周宁水电站高压引水竖井施工技术.pdf

收稿日期2 0 0 6 - 1 1 - 1 0 作者简介 段汝健1 9 6 8 , 男, 云南剑川人, 高级工程师, 从事 水利水电工程施工技术管理工作. 1 工程概况 穆阳溪周宁水电站为引水式电站, 引水高压竖井总高为 4 5 3 . 2 5m, 上部6 4 3 5 6 0m高程间为调压井, 引水洞轴高程 为5 6 0m, 竖井高程为1 8 0 . 7 5 5 6 0 . 0 0m, 下接高压管道下平 段; 调压井和竖井为全衬砌混凝土, 厚度为5 0 0 6 0 0m m, 为 单层钢筋, 灌浆压力为2 5 . 7M P a。为方便施工, 在中部设1 条竖井施工支洞, 分岔进入竖井。竖井的主要岩石为燕山晚 期侵入的钾长 晶洞 花岗岩, 饱和极限抗压强度弱风化岩石 为8 0 ～ 1 4 0M P a、 微风化～新鲜岩石为1 0 0 ～ 1 7 0M P a; 地下水 位高程为5 2 3m, 隧洞围岩相对不透水, 岩体微风化新鲜, 岩体中高倾角6 5 ～ 9 0 的裂隙发育, 充填高岭土、 铁锰质及硅 质脉, 宽0 . 5 ～ 1c m, 多呈薄片状, 岩体较完整。高程在3 0 8 3 0 5m之间有F 6 0N E 6 0 N W∠8 0 断层通过。断层及破碎带 岩体为Ⅲ Ⅳ类岩体。 2 总体施工方案 为保证施工安全和进度,选用分段平行立体施工方法。 施工分段及施工次序如表1所示。 2 . 1开挖施工方案 采用分段反井钻机进行导井施工, 正井扩挖和支护同步 完成的施工方法。 施工顺序为Ⅲ导→Ⅲ扩Ⅰ导→Ⅱ导 闸 门井开挖→Ⅱ扩→岩塞段开挖。 2 . 2混凝土施工方案 混凝土施工采用自下而上分段施工。下弯段→Ⅲ段混凝 土→岩塞段→Ⅱ段→上弯段混凝土,Ⅰ段混凝土与Ⅱ段扩挖 文章编号0 5 5 9 - 9 3 4 22 0 0 61 2 - 0 0 7 0 - 0 3 周宁水电站高压引水竖井施工技术 段汝健, 张德高 中国水利水电第十四工程局, 云南 昆明6 5 0 0 4 1 关键词 施工技术;竖井; 高压引水系统; 周宁水电站 摘要 周宁水电站引水竖井总高4 5 3m, 施工难度大、 技术要求高。为此, 对周宁水电站高压引水竖井工程的施工 技术进行了研究, 对竖井施工采取的技术、 安全技术、 质量成果的可行性进行了验证。结果表明, 竖井人员、 材料与 混凝土运输安全系统, 防坠安全技术、 无轨防旋转控制技术、 施工与运输的配合技术, 很好地解决了长竖井施工技 术难点, 安全保障大大提高, 且成本低、 工艺简单、 推广性很强; 滑模技术的应用、 反井钻机的应用、 喷锚支护技术的 应用, 使竖井施工的各大危险源得到了全面有效的控制, 实现了竖井施工零事故。 R e s e a r c hR e p o r t o nt h e T e c h n o l o g yi nH i g hP r e s s u r e-w a t e r C h a n n e l e dS h a f ts C o n s t r u c t i o no f Z h o u n i n gH y d r o p o w e r S t a t i o n D u a nR u j i a n , Z h a n g D e g a o S i n o h y d r o e n g i n e e r i n g b u r e a u1 4 , K u n m i n gY u n n a n6 5 0 0 4 1 K e y Wo r d s c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ; s h a f t ; h i g h p r e s s u r e-w a t e r c h a n n e l e d s y s t e m ; Z h o u n i n g H y d r o p o w e r S t a t i o n A b s t r a c t T h e w a t e r-c h a n n e l e ds h a f t o f Z h o u n i n g H y d r o p o w e r s