一種水下預(yù)埋封閉鋼管置換巖塞體貫通既有水庫施工技術(shù)探討

周 杜，楊遵儉，劉運(yùn)雄，周海水，羅澤毅

（湖南建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410000）

目前很多已建成水庫功能不完善，需要增加取水洞、泄洪洞或者防空洞等，都需要與既有水庫進(jìn)行水下貫通。目前常用的水下貫通的方法有水下巖塞體爆破施工、頂管施工、干倉圍堰施工等［1］。

桂林市第二水源工程為從青獅潭水庫引水至桂林市，建成后可單獨(dú)承擔(dān)兩座水廠的應(yīng)急供水任務(wù)，取水口按照70 萬m3/d設(shè)計。取水口設(shè)在大壩右岸碼頭附近山體，取水方式為豎井式分層取水口。取水口上方邊坡地形較為陡峭，呈45°～60°，水庫最深達(dá)60 m，陡坡處有發(fā)生巖石崩塌現(xiàn)象，自然邊坡穩(wěn)定性較差。圍巖主要由強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖組成，巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙相對發(fā)育。進(jìn)場道路急彎多且狹窄。

根據(jù)本項目的水文地質(zhì)、位于汛期水庫高水位的環(huán)境特點，水下貫通工程由于工期緊，對取水頭部的開挖順序進(jìn)行調(diào)整，通過湖南建工科技攻關(guān)團(tuán)隊的不懈努力，創(chuàng)新發(fā)明了水下預(yù)埋封閉鋼管置換巖塞體貫通既有水庫施工新技術(shù)。

1 工程概況

（1）設(shè)計概況。取水口采用豎井式雙層取水口，分別布置低位引水支洞（下層取水口）和高位引水支洞（上層取水口），雙層取水口水平錯開布置，與豎井相連，上層取水口中線高程為209.60 m，下層取水口中線高程為199.60 m。下層取水口長44.5 m，從豎井往水庫方向依次為：上游隧洞段26.5 m（洞內(nèi)開挖），預(yù)埋鋼管段18 m（水下開挖），上層取水口長30 m，從豎井往水庫方向依次為：上游隧洞段15.5 m（洞內(nèi)開挖），預(yù)埋鋼管段14.5 m（水下開挖）。上下層取水口隧洞襯砌結(jié)構(gòu)為錨桿支護(hù)+鋼架支撐+掛鋼架網(wǎng)噴漿。

（2）施工條件。由于取水平洞距離水庫較近，并緊貼豎井，為確保施工安全，必須采取控制爆破，必要時可采取非爆破開挖技術(shù)，尤其是靠近豎井壁的洞口段。另外，為防止沖擊波對提前埋設(shè)的鋼管及水下混凝土造成不利影響，要求靠近鋼管段7 m 范圍內(nèi)采用非爆破技術(shù)或靜態(tài)爆破開挖。同時隧洞開挖時根據(jù)地下滲水的情況，此方案為取水頭部施工需考慮的核心問題之一。

洞口開挖施工前應(yīng)對水下地形進(jìn)行高等級精度復(fù)測和工程地質(zhì)復(fù)核，并收集工作范圍內(nèi)的水深、可見度、水溫等環(huán)境資料，潛水員下水對爆破處淤積等情況進(jìn)行初查，做好水下攝像和記錄，熟悉設(shè)計圖紙，進(jìn)行必要的施工工藝性試驗。對施工影響敏感度高，施工過程中不僅要保證水庫側(cè)取水頭部施工的安全，還需采取有效措施解決因偏壓滲水崩塌而造成下游地區(qū)極端透水事件的問題。為預(yù)防可能發(fā)生的此類事件，提前安裝豎井內(nèi)檢修閘門。取水頭部空間位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 取水頭部空間位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of the spatial position relationship of the water intake head

2 重難點分析及對策

（1）施工重點難點分析。隨著時代的進(jìn)步，我國大大小小的水庫越來越多，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的城市水源不足，需要新建第二水源，從現(xiàn)有水庫取水，很多老舊水庫功能不完善，需要增加泄洪洞或者防空洞、發(fā)電隧洞、灌溉隧洞等，都需要與既有水庫進(jìn)行水下貫通。為了保證取水率，取水口一般需要設(shè)置在水庫死水位以下。多數(shù)情況下施工方無法將水庫水位直接降低至死水位以便施工取水口，而即使在非汛期的水庫低水位窗口期施工，取水口也位于水位以下數(shù)米至數(shù)十米深度處。

