須及早準備好運輸與吊裝設備，以保證按計劃推進施工。同時足額配備切割下料、除銹及焊接設備等，確保工程按計劃實施。場地內應備好動力接線及開關，保證工程順利進行。

3.2.1鋼管現場運輸

在運輸滑行臺車支架上安置壓力鋼管如圖1所示，其軌道中心距為2m，前后各用2個千斤頂進行鋼管就位微調。鋼管應在運輸臺車上固定牢靠，并將卷揚機鋼絲繩與運輸臺車進行連接。之后用卷揚機和叉車配合，在隧洞出口處將鋼管向洞內牽引至指定位置。

圖1 壓力鋼管運輸方案圖(注：圖示尺寸為mm)

3.2.2鋼管安裝

對壓力鋼管進行逐節安裝，并采用全站儀監測鋼管定位節(初始節)的安裝數據，其偏差符合設計要求后方可進行鋼管的外支撐加固[5]。為確保鋼管在混凝土澆灌時不發生變位，在洞壁和管壁之間用14#槽鋼分8至16個點(定位節)來支撐，并在每支撐點施打錨桿固定。鋼管的外支撐加固如圖2所示，安裝所需材料見表3。

圖2 壓力鋼管安裝外加固筋示意圖

初始定位節安裝完畢后，將第二節鋼管緩慢下放并移至定位節，用千斤頂將鋼管頂起后進行微調，待安裝管節的各項尺寸符合要求后，即可進行環縫對接。環縫的對接錯位利用頂杠和千斤頂進行調整，之后便可進行鋼管對接環縫點焊(點焊長度為50～80mm，間距為300～500mm)。環縫點焊完畢即可進行鋼管加固，并保證牢固可靠。在鋼管對接過程中應隨時監測鋼管的高程、樁號及中心變化。環縫組裝完畢后，可對鋼管組裝質量進行檢查和驗收，合格后交焊工對其施焊。其余管節安裝方法類同。

3.3 管周混凝土澆筑

根據項目設計方案，洞內鋼管周圍的混凝土襯砌厚度為60cm，洞外明管段外包混凝土厚度為120cm，混凝土總量約為5447m3。管周混凝土根據鋼管安裝的進度合理組織施工，其中明管段外包混凝土施工難度較小，按常規混凝土施工即可，堵頭及洞身采用微膨脹混凝土澆筑；洞內管周混凝土澆筑應進行重點控制。

在鋼管周圍襯砌混凝土回填之前，須清除鋼管外表上的浮銹及其它有害物質，在澆筑混凝土之前一直保持清潔[6]。鋼管周圍襯砌回填混凝土采用預埋泵送管分段澆筑如圖3所示，鋼管安裝20～30m后移交混凝土澆筑，具體分段長度可根據現場情況進行調整。為保證管周混凝土澆筑飽滿，每倉倉面內預埋兩條泵送管，泵送管安裝在拱頂中心位置兩側(與灌漿檢查孔位置錯開)，長短宜交錯布置，其中長管距里側模板或混凝土面50～100cm。澆筑過程中主要使用短管進行澆筑，長管兼顧排氣管使用，當長管有混凝土漿液流出時將其封閉，隨后繼續泵送混凝土至鋼管周圍并澆筑完成。

圖3 倉面預埋泵送管示意圖

混凝土澆筑時，采用軟軸式振搗器進行振搗，并加強鋼管底部和加筋環周圍部位的振搗，使混凝土達到最大密實度[7]。每層澆筑厚度控制在30～50cm，并保證管道左右對稱澆筑，均勻上升，混凝土層間澆筑間歇時間<90min且不得大于最早初凝時間。澆筑設備由有經驗的工人操作，以確保混凝土能被泵送壓入巖面的所有凹凸面內，以填滿整個空腔。澆筑完成后，為不妨礙洞內其余節的鋼管安裝，混凝土采取蓋麻袋灑水養護，早期潮濕養護不少于21d，炎熱季節應延長至28d，以防止混凝土的早期塑性開裂。

表3 壓力鋼管安裝材料表

3.4 質量管控要點

水電站壓力鋼管施工具有建設條件有限、施工流程復雜、特種設備交叉作業等特點，因此須對管道的主要施工環節進行科學的質量管控。施工前，項目部應建立以項目經理為核心的質量保證體系，認真把好圖紙會審關、方案編制關、設備驗收關、施工工序質量檢查關和質量收集關，使施工質量在各個環節上能得到有效控制[8]。同時，技術人員應認真對施工班組進行技術交底，在施工過程中嚴格落實“三檢制”要求。結合金水河三級水電站壓力鋼管建設實際，其主要施工質量管控要點如下：

(1)隧洞開挖施工前，應進行詳細合理的爆破開發方案設計，并組織實施生產性試驗，以確定爆破技術參數。結合試爆效果，對爆破方案進行修正和完善以達到最優產出。

(2)提升施工期圍巖變形及爆破震動的監測頻次，結合監測結果優化開挖及支護設計，保證洞室和毗鄰巖體結構穩定可控。

(3)鋼管安裝主要在引水隧洞內完成，周邊環境濕度較大，不利于鋼管焊接質量控制。為了確保焊接質量，所有焊縫均采用半自動氣體保護焊和手工電弧焊。

(4)混凝土施工作業遵照相關規范執行。為保證混凝土質量符合要求，須加強進場材料質量管理和抽查檢測，嚴禁不合格材料的使用；在混凝土的配置過程中，必須保障混凝土配合比的科學性，并嚴格遵守相應的施工規范與要求。

(5)混凝土澆筑中應重點關注泵送過程是否出現堵塞，其常見堵塞原因一是泵送混凝土不合格，主要表現為混凝土離析、塌落度不符合要求或粗骨料粒徑過大；二是在泵送過程中，若每個泵送沖程的壓力高峰值隨沖程交替而交叉上升，在達到設定壓力后，正常的泵循環會自動停止，主油路溢流閥會發出溢流聲；或在泵送過程中，出現泵壓力和油溫升高，管端出料困難或停止出料，就表明發生堵塞。堵塞后不得強行泵送，應用木槌適度敲擊彎管及錐管部位，同時進行1～2個反泵循環，就有可能排除堵塞。如仍然無效，則表明堵塞較嚴重，應立即查明原因并處理。

4 結語

在系統分析金水河三級水電站地質條件的基礎上，對壓力鋼管洞內施工的技術方案及質量管控要點進行了論述，形成主要結論如下。

(1)引水隧洞在施工過程中，為確保圍巖穩定，先對洞身進行超前錨桿及鋼拱架臨時支護，隨后及時進行C25鋼筋混凝土永久襯砌支護。

(2)壓力鋼管應分節制作、運輸和安裝，并重點控制洞內安裝質量。安裝完成后應采用半自動氣體保護焊和手工電弧焊確保潮濕環境下的焊縫質量。

(3)混凝土澆筑前進行配合比設計，澆筑中重點關注泵送過程是否出現堵塞，并在澆筑完成后注意養護到位。

(4)工程實踐表明，通過進行科學合理的施工技術分析及質量管控，可保證壓力鋼管施工滿足工期、安全及質量要求，且運行后無質量缺陷產生。工程的實施，可為我國水電站壓力鋼管的建設積累現實經驗。