t a t i o na t t a i n s a h e i g h t o f 4 5 3m . T h e p r o j e c t i s m u c hm o r e d i f f i c u l t y t o c o n s t r u c t a n dd e m a n d s h i g h-l e v e l t e c h n o l o g y u n d e r t h e c o n s t r u c t i o n . F o r t h i s r e a s i o n , r e s e a r c ha b o u t t h e t e c h - n o l o g y i nt h e c o n s t r u c t i o no f H i g hp r e s s u r e-w a t e r c h a n n e l e dp r o j e c t o f Z h o u n i n g H y d r o p o w e r s t a t i o nw a s d o n e t o t e s t a n d t e c h n o l o g y a n dv e r i f y t h e t e c h n o l o g y , t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t e c h n o l o g y a n dt h e q u a l i t y d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n . T h e r e s e a r c h i n d i c a t e d s t h a t , t h e m a k e u po f w o r k e r s , m a t e r i a l s , s a f e s y s t e mo f c o n c r e ts t r a n s p o r t a t i o n , s a f e t e c h n o l o g i c a l s y s t e mt o p r e - v e n t d r o p p i n g a n dc o n t r o l r e v o l i n g w i t h o u t t r a c t ,t e c h n o l o g y c o o r d i n a t i n g t r a n s p o r a t i o nw i t hc o n s t r u c t i o ni s n o t o n l y h e l p t os o l v et h et e c h n o l o g i c a l p r o b l e m s a n di m p r o v es a f e g u a r dd u r i n gc o n s t r u c t i o na l s oi s o f l o w-c o s t s i m p l e-t e c h n i q u ea n d w i d e-i m p l y i n g ;T h ea p p l i c a t i o no f s l i pf o r mt e c h n o l o g y、c o u n t e r-w e l l d r i l l i n gm a c h i n ea p p l i c a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f s h o t c r a t e-a n c h o r a g e s u p p o r t t e c h n o l o g y a c h i e v e s a o v e r a l l a n de f f e c t i v e c o n t r o l o f t h e m a j o r d e n g e r r e s o u r c e s a n d , n o a c - c i d e n t d u r i n g t h e p r o j e c ts c o n s t r u c t i o n . 