綜上，在復(fù)雜的水庫環(huán)境條件下，為保證深大基坑施工及毗鄰構(gòu)筑物群的結(jié)構(gòu)安全，避免透水事故的發(fā)生，極有必要通過設(shè)計和施工優(yōu)化對取水頭部施工提出切實可行的實施方案。

（2）解決思路。通過在取水口水庫岸坡里預(yù)埋大直徑封閉鋼管置換巖塞體，澆筑水下混凝土包封并復(fù)原岸坡山體，然后從里往外開挖平洞與之相接，最后往豎井內(nèi)注水平衡后，水下靜水切割鋼管盲板，實現(xiàn)庫區(qū)、取水鋼管、取水平洞、取水豎井和取水隧洞貫通，實現(xiàn)從庫區(qū)取水的目的。邀請當(dāng)?shù)刭Y深水利專家討論，并模擬水力學(xué)實驗，驗證該方案的可實施性。

3 主要施工技術(shù)

（1）施工工藝流程。施工測量→岸坡水上開挖、支護(hù)、加固→岸坡水下開挖及水下溝槽開挖→預(yù)埋鋼管設(shè)計、加工、下河、浮運(yùn)、下沉、定位→預(yù)埋接觸注漿管→水下混凝土澆注→預(yù)注漿、取水平洞開挖、閘門安裝調(diào)試→豎井注水→切割鋼管盲板，實現(xiàn)通水。

（2）預(yù)埋鋼管基槽開挖。在水庫低水位窗口期，通過水下機(jī)械開挖及水下爆破［4］清除擬建取水口處水下邊坡表面的強(qiáng)風(fēng)化覆蓋層，形成水下基槽。根據(jù)控制長臂挖機(jī)的入水長度來控制標(biāo)高，清渣后用測繩測出開挖面地形圖，其中氣壓式長臂挖機(jī)安裝在水上平臺。開挖到位后采取用測繩拖拽法初次量測開挖斷面，再由潛水員在水下用一根長鋼管順著溝槽挑拉網(wǎng)式檢查，確定基槽開挖到位。

（3）預(yù)埋鋼管設(shè)計、制作與運(yùn)輸。預(yù)埋鋼管直徑同取水平洞直徑，長度以強(qiáng)風(fēng)化山體和破碎山體長度為準(zhǔn)，端頭伸出水庫1 m，鋼管內(nèi)對稱分設(shè)個倉段，用鋼板作隔倉板，每個倉段裝一對閥門，用作進(jìn)水閥和排氣閥，裝在鋼管的正上方和正下方，中間倉段體積所排開的水的重量略小于預(yù)埋鋼管的自重。鋼管兩端設(shè)盲板，外側(cè)每3 m加一道加勁槽鋼。

表1 4種施工技術(shù)對比Tab.1 Comparison with 4 methods

預(yù)埋鋼管由廠家制作成型，包括隔倉板和兩端的盲板，運(yùn)至施工現(xiàn)場碼頭后，在平臺上焊接。各倉段的閥門在現(xiàn)場焊接以利于運(yùn)輸。焊接完成后須對焊縫進(jìn)行檢測，并做水密試壓。

預(yù)埋鋼管在碼頭拼裝好后利用軌道滑入水中，后端用卷揚(yáng)機(jī)打保險，前面用小船牽引。預(yù)埋鋼管入水后用小漁船牽引到施工區(qū)域臨時固定備用，固定時需采用鋼絲繩，并且預(yù)留一定的長度，以免水位下降時拉斷鋼絲繩或擱淺。

（4）鋼管定位鋼架設(shè)計制作與安裝。預(yù)埋鋼管定位鋼架采用型鋼制作而成，經(jīng)過受力計算得出各型鋼規(guī)格。定位鋼架在加工車間制作。由于基底不平整，4個支點采用千斤頂調(diào)節(jié)，千斤頂隨定位鋼架下沉。定位鋼架安裝時，在左右兩側(cè)各焊一根測量定位鋼管，以便于測量定位。

