徐向東

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

新龍口水電站廠址區(qū)位于新龍口渠首下游奎屯河出山口右岸，處于中山區(qū)與山間洼地兩地貌單元交界位置，地勢(shì)南高北低。奎屯河河谷在該段呈“U”字型，平坦、開闊，現(xiàn)代河床寬160～200 m，高程968～980 m，縱坡1.2%。河谷兩岸陡立，為數(shù)百米高的陡崖，由于長(zhǎng)期的風(fēng)化剝蝕、雨水沖刷作用，形成溝壑密集的沖蝕地貌。在實(shí)際施工中，還需要嚴(yán)格按照施工方案加以處理。

1 項(xiàng)目概況

新龍口電站，設(shè)計(jì)引水流量48.5 m3/s，新龍口電站裝機(jī)140 MW，主要由泄水陡坡、前池、壓力管道和廠房等主要建筑物組成。前池、泄水陡坡、壓力鋼管、電站廠房為2級(jí)建筑物；其他臨時(shí)建筑物為4級(jí)。

2 隧洞布置方案咨詢

3 計(jì)算模型咨詢

經(jīng)與武漢大學(xué)水利水電學(xué)院咨詢，由于豎井地層巖性為下更新統(tǒng)(Q1X)西域礫巖，不是純粹的巖石，在運(yùn)行期內(nèi)水壓力的作用下不足以提供足夠的圍巖支撐，且存在遇水軟化的問(wèn)題。建議采用臨時(shí)支護(hù)解決施工期掉渣和圍巖穩(wěn)定問(wèn)題，采用一次襯砌解決施工期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和設(shè)備布置問(wèn)題，由鋼管單獨(dú)承受內(nèi)水壓力，不在管壁開孔進(jìn)行回填灌漿和接觸灌漿，采用一次襯砌和二次襯砌聯(lián)合承受外力[2]。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豎井自管道向外結(jié)構(gòu)依次為：鋼管+70 cm厚C25回填鋼筋砼+45 cm厚C30鋼筋砼一次襯砌+型鋼拱架支護(hù)(掛網(wǎng)+10 cm厚C25砼噴護(hù))，開挖洞徑6.60 m。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定數(shù)值模擬分析

3.2.1 支護(hù)時(shí)機(jī)初判

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析可知，圍巖應(yīng)力釋放55%～60%時(shí)，圍巖變形尚在可控范圍內(nèi)，可考慮進(jìn)行鋼拱架、噴錨等初期支護(hù)的架設(shè)[3]。

3.2.2 施工期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

初期支護(hù)考慮鋼拱架、噴層、錨桿和一次襯砌，按照不同的支護(hù)施作時(shí)機(jī)設(shè)計(jì)方案，將各支護(hù)方案的圍巖變形和塑性區(qū)深度結(jié)果、支護(hù)結(jié)構(gòu)的施加情況和工作性能列詳見下表1。

分析以上各方案計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：方案SG04在開挖后圍巖應(yīng)力釋放80%時(shí)進(jìn)行鋼拱架及噴錨支護(hù)，即初期支護(hù)落后于掌子面2 m施作；應(yīng)力釋放90%時(shí)施加45 cm厚鋼筋混凝土襯砌，即襯砌落后于掌子面4 m施作。支護(hù)完成后圍巖最大變形為6.0 cm，最大塑性區(qū)深度1.33 m，圍巖變形在可控制范圍內(nèi)，且鋼拱架、錨桿及一次襯砌工作性能良好[4]。

3.2.3 運(yùn)行期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

選擇上述部分方案進(jìn)行分析，具體見表2。

分析以上各方案計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：對(duì)于方案YX01和方案YX02可知，襯砌承擔(dān)部分圍巖應(yīng)力，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期的安全性更有利。在方案YX01、方案YX02、方案YX03中，內(nèi)襯鋼板分別分擔(dān)60.8%、75.6%、63.7%的內(nèi)水荷載，鋼襯應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 井筒抗滑穩(wěn)定分析

一次襯砌井筒抗滑摩擦力根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD63-2007)鉆(挖)孔灌注樁的承載力進(jìn)行計(jì)算，其容許值：

(1)

qr=m0λ[[fao]+k2γ2(h-3)

(2)