中图分类号T V 7 3 2 . 5 1;T V 5 2 文献标识码B 第 3 2 卷第 1 2 期 2 0 0 6 年 1 2 月 水 力 发 电 Wa t e r P o w e r V o l . 3 2 . N o . 1 2 福建周宁水电站建设 7 0 Wa t e r P o w e r V o l . 3 2 . N o . 1 2 表1竖井分段参数 同步施工。 竖井和调压井各采用一套定型滑模。 模板分三层, 上层为防护层和下料层, 中层为模板结构及运行层, 下层为 抹面及修补作业平台。 入井混凝土运输采用两种运输形式相结合的方式。混凝 土泵送运输和溜筒结合A型和B型缓降器,分别通过竖井 施工支洞、 引水洞上平段和调压井井口进入竖井内。 2 . 3灌浆施工方案 灌浆采用自下而上分段混凝土施工同时错段进行分段 灌浆方案 设一个灌浆工作平台, 平台上层为造孔平台, 下层 为灌浆及封堵平台; 采用手风钻造孔, 高压灌浆机具灌浆。 孔 排间采用分段分序灌浆, 孔内分段加压灌浆。 3 主要施工技术难点及解决措施 3 . 1分段平行立体施工技术 竖井在同一个投影面上, 合理分段进行平行立体施工是 加快进度的关键。 根据结构特点, 原设计有3个通道, 为便于 施工, 增加1个施工支洞, 分2个洞口进入竖井, 共形成5个 通道。 开挖期Ⅲ段与Ⅰ段同步施工,Ⅲ段与Ⅱ段同步施工, 以 岩塞段进行分隔,Ⅱ段导井施工与上游闸门井同步施工进行 分隔。 开挖与混凝土施工交叉期Ⅰ段混凝土施工与Ⅱ段开挖 同步,Ⅱ段开挖与Ⅲ段混凝土施工同步,Ⅱ段开挖完成, Ⅲ段 混凝土完成后进行岩塞段开挖, 采用从竖井旁洞出渣, 再进 行岩塞段和Ⅱ段混凝土施工。Ⅲ段滑模安装后进行Ⅲ段底部 弯段混凝土施工。 混凝土施工与灌浆交叉期Ⅲ段混凝土施工时进行Ⅲ段 底部弯段灌浆,Ⅲ、Ⅱ段下部混凝土施工完成后Ⅲ段灌浆。 采用全封闭钢平台分隔, 并合理布置平台, 以充分利用 平台。 3 . 2导井反井钻机施工技术 高井施工难点为反导井施工,经过安全和技术比较1 0 0 m以上导井采用反井钻机合理, 经过选型采用L M - 2 0 0型反 井钻机。 反井钻机主要问题是导孔的偏差控制。由于周宁水电站 竖井岩体为高倾角8 0 , 倾向与引水洞轴呈3 0 , 中部有一个 不良地质带; 而设计保证偏差小于1 才能使用。在Ⅲ段第1 次先导孔施工中, 偏差大于2 , 成为废孔。分析认为其主要 原因 一是有不良地质段, 层间软弱地质带出现, 抗压强度差 别大; 二是安装精度、 开孔段和不良地质段的造孔进钻速度、 钻压控制不达标; 三是没有加设稳定钻杆, 合理控制钻进速 度。根据第1次钻孔的偏差情况, 第2次钻孔时向倾斜方面 人为移动了7 0 0 m m。 成孔后, 偏差为1 . 1 , 由于有人为移动, 精度达到了设计要求。 采取的主要措施为钻机安装精度控制在0 . 1 5 以内; 先导孔施工时, 孔口3 0m, 钻进速度控制为1 3m / d; 钻杆前 3 0 m增加稳定钻杆数量, 前5 m普通钻杆与稳定钻杆数的比 为1 ∶ 1, 之后从3 ∶ 1到5 ∶ 1, 最后到1 0 ∶ 1; 在进入不良地质段时 采用减压慢进的控制方法。 合理采用钻压、 转速, 并在开孔时 采用扶正器等方法, 施工参数见表2。 同时,由于高抗压强度的岩体对施工进度影响较大, 采 用高硬度的镶齿滚刀加快进度。 平均速度 导孔1 5m / d, 导井 5m / d; 正常速度, 导孔2 0m / d, 导井8m / d。 各段施工造孔精度为1 左右,偏差方向与岩层倾向相 反。 3 . 3人员交通、 运输设施及安全系统 人员专用安全出口通道设置一个出口, 作为安全通道和 吊篮事故出口, 在井的一侧设置安全爬梯, 每2 4m设置一个 休息平台, 每1 2m设一个休息防护罩, 并每2 4m作一个交 错, 交错上方设防护设施; 实际深井部分混凝土施工中采用 独立的起吊绳, 专用吊篮和专用卷扬机, 正常时间作为混凝 土导管的拆装卷扬机, 非常状态时作为紧急通道。 人员和材料运输设置一个无轨吊篮, 在吊蓝两侧设一稳 定钢绳兼制动绳, 主要作防旋转保护。