水庫壩下放水涵管穿越巖層施工技術

王 瑤，葉施菁，葉國平

(浙江省水利水電建筑監理有限公司，浙江 杭州 310020)

水庫壩下放水涵管是水利工程中的重要輸水建筑物[1]。我國早期筑壩時，由于社會經濟條件限制，壩下涵管構件結構強度普遍偏低，這些構件經多年運行，會出現老化現象，造成壩體滲漏，甚至影響壩體穩定，對大壩安全造成不利影響。因此，在對病險水庫進行除險加固時，針對壩下涵管進行鞏固或者重建是大壩除險加固的必備項目之一[2]。

水平定向鉆進鋪管技術是一種現代非開挖施工新技術，主要用于穿越河流、公路、鐵路、建筑物等障礙物鋪設各種管線，具有“質量優、工期短、安全性高、施工擾民少”等優點[3]。

近年來，該技術在水庫除險加固中應用廣泛。南洞水庫新建放水涵管，需要穿越巖層。為避免施工對壩體的擾動，影響大壩安全，不采用大開挖、爆破等傳統方法施工，選用非開挖定向鉆管道穿越巖層施工技術，工程完工后效果良好，可供類似工程參考。

1 工程概況

南洞水庫綜合整治工程位于舟山市定海區干覽鎮新建社區內，水庫于1958年興建，1964年續建，集雨面積2.28km2，引水面積0.96km2，水庫正常蓄水位78.92m，總庫容195.52萬m3，小(一)型水庫，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級。

水庫原放水隧洞Φ400鑄鐵管，正常水位工況下，放水流量為0.94m3/s。為保證壩身安全，封堵原放水隧洞，新建一條放水涵管，軸線布置在右壩肩管理房以外處，洞長度為148.30m，選用直徑DN630mmPE給水管，進口底高程57.23m，壩后出口底高程56.5m，進出口高差0.73m，設計坡降為0.49%，如圖1所示。施工主要內容包括土石方明挖、定向鉆孔、埋設PE管、洞口砼襯砌、充填灌漿、起閉設施安裝及原放水隧洞封堵，共計7項。

圖1 新建放水管道進出口位置示意圖

2 技術原理

放水管道穿越施工是采用安裝于地表的鉆孔設備，鉆入地層形成先導孔，然后將先導孔擴徑至所需大小并敷設管道的一項技術，在施工中具有跟蹤和導向功能，簡稱HDD[4]。

先導孔是由水平定向鉆機提供推力和扭矩，利用鉆頭和動力工具，沿設計軌跡路徑，采用螺桿鉆具，不斷切削鉆進地下巖層，利用旋轉導向系統進行反復鉆探，在接收坑出土，完成導向孔鉆進作業。

導向孔成形后，更換大尺寸鉆頭(鉆頭尺寸逐次增大)進行反復擴孔。終孔完成后，管道連接在擴孔器鉆頭尾部、鉆桿連接擴孔鉆頭頭部，通過定向鉆機動力回拉鉆桿，回拖管道，全部鉆桿回拉到發射坑時管線鋪設工作完成。

該技術適用于水庫除險加固工程放水涵管改造、水電站壓力管道改造、農村農飲水輸水管道穿越河流、公路、鐵路等；適用于管徑Φ200mm～Φ1100mm的鋼管、PE管，最大鋪管長度達1500m；適用于軟土到硬巖多種土壤條件[5]。

3 流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程圖

3.2 操作要點

3.2.1施工準備

(1)施工前，復核踏勘地形、地面上建(構)筑物、障礙物、地下管線等。

(2)測量放樣，標出進出口高程、中心線、位置，先導孔軌跡設計。

(3)進出口段采用挖掘機開挖，強風化巖采用鎬頭機鑿除，開挖產生的土石方采用隨挖隨運的方式，進口段挖方用于填筑壩前圍堰，出口段挖方用于填筑壩后臨時便道，便于鉆機進出場地，施工結束后挖除，并運至棄渣場地，并平整地面。

(4)定向鉆孔前，大壩上游工作面采用明挖方式形成，為了方便拖PE管，平臺尺寸為垂直鉆孔軸線方向寬6m，平行鉆孔軸線方向的長度為14m。

(5)壩后鉆機操作平臺采用明挖方式形成，平臺尺寸由鉆機設備長度和首段鉆桿長度控制，垂直鉆孔軸線方向寬6m，平行鉆孔軸線方向的長度為12m，平臺總面積72m2，鉆機平臺高程56.00m。

(6)設備選型，設備進場。綜合考慮施工場地、地層條件、敷設管線直徑和長度等因素，選用中型水平定向鉆機，最大扭矩27kN·m，最大推拉力480kN，如圖3所示。

圖3 設備就位

3.2.2鉆孔施工

(1)鉆孔自出水口(壩后)開始，向進口鉆進，形成先導孔，孔徑Φ160mm定向鉆頭在鉆機的推力作用下，由鉆機驅動旋轉切削地層，按設計鉆孔軌跡前進，完成整個導向孔的鉆孔作業。

(2)導向孔完成后，卸下鉆頭及控向系統，接上擴孔器，采用巖石牙輪，對導向孔逐級擴孔，分7級進行擴孔，如圖4所示。擴孔器第一級Φ320mm、第二級Φ400mm、第三級Φ500mm、第四級Φ600mm、第五級Φ700mm、第六級Φ800mm、第七級Φ900mm，擴孔至終孔孔徑0.9m。

3.2.3回拖管施工

(1)擴孔完成后，對孔洞進行清洗，將切削下來的巖屑等沖洗出洞，如圖5所示。

(2)清洗完畢后，采用拖拉方式安裝PE管進洞，如圖6所示。拖管前，PE給水管就位，將管材按照設計長度全部焊接安裝完畢，一切準備工作就緒后開始回拖，回拖時連續進行，一氣呵成，中間不得停頓，直至成品管線在鉆機側為止。