（5）混凝土端模吊裝。在水下基槽水庫側(cè)分層碼放干混砂漿袋，按品子形水下人工操作，以砂袋為模板分層澆筑水下混凝土包封固定預(yù)埋鋼管，形成封閉式取水口。端模采用干混砂漿袋和吊裝袋組成，先將干混砂漿裝入編織袋，每袋只能裝一半，以便于調(diào)節(jié)。然后裝砂漿袋堆碼在吊裝袋內(nèi)，然后用吊車或挖機(jī)吊裝到指定地點，水下由潛水員指揮。

（6）抗浮槽鋼安裝。為了防止?jié)沧⒒炷習(xí)r鋼管上浮，經(jīng)計算，第一次澆注時，不超過管底以上70 cm，即第一次混凝土澆注高度為1.5 m 左右，在第一層混凝土底部埋設(shè)三根槽鋼，兩頭用鋼絲繩捆在鋼管上，使鋼絲繩受力但槽鋼不離地，鋼管定位鋼架安裝后即安裝抗浮槽鋼。

（7）沉管法安裝預(yù)埋鋼管。鋼管定位鋼架及抗浮槽鋼安裝好后方可沉管，首先將預(yù)埋鋼管移到設(shè)計位置，測量定位，然后校正預(yù)埋鋼管，將鋼管閥門置于預(yù)埋鋼管的正上方和正下方，在預(yù)埋鋼管兩頭正上方頂上各焊接一根測量定位鋼管用于定位測量和控制預(yù)埋鋼管的標(biāo)高。在預(yù)埋鋼管每端各系住兩根尼龍繩，拉到兩側(cè)小船上，用于控制預(yù)埋鋼管方向。然后潛水員下水，對稱分倉將下方閥門打開，使預(yù)埋鋼管慢慢下沉至剛好沒入水中即關(guān)閉閥門，使預(yù)埋鋼管處于水中漂浮狀態(tài)。

打開閥門再注入一點水，讓預(yù)埋鋼管緩慢下沉即關(guān)閥門，用吊車打保險吊住預(yù)埋鋼管兩端，使預(yù)埋鋼管緩慢下沉到鋼管定位鋼架內(nèi)。預(yù)埋鋼管兩頭上方的小鋼管不夠長時進(jìn)行接長。預(yù)埋鋼管標(biāo)高及平面位置均定好位后，潛水員打開鋼管閥門，使預(yù)埋鋼管里注滿水后關(guān)閉閥門。抗浮鋼絲繩計算好長度后，在水下用卸扣與工字鋼聯(lián)結(jié)，確保鋼絲繩受力［3］。鋼管下沉如圖2所示。

圖2 鋼管下沉施工圖Fig.2 Steel pipe sinking construction drawing

（8）第一層混凝土兩端模安裝。第一層混凝土澆注高度控制在1.5 m 左右，預(yù)埋鋼管安裝前已將水庫端基槽底和距山體5 m 處安裝80 cm 高干混砂漿袋至管底，鋼管定位后潛水員下水再將原堆碼處堆碼干混砂漿袋到管底以上70 cm 處。潛水員再次檢查，用干混砂漿袋封堵漏洞。

（9）水下混凝土澆筑水上施工平臺拼裝及就位。預(yù)埋鋼管下沉定位后，即可進(jìn)行水下混凝土澆注及水上施工平臺的拼裝就位。將兩個浮箱移至指定位置，兩浮箱分開4.5 m，用工字鋼聯(lián)結(jié)，用型鋼錯開位置搭設(shè)混凝土澆注門架于預(yù)埋鋼管兩側(cè)。

（10）水下混凝土導(dǎo)管及料斗安裝。在混凝土澆注門架處安裝導(dǎo)管，導(dǎo)管安裝前需進(jìn)行試壓，試壓壓力不得低于0.5 MPa，導(dǎo)管用兩個手拉葫蘆固定在平臺上，導(dǎo)管先放到底，然后往上提起20 cm 固定。導(dǎo)管安裝好后即安裝料斗，料斗底部插入導(dǎo)管頂口并且螺栓聯(lián)接。料斗口用定制蓋板蓋好，用小鋼絲繩吊住，小鋼絲繩引至料斗外側(cè)，澆注壓水時用吊車或挖機(jī)瞬時提起，使水下混凝土快速進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)。料斗裝水下混凝土前應(yīng)先用水濕潤，確保混凝土順利下滑［1］。