钢绳下部设5 0 0k g配 重 有条件的可直接固定在井底或平台上 ; 设专用卷扬机, 可上下; 在吊蓝上设捕绳器b f - 1 1 1型 和限位器, 并在上井 架上设一缓冲器, 以缓解瞬间制动对人员、 材料的冲击, 由于 运行速度慢而取消了上部的缓冲器。 捕绳器运行机理为工作绳断绳时,0 . 3s内受力在两根制 动绳上, 以保证吊篮的安全。 信号系统的控制设专人管理, 控制信号为电铃和灯光两 个并联, 控制线与吊蓝同步下井, 采用细钢绳与控制电缆结 合方式, 由井内人员控制信号, 由井口值班人员操作, 信号为 井内外双向互动, 控制电压为3 6V, 并在钢绳上设强制限位 标志, 强制停机。 各工作面间的通讯连接采用内部自动电话。 升降控制原则上在井口控制, 关键时或危险状态, 在井内吊 蓝中设置的停机装置可强制停机。 实际施工中未出现断绳、 制动问题, 全井施工完成时未 出现交通运输的安全事故, 得到业主的认可, 并作为业主的 分段高程/ m上通道下通道总高/ m开挖直径/ m衬彻厚度/ m m Ⅰ段5 5 7 . 0 0 ～ 6 3 4 . 0 0调压井口引水洞7 78 . 95 0 0 Ⅱ段3 6 9 . 0 0 ～ 5 5 7 . 0 0引水洞竖井支洞1 8 85 . 75 0 0 Ⅲ段1 8 0 . 7 5 ～ 3 5 3 . 0 0竖井旁洞下平洞1 6 9 . 2 55 . 96 0 0 岩塞段3 5 3 . 0 0 ～ 3 6 9 . 0 0竖井支洞竖井旁洞1 65 . 96 0 0 表2反井钻机主要施工参数 钻进位置或岩石情况钻压/ k N转速/ r / m i n 预计钻进速度/ m / h 导孔开孔5 01 0 ～ 2 00 . 2 ～ 0 . 5 钻透到下水平前5 0 ～ 7 02 00 . 5 正常7 0 ～ 1 0 02 00 . 6 ～ 1 . 0 第 3 2 卷第 1 2 期段汝健， 等 周宁水电站高压引水竖井施工技术 福建周宁水电站建设 7 1 水 力 发 电2 0 0 6 年 1 2 月 Wa t e r P o w e r V o l . 3 2 . N o . 1 2 永久竖井用以检修设备。 3 . 4开挖支护施工技术 根据以往经验, 结合竖井的结构和反导井尺寸, 爆破参 数通过试验确定5 . 9m井采用导井从1 . 4m先进行一次 刷井, 扩大到2 . 5m, 再进行全断面扩挖和支护 如果全断 面一次从1 . 4m到设计断面,开挖的工期直观要比进行一 次刷大后快1 5 , 但堵塞的可能性大大增加, 实际工期可能 会加长,而安全和堵塞后处理难度极大 ;爆破参数一次扩 挖, 采用垂直孔造孔, 孔深不得大于2 . 0m。 若孔排距小, 单孔 药量少, 装药长度只有孔深的3 0 左右, 爆破块径过大, 同时 会产生光面效应, 破碎能力差; 孔距大时达不到破碎作用, 无 法保证0 . 2 5 D的要求。8 . 9m井采用导井从1 . 4m先进行 一次刷井, 扩大到4m, 再进行全断面扩挖和支护。刷井一 次后孔深可达3 . 5 4 . 5m, 孔排距可达0 . 85 . 9m井 1 . 2m 8 . 9m井 , 交措布孔, 爆破效果良好, 周边光面爆破质量 良好; 同时8 . 9m井采用两次爆破的方法进行爆破 溜井可 只要3m左右 。爆破采用秒延时非电雷管, 接火雷管, 火 雷管接小电炉丝点火, 接电线到井口, 起爆电压为2 2 0V。 施工安全方面主要是在导井上加一个小吊盘, 盘上只装 钻孔机具, 爆破时提高, 开挖时下降, 清渣时提升一定高度, 保证石渣能下溜即可。 在导井刷井时每次下井须清除井壁浮 渣, 并在下井前用水冲井壁防止岩爆等情况出现, 导井刷大 不进行测量放线, 全断面扩大时采用激光准直仪放线。 支护工作与开挖面及时跟进, 滞后不大于2 0m, 锚杆及 时支护, 采用水泥卷锚杆。上部8 0m采用喷射管入井; 下部 采用喷射机入井, 半成品料入井, 在吊蓝中喷射,1 5 2 0m喷 一次, 以加快施工进度。岩石完整段的喷射主要是防止地应 力释放过程中产生石片造成安全事故, 不良地质段需要进行 及时支护以防止掉块。 