(3)回拖時入洞點、出洞點兩邊必須要加強聯系，協調配合將管線敷設到預定位置，一次性成功穿越。

圖4 擴孔

圖5 孔洞沖洗

3.2.4充填灌漿施工

(1)鋪管完成后，由于輸水管道與孔洞間存在較大的間隙，為防止間隙滲水，采用拔管灌漿方式對洞、管之間空隙進行充填灌漿處理，如圖7所示。

(2)灌漿開始前應全面檢查灌漿材料與設備，包括壓力表、拌儲漿系統、壓漿管、灌漿泵等。

(3)灌漿從下游開始，注滿一段后，將注漿管拔出一段，逐步完成整個過程的注漿。灌漿機啟動后開始灌漿，灌漿壓力控制在0.3～0.5MPa，當壓力達到0.5MPa時，停止灌漿，根據現場試驗情況將灌漿管拔出一段后繼續灌漿。

(4)再次灌漿壓力保證在0.3MPa以上，待灌漿壓力再次達到0.5MPa時，再將注漿管拔出一段，重復以上循環過程，完成整個灌漿。

(5)灌漿過程中漿液流速控制在0～45L/min，當灌漿量達到設定值時，終止灌漿[6]。

圖6 拖PE管進洞

圖7 充填灌漿處理

4 材料與設備

材料情況見表1。

表1 材料情況表

設備情況見表2。

表2 設備情況表

5 質量控制

施工應執行CECS 382—2014《水平定向鉆法管道穿越工程技術規程》、SL 62—2020《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》的規定。

(1)管材一般采用高密度聚乙烯管(HDPE管)，應符合GB/T 13663.2—2018《給水用聚乙烯(PE)管材》標準。

(2)PE管抗拉強度應能承受施工中的回拖力，環剛度應滿足在回拖、灌漿過程中及回拖、灌漿完成后管材不發生徑向變形，抗拉強度、允許荷載應通過計算確定。

(3)PE管熱熔焊接接頭質量應通過檢驗，并進行水壓試驗。

(4)灌漿通常采用普通硅酸鹽水泥，水泥的品質應符合GB175的標準。

(5)鉆孔導向鉆測控儀和信號發射器在每次施工前進行一次標定，誤差控制在+5%D，每鉆進3米進行一次停鉆定位測量，以保證精度和施工安全。在鉆進過程中，為了防止鉆頭偏離設計軌跡而發生事故，必須對其進行有效監控，實施糾偏。

(6)預擴孔尺寸分級進行，由小到大逐級進行擴孔，不越級。

(7)擴孔及清孔成功后，回拖前應對鉆機、泥漿泵等設備進行保養和小修，要將孔內鉆(擴)孔所切削下來的巖屑清洗干凈，并對定向鉆孔進行一次清孔作業，保證孔洞內無碎石、無堵塞、無尖銳的棱角。

(8)為保證灌漿質量，灌漿應連續作業，勿隨意中斷灌漿作業。為確保灌漿漿液達到一定壓力，整個灌漿過程中灌漿管均需埋在漿液內，以填補巖層縫隙。

(9)灌漿壓力、漿液水灰比、結束條件、封孔應符合設計要求，同時做好管道變形觀測[7]。

6 安全與環保

6.1 安全措施

(1)施工安全要符合SL 399—2007《水利水電工程土建施工安全技術規程》的規定。施工機械的使用應符合JGJ 33—2012《建筑機械使用安全技術規程》的規定。

(2)施工前對作業人員進行環保與安全交底，未參加交底的人員不準進入工地施工，進入工地均佩戴好安全帽等防護用品。

(3)操作人員必須經過專業培訓，熟練機械操作性能，經考核取得操作證后上機操作[8]。

6.2 環保措施

(1)施工現場應符合JGJ 146—2013《建設工程施工現場環境與衛生標準》的規定。

(2)定向鉆機等噪聲源設備在使用過程中，嚴格采取有效的隔聲措施；定向鉆機、施工車輛尾氣排放滿足環保部門的排放標準才能使用；禁止排放施工油污，避免有害物質污染土地和周圍環境。

(3)嚴禁在施工現場焚燒任何廢棄物和會產生有毒有害氣體的垃圾和廢物；有效控制揚塵，對易揚塵的材料及裸露場地進行覆蓋，設置車輛沖洗設施，做到凈車出場，防止揚塵。

(4)施工現場采取防止泥漿、污水、廢水污染環境措施，設置沉淀池，經處理系統處理合格后排放[9]。

7 施工效果

7.1 安全性

非開挖定向鉆管道穿越巖層施工技術全部采用機械施工，作業安全性高，對壩體擾動少。傳統的大開挖、爆破等施工方法，作業安全性相對較差，易造成人員傷害。另外，爆破振動對壩體產生擾動，影響大壩整體安全及周邊建筑物安全。

7.2 施工效率

采用非開挖方式施工，施工效率高，耗時10天就完成了148.30m放水涵管的巖層穿越。采用大開挖、爆破等施工方法，約需40天工期，施工效率低，同時影響水庫蓄水及民眾用水。

8 結語

(1)該技術通常與注漿技術聯合使用，具有對壩體、建筑物、構筑物等擾動小，避免滲漏，能夠縮短工期，不受季節、河流汛期等影響，減少施工過程的組織協調及征遷賠償等優點，具有良好的經濟及社會效益。

(2)該技術具有占地面積小、設備移動速度快、操作簡單、開挖工程量小、對天氣適應性強，避免了爆破等危險作業，對周邊環境和居民影響小。