（11）逐層澆筑水下混凝土。為確保水下混凝土質(zhì)量，采用水下不分散自護(hù)自密混凝土［2］，當(dāng)混凝土泵車和3 臺混凝土罐車共36 立方水下混凝土及人員全部就位后由指揮長下達(dá)澆注指令，當(dāng)料斗裝滿水下混凝土后再次確認(rèn)導(dǎo)管底部與基槽的距離，因裝水下混凝土后有可能下沉，確保下方有15～20 cm后，即進(jìn)行壓水，壓水采用拔球法，用吊車快速起吊料斗內(nèi)蓋板，使水下混凝土快速下泄到導(dǎo)管內(nèi)。測深人員要隨時掌握各測點的混凝土標(biāo)高。第一次澆注時應(yīng)注意混凝土不應(yīng)高于預(yù)埋鋼管底部以上70 cm。待第一層混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，采用砂袋端模逐層澆筑水下混凝土直至出水面，水面以上用常態(tài)混凝土立模澆注至擋土墻底部，復(fù)原山體。水下混凝土澆筑施工如圖3所示。

圖3 水下混凝土澆筑施工圖Fig.3 Construction drawings for underwater concrete placement

（12）開挖取水平洞。取水豎井同步施工至井底，并澆注井壁及閘墩混凝土，當(dāng)庫區(qū)預(yù)埋鋼管和水下混凝土澆筑完畢后，采用鉆爆法從取水豎井往庫區(qū)開挖取水平洞，臨近庫區(qū)，為避免對圍巖造成較大擾動和影響，按照“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測”的原則施工取水平洞。在取水平洞爆破過程中，對庫區(qū)附近建筑物進(jìn)行爆破振動監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測值超過規(guī)范限制，及時調(diào)整爆破裝藥量和進(jìn)尺，以信息化施工手段指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（13）施工初期支護(hù)。在取水平洞每循環(huán)進(jìn)尺開挖施工后，及時按照規(guī)范要求施工初期支護(hù)。嚴(yán)格控制鋼拱架、錨桿的尺寸距離和注漿質(zhì)量，并合理選擇工藝施工噴射混凝土，確保初期支護(hù)達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果。按照規(guī)范要求在取水平洞設(shè)置拱頂下沉、拱腳位移監(jiān)測點及時觀測圍巖變形收斂，同時觀測平洞內(nèi)滲水情況，如遇滲水量較大，及時鉆孔注漿封閉圍巖，防止涌水事故。

（14）施工超前小導(dǎo)管。在取水平洞開挖到臨近預(yù)埋鋼管段一定長度時，根據(jù)圍巖滲水情況，首先施工超前小導(dǎo)管，并及時注漿封閉臨近庫區(qū)巖層裂隙，防止隧洞涌水造成安全事故。在超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)穩(wěn)定后，在掌子面前方按照一定長度施工若干探孔，觀測圍巖滲水量情況，若滲水量存在增長的趨勢，再加密超前小導(dǎo)管并加大注漿量，直至掌子面超前探孔滲水量穩(wěn)定或出現(xiàn)減弱趨勢，再逐層開挖到預(yù)埋鋼管堵頭盲板斷面［6］。在距離預(yù)埋鋼管端部5 m 時，為確保安全，須安裝檢修閘門，將通往引水隧洞的閘門關(guān)閉。

（15）澆筑二次襯砌混凝土。在取水平洞開挖完成后，采用定制鋼模施工取水平洞二襯混凝土。分兩層澆注，在施工二襯混凝土前，采用高壓水槍清洗取水平洞浮渣，按照要求綁扎安裝鋼筋和模板，從庫區(qū)一側(cè)往取水豎井方向逐模澆筑取水平洞二襯混凝土，并按照要求及時對二襯混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在二襯混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，進(jìn)行平洞固結(jié)灌漿，確保二襯混凝土和圍巖充分固結(jié)。

