(四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，成都，610072)

1 工程概況

上通壩電站為閘壩引水式開發(fā)，額定引用流量106.29m3/s，額定水頭250m，裝機(jī)3臺(tái)，總裝機(jī)容量240MW。電站壓力管道采用埋藏式，由上平段、上豎井(由原上斜段設(shè)計(jì)更改)、中平段、下豎井(由原下斜段設(shè)計(jì)更改)、下平段組成，設(shè)計(jì)更改后主管總長955m，內(nèi)徑5.2m，支管內(nèi)徑2.8m，其中下豎井深125.66m(含上下彎段高度)。

管道圍巖為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組中段(T3t2)薄層狀泥質(zhì)板巖，巖層產(chǎn)狀N32°W/NE∠80°～85°，局部直立。巖石質(zhì)軟，遇水易軟化，為Ⅴ類圍巖，有地下水活動(dòng)，以浸潤狀滲水為主，局部滴水。

2 原斜井設(shè)計(jì)方案

原壓力管道主管由上平段、中平段、下平段及兩個(gè)斜段組成。中平段中心線高程2967.5m，直段長137.0m；下斜段以管0+441.398為起點(diǎn)，與下平段采用60°斜井相連接，至管0+605.536處與下平段相接，長164.14m，轉(zhuǎn)彎半徑為20m；下平段中心線高程2841.54m，主管長309.9m。由中平段起，總長611.038m。壓力管道全線采用外包60cm厚的C20混凝土，全線采用固結(jié)灌漿，孔深3m，間排距3m。

原方案斜井布置主要考慮三個(gè)因素，一是從工程量和投資因素考慮以求軸線最短、費(fèi)用最低；二是在原圍巖組成以硬質(zhì)灰?guī)r為主的條件下，從施工安全上考慮同巖層走向盡量增大角度相交以利于施工成洞；三是從施工作業(yè)角度看，斜井方案改善了施工人員作業(yè)環(huán)境，有利于施工作業(yè)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化前施工情況以及優(yōu)化的提出

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化前施工情況

2015年5月14日下斜段上彎管開始反井鉆機(jī)就位準(zhǔn)備工作，25日正式開始先導(dǎo)孔鉆孔，26日總進(jìn)尺17m時(shí)，開始出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象。承包商采取灌注砂漿處理，待凝后于5月31日恢復(fù)鉆孔僅進(jìn)尺3m。6月1日再次塌孔、卡鉆并難以鉆進(jìn)。塌孔采用摻入速凝劑和水玻璃的漿液分段灌漿加固，反復(fù)循環(huán)鉆進(jìn)-灌漿-待凝-掃鉆過程。6月2日孔內(nèi)灌漿待凝，6月3日掃孔至20m時(shí)再次塌孔，繼續(xù)灌漿處理并待凝后于6月5日總進(jìn)尺至24m，塌孔后再次灌漿處理，6月8日施工進(jìn)尺仍為24m，塌孔、卡鉆現(xiàn)象十分突出，工作難以推進(jìn)。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化的提出

分析認(rèn)為，鉆孔困難的主要原因是在不良地質(zhì)條件下鉆孔工藝控制難以到位導(dǎo)致導(dǎo)孔發(fā)生偏斜，進(jìn)而塌孔、卡鉆。下斜段圍巖為薄層狀泥質(zhì)板巖，有地下水活動(dòng)，巖石質(zhì)軟破碎，在鉆孔作業(yè)影響下極易泥塑化，巖石強(qiáng)度不足以提供豎向支持力以抵消鉆桿自重。鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿推進(jìn)的軸壓太高，由于鉆桿有一定的柔性，在自重荷載和軸壓的雙重作用下，容易發(fā)生彈性彎曲，造成孔向下偏斜。同時(shí)鉆桿靠在井壁的下側(cè)旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重摩擦，造成了井壁坍塌和卡鉆事故，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)广@桿發(fā)生磨損和折斷。

在不良地質(zhì)條件下，斜向鉆進(jìn)對(duì)施工工藝要求高，容易產(chǎn)生塌孔、卡鉆現(xiàn)象，各方提出調(diào)整下斜段布置方案，由斜井調(diào)整為豎井方案。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化過程

4.1 設(shè)計(jì)變更方案

壓力管道主管由上平段、中平段、下平段及兩個(gè)豎井段組成。中平段中心線高程2967.5m，直段長131.0m；下豎井段以管0+435.398為起點(diǎn)，與下平段采用90°豎井相連接，至管新0+583.786處與新下平段相接，長148.38m，至管新0+645.601(原管0+605.536)處與原下平段相接，長210.2m，轉(zhuǎn)彎半徑為20m；下平段中心線高程2841.54m，主管長309.9m。由中平段起，總長651.10m，對(duì)比斜段方案，豎井方案長度增加約40.07m。具體布置詳見圖1。

圖1 豎井、斜段方案縱剖面

4.2 方案比選

4.2.1 地質(zhì)條件

斜(豎)井均為薄層泥質(zhì)板巖，屬Ⅴ類圍巖。巖體破碎，質(zhì)軟，有地下水活動(dòng)，圍巖自穩(wěn)條件差，圍巖地質(zhì)特性沒有本質(zhì)區(qū)別。