同时为加快施工进度, 保证井底不发生反向堵塞, 在下 平洞集渣区要事先扩挖一段, 以加大容量、 加长出渣间隔, 保 证安全。 竖井开挖中未出现安全事故, 开挖总体成形良好, 开挖 中心偏差大大小于规范要求; 支护中未出现掉块等情况。 3 . 5混凝土施工技术 混凝土施工滑模采用液压千斤顶爬升, 爬杆为4 8钢管, 调压井和竖井各做一套。模板分三层, 上层为防护层和下料 层, 中层为模板结构及运行层, 下层为抹面及修补作业平台。 材料运输采用吊蓝,混凝土采溜管下料,导管为2 1 6 普通钢管, 单节长3m, 加几节1m的下料口调节节, 每1 2m 设1个缓降器, 分A型和B型两种A型为自行设计的, 体积 小、 重量轻、 效果好、 耐磨, 同时对导管磨损很小, 原理为混凝 土冲击混凝土, 分段降落, 分段搅拌掺和;B型采用M Y - B O X 缓降器原理设计, 体积大, 质量重, 效果好但不耐磨, 对导管 磨损大; 设计安装数量A ∶ B 3 ∶ 1, 实际安装只用了1个B型, 其他全部为A型, 与缓降器共同固定在井壁锚杆上, 用专用 绳配合吊蓝拆装。 混凝土配合比要保证混凝土浇筑上升速度在3 ～ 8m / d 范围内, 混凝土入仓后走模时要达到初凝, 并充分考虑混凝 土运输过程的可靠性, 重点是以引气剂和缓凝剂来调整混凝 土的和易性; 入仓后坍落度要快速减少, 混凝土凝结时间要 与施工速度良好配合。钢筋采用厂内加工后现场安装, 单根 长不大于4 . 5m, 井内采用J L型直螺纹接头连接。实际施工 中, 混凝土的上升速度为5m / d, 最大为8m / d, 全部混凝土施 工正常, 未出现大的混凝土堵管事故, 混凝土到仓面无分离, 全井一套普通钢管导管的磨损仅为管壁厚的1 / 3,即2m m, 磨损均匀;A型缓降器的使用情况良好;混凝土表面平整光 洁, 井中心偏差在规范范围内。 3 . 6灌浆施工技术 灌浆方法原则采用广蓄电站施工技术,设计孔深为3 . 5 m, 设计灌浆压力为5 . 7M P a, 设计检查透水率为0 . 3L u。5 . 7 M P a压力时采用单孔分灌段灌浆, 第一段孔深为1 . 5m, 灌浆 压力为2 . 5M P a; 第二段孔深为2 . 0m, 灌浆压力为5 . 7M P a, 最大灌浆压力为6 . 5M P a。同序同排孔同灌段可双孔对称同 灌, 但仅限于岩石相对单一段进行; 第一灌段2 . 5M P a两序 灌浆完成后再进行第二灌段的施工; 灌浆压力在2 . 5M P a以 下时采用逐级加压到设计压力, 出现串浆时可进行联灌。灌 浆孔和检查孔的封堵采用干硬性砂浆。 不良地质段抗压强度低、 不透水, 采用上述正常灌浆后 再进行加密灌浆 第一灌段要分级加压, 两序灌浆下浆量较 小; 第二灌段灌浆中全部孔造孔完成后再进行灌浆, 防止串 联过大岩体无法承压。 但实际施工中, 基本无串浆情况发生, 基本是单孔承压, 混凝土未出现抬动等情况。所有灌浆压水试验全部合格, 仅 不良地质段声波测试时波速局部小于20 0 0m / s。分析表明, 这是由于岩体的母岩抗压强度低, 不透水, 可灌性差, 无法 通过灌浆改变岩性, 提高抗压强度。因灌浆压力差别较大, 一 灌段与二灌段灌浆对象是岩石裂隙, 分段分序在部分位置不 明显。 4 结语 1 采用的竖井人员、 材料与混凝土运输安全系统, 防坠 安全技术、 无轨防旋转控制技术、 施工与运输的配合技术, 很 好地解决了长竖井施工技术难点及安全控制管理难点, 且成 本低、 工艺简单, 推广性很强。 2 保证长竖井混凝土运输的安全和运输系统低磨损的 缓降技术, 成本低, 制作简单, 使用方便。 3 为反井钻机在深井高硬度高倾角地层的钻机控制积 累了经验。 4 通过安全系统设置、 滑模技术应用、 反井钻机的应 用、 喷锚支护技术的应用, 井内少焊接, 除尘等问题的解决, 竖井施工的各大危险源得到了全面、 有效控制, 实现了本工 程竖井施工零事故。 5 本项目投入的专用设备主要是b f - 1 1 1防坠器, 改进 型卷扬机,其他都是普通的设备和工地可自己制作的设施, 成本低, 可操作性强, 推广非常容易, 有很好的推广价值。 6 本工程竖井施工工期相对原合同工期提前约3 0d, 成本主要体现在安全风险成本上。 福建周宁水电站建设 7 2