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值(kN)；樁身自重與置換土重(當(dāng)自重計(jì)人浮力時(shí)，置換土重也計(jì)人浮力)的差值作為荷載考慮；U為樁身周長(zhǎng)(m)；Ap為樁端截面面積(m2)，對(duì)于擴(kuò)底樁，取擴(kuò)底截面面積；n為土的層數(shù)；li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度(m)，擴(kuò)孔部分不計(jì)；qik為與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；qr為樁端處土的承載力容許值(kPa)；h為樁端的埋置深度(m)；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度(kN/m3)；λ為修正系數(shù)；

表1 施工期各方案計(jì)算結(jié)果

表2 運(yùn)行期各方案計(jì)算結(jié)果

表3 豎井井筒抗滑穩(wěn)定計(jì)算表

通過(guò)利用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，我們獲得了新龍口電站豎井井筒抗滑穩(wěn)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)(如表3所示)，為后期制度科學(xué)的施工方案提供數(shù)據(jù)參考。

3.4 豎井施工技術(shù)方案

豎井施工技術(shù)主要有沉井法、凍結(jié)法、TBM施工、防滲墻法、鉆井法。

3.4.1 沉井法

對(duì)于松散的地質(zhì)條件，開挖過(guò)程中無(wú)法采用錨索或錨桿、錨筋束輔以噴射混凝土等臨時(shí)支護(hù)方式加固井壁，成孔困難，沉井法優(yōu)勢(shì)比較突出，采用沉井法施工，可以將開挖時(shí)臨時(shí)支護(hù)措施和井筒永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合，合二為一，能有效避免井壁坍塌，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

由于新龍口電站壓力管道豎井深度216 m，能否順利下沉需要進(jìn)行論證；另一方面若沉井順利下沉，則標(biāo)識(shí)著豎井重量集中向下傳導(dǎo)致井底，而井底地基承載力允許值為1 000 kPa，地基承載力也無(wú)法滿足要求。因此綜合考慮，暫不選擇沉井法。

3.4.2 鉆井法

水利工程中所采用的鉆井法通常為反井鉆機(jī)法，即反井鉆機(jī)自上而下鉆導(dǎo)孔，再通過(guò)反向刀盤自下而上擴(kuò)孔成井，導(dǎo)井貫通以后，利用導(dǎo)井作為溜渣孔，再自上向下采用人工鉆爆法擴(kuò)大到設(shè)計(jì)斷面，擴(kuò)大過(guò)程進(jìn)行必要的臨時(shí)支護(hù)，再進(jìn)行混凝土襯砌。

新龍口電站壓力管道豎井而言，該種施工方法施工的先決條件為下平洞貫通，能夠底部出渣，同時(shí)由于豎井地層巖性為下更新統(tǒng)(Q1X)西域礫巖，溜渣過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)對(duì)豎井穩(wěn)定的影響無(wú)法預(yù)估，因此不選擇該方案。

3.4.3 開挖、砌壁混合作業(yè)方式

混合作業(yè)方式，掘進(jìn)和砌壁工序在一個(gè)循環(huán)段內(nèi)先后(少量工作有一定交叉)進(jìn)行。這種作業(yè)方式的突出特點(diǎn)是不省時(shí)、省事、省錢；永久井壁緊跟掘進(jìn)工作面，安全程度是各作業(yè)方式之冠；缺點(diǎn)是永久井壁接碴較多。

通過(guò)綜合分析，采用臨時(shí)支護(hù)解決施工期掉渣和圍巖穩(wěn)定問(wèn)題，采用一次襯砌解決施工期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和設(shè)備布置問(wèn)題，由鋼管單獨(dú)承受內(nèi)水壓力，采用一次襯砌和二次襯砌聯(lián)合承受外力的模型是合理的，采用開挖、砌壁混合作業(yè)方式施工技術(shù)也是安全、可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

引水工程中的豎井施工是整個(gè)電站工程重要的施工內(nèi)容之一，其施工的安全性、科學(xué)性直接影響整個(gè)電站工程的質(zhì)量，因此必須要結(jié)合客觀、主觀因素選擇合理施工技術(shù)來(lái)完成，以此來(lái)保證電站的可持續(xù)安全運(yùn)營(yíng)。本文通過(guò)新疆奎屯河引水工程新龍口電站豎井施工方案的分析，利用具體的計(jì)算模型咨詢分析，從而明確相應(yīng)的施工方案，以便后續(xù)施工能夠順利開展。