4.2.2 鉆孔工藝

原斜井方案：從上斜段鉆孔經(jīng)驗(yàn)看，盡管采取了孔外預(yù)固結(jié)灌漿加固、孔內(nèi)灌漿護(hù)壁等措施，可能仍然存在鉆桿下沉，造成孔向下偏斜，進(jìn)而塌孔、卡鉆等問題。

豎井方案：鉆機(jī)鉆進(jìn)方向豎直向下，自重荷載產(chǎn)生的彎矩為零，將有效降低軸壓造成的鉆桿彎曲，反井鉆機(jī)的適用性更好，對(duì)施工單位的施工工藝，孔斜控制等要求可進(jìn)一步降低，豎井方案是有利于反井鉆機(jī)成孔的。

4.2.3 結(jié)構(gòu)布置

豎井方案線路增長約40m，壓力管道高水頭受力部分增長，因此相應(yīng)板材重量及開挖支護(hù)工程量均比斜井方案有所增加，從結(jié)構(gòu)布置角度看，原斜井方案略優(yōu)。

4.2.4 水頭損失

豎井方案較斜井方案沿程水頭損失增加0.1m，局部水頭損失增加0.06m，共計(jì)0.16m，水頭損失極小。

4.2.5 施工影響

斜井方案為60°斜坡相對(duì)利于施工作業(yè)。洞軸線與巖層傾向交角略大，利于成洞，但也存在頂拱塌方風(fēng)險(xiǎn)；豎井存在開挖切角導(dǎo)致井周失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；豎井方案工期略長，但相對(duì)可控。

4.2.6 費(fèi)用分析

斜井方案為1162萬元，豎井方案為1558萬元，豎井方案高出396萬元。

4.3 方案選擇

豎井方案盡管工程量增加、投資高，但鉆機(jī)作業(yè)條件好、鉆孔工藝控制相對(duì)容易、工期可控，推薦采用豎井方案。

5 變更后的開挖施工

5.1 開挖方案

開挖采用“導(dǎo)井溜渣、自上而下、逐層開挖”的方式，由反井鉆機(jī)先進(jìn)行D216mm先導(dǎo)孔施工，完成后更換D1.4m鉆頭進(jìn)行反拉形成溜渣井，之后進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖。

5.2 井身安全支護(hù)措施

(1)超前預(yù)固結(jié)灌漿：中軸線布置1孔，在1.4m導(dǎo)井開挖線向外偏移0.5m線上均勻布置4個(gè)灌漿孔，在豎井全斷面開挖線內(nèi)側(cè)均勻布置10個(gè)灌漿孔，間距1.5m。

(2)井口鎖口：在豎井井口2964.3m～2962.3m高程段設(shè)置60cm厚C25混凝土鎖口，單層配筋。鎖口澆筑部位支護(hù)參數(shù)為掛鋼筋網(wǎng)φ6.5@20cm×20cm及系統(tǒng)錨桿φ25，L=3m，間排距1m×1m。

(3)溜渣井加固：在1.4m溜渣井底部增加I18鋼支撐作為臨時(shí)支護(hù)，間距0.8m。溜渣井底部段井壁設(shè)置φ25@1m，L=3m錨桿，噴10cm厚C20混凝土。溜渣井周圍的豎井底部掛鋼筋網(wǎng)φ22@20cm×20cm。

(4)全斷面下挖施工期系統(tǒng)安全支護(hù)方案：采用噴錨支護(hù)+鋼支撐的聯(lián)合支護(hù)型式，噴15cm厚C20混凝土，掛φ6.5mm@10cm×10cm鋼筋網(wǎng)，設(shè)置φ25mm砂漿錨桿，L=3m，I16環(huán)形鋼支撐@0.8m～1.0m。

(5)圈梁加固：為防止圍巖因局部塌落導(dǎo)致邊墻整體失穩(wěn)，每隔15m～20m設(shè)置一道環(huán)形C25鋼筋混凝土圈梁，圈梁井筒向高1m，厚度60cm，雙層配筋。

(6)開挖中特殊情況的處理：豎井2964.30～2949.80高程段圍巖破碎、滲水、穩(wěn)定性差，屬特殊Ⅴ類圍巖，成井條件差，采用φ42超前注漿小導(dǎo)管加固，環(huán)向間距視具體情況采用，長度為4.5m，排距2m。

5.3 開挖實(shí)施情況

φ216mm導(dǎo)孔二次施工于2015年12月1日再次開始，12月17日貫通，φ1.4m導(dǎo)井反提12月17日開始，1月5日完成；豎井全斷面開挖及支護(hù)，2016年1月23日開始，2016年11月9日完成。變更后從鉆孔的效果看，先導(dǎo)孔平均鉆速5m/d，溜渣井?dāng)U挖平均達(dá)到8m/d，塌孔及卡鉆現(xiàn)象不突出，成孔順利。井筒全斷面開挖支護(hù)措施到位，遇到險(xiǎn)情及時(shí)處理，沒有發(fā)生大的塌井事故，井挖工作順利完成。

6 結(jié)語

上通壩壓力管道下斜井調(diào)整為豎井后，溜渣井反井鉆機(jī)法順利成孔，同時(shí)在有效的安全支護(hù)措施保護(hù)下井身開挖也順利完成。實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)和施工緊密結(jié)合、互相兼顧是有利于工程推進(jìn)的。同時(shí)在不良地質(zhì)條件下，采取合理有效的支護(hù)措施后，深長豎井是可以實(shí)現(xiàn)安全施工的。