（16）拆除取水平洞側(cè)鋼管堵頭盲板。取水平洞和取水豎井施工完成后，在封閉式取水口的保護(hù)下，將取水平洞施工至水下預(yù)埋鋼管山體側(cè)，可視滲水情況采取超前注漿措施，拆除預(yù)埋鋼管山體側(cè)預(yù)留盲板，與取水平洞二襯結(jié)構(gòu)順接，取水豎井采用抽水泵抽空預(yù)埋鋼管內(nèi)前期滯水。當(dāng)鋼管內(nèi)滯水抽空后，拆除取水平洞內(nèi)側(cè)鋼管堵頭盲板平洞。拆除豎井側(cè)堵頭盲板如圖4所示。

圖4 拆除豎井側(cè)堵頭盲板示意圖Fig.4 Diagram of the removal of the shaft side plug blind

（17）拆除庫區(qū)側(cè)鋼管堵頭盲板。當(dāng)取水豎井和啟閉機(jī)調(diào)試完成后，往取水豎井內(nèi)灌水，當(dāng)取水平洞連同取水豎井內(nèi)注水水位和庫區(qū)水位一致時，預(yù)埋鋼管庫區(qū)堵頭盲板內(nèi)外兩側(cè)水壓平衡，停止往取水平洞內(nèi)注水，并安排潛水員下潛庫區(qū)，拆除庫區(qū)一側(cè)預(yù)埋鋼管堵頭盲板，實現(xiàn)庫區(qū)、預(yù)埋鋼管、取水平洞和取水豎井水下連通段貫通，達(dá)到從庫區(qū)取水的目標(biāo)［7］。拆除水庫側(cè)盲板如圖5所示。

圖5 拆除水庫側(cè)堵頭盲板示意圖Fig.5 Diagram of removal of reservoir side plug blind

4 施工難點及工藝要點

本施工技術(shù)主要施工難點：項目地理位置特殊、為深水區(qū)水下特種作業(yè)、對水下作業(yè)人員專業(yè)性要求高、對鋼管位置和高程的測量精度要求高、難度大、對鋼管抗浮要求高、對水下混凝土質(zhì)量控制難度大、對平洞與水庫側(cè)鋼管連接處灌漿要求高、防坍塌、防透水、工期緊、安全、質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)要求高、且本施工技術(shù)為全國首創(chuàng)無歷史借鑒等問題。工藝要點：鋼管基槽開挖的測量定位、基槽定位架位置平整度控制、鋼管下沉?xí)r注水速度和注水均勻度、鋼管牽引繩控制鋼管擺動下沉方向、鋼管抗浮裝置設(shè)置與計算、干混砂漿袋堆放穩(wěn)定性控制及堵縫、水下混凝土分層澆筑高度及施工質(zhì)量、水下混凝土施工配合比控制、混凝土與山體側(cè)接觸灌漿質(zhì)量控制、取水平洞開挖與鋼管連接最后5 m 不宜采用爆破可采用破碎錘施工，且必須放下檢修閘門防止透水事故、水下切割時預(yù)先將水庫側(cè)堵頭盲板上注水球閥打開注水至豎井水位與庫區(qū)水位保持一致時，方能切除堵頭盲板。

5 結(jié) 語

施工過程中觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，累計值均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，表明鋼管置換巖塞體施工過程整體安全可控。

本施工技術(shù)項目地理位置特殊、為深水區(qū)水下特種作業(yè)、對水下作業(yè)人員專業(yè)性要求高、對鋼管位置和高程的測量精度要求高、難度大、對鋼管抗浮要求高、對水下混凝土質(zhì)量控制難度大、對平洞與水庫側(cè)鋼管連接處灌漿要求高、防坍塌、防透水、工期緊、安全、質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)要求高等問題，最關(guān)鍵是7月份要通水，正好是水庫汛期。

本施工技術(shù)不受環(huán)境條件、施工水域條件以及地質(zhì)條件、氣候水文條件限制，適用于各類新增泄洪洞、放空洞、沖砂洞、取水工程等水下通往已建水庫的取水工程。