附件1成果报告(外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用).pdf
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1、外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用中国葛洲坝集团基础工程有限公司中国葛洲坝集团基础工程有限公司二零一六年三月二零一六年三月课题名称:外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用课题负责单位:中国葛洲坝集团基础工程有限公司课题负责人:苟永平项目执行负责人:李韶武主要研究人员:苟永平李韶武梁成刚张玉莉高佑国童耀徐艳云文丽李硕叶发后杨希敬海目录1 项目立项背景与意义.11.1 立项背景.11.2 国内外研究现状.11.3 立项意义.12 工程概况.22.1 工程概况.22.2 工程地质条件.33 工程特点、难点及技术分析.33.1 工程的特点和难点.33.2 关键
2、技术问题.44 研究目标与技术路径.44.1 研究内容与预期目标.44.2 研究方法与技术路径.44.3 科研小组成立情况.45 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用.65.1 气室开挖方法研究.65.2 气室闭气方法研究.96 主要研究成果.217 主要创新点.228 结语.228.1 工程应用效果及评价.228.2 经济效益.238.3 社会效益.2311 1 项目立项背景与意义项目立项背景与意义1.11.1 立项背景立项背景气垫式调压室又称为封闭式调压室,利用气垫内空气的膨胀以及压缩控制调压室内水位的张罗幅度。气垫式调压室具有布置灵活、施工方便、经济环保、安全可靠等优点,可适用于地形险
3、峻、岩体质量较好、布置常规开敞式调压室困难的电站,尤其适用于高水头、小流量的引水式电站和抽水蓄能电站。由于地质条件的不同,国外的气垫式调压室大多利用围岩自身闭气,只有在围岩闭气效果欠佳的情况下才考虑设置水幕闭气,即在气室上方设置一充水廊道,并在廊道四周底角钻一系列深孔,孔内充满高压水,形成一个覆盖气室顶部及边墙的伞状水幕,水幕水压高于气室压力 0.30.5MPa,人为增大气室外围的地下水压力,使气室的漏气通道中朝向气室的压力梯度始终保持正值,避免内气外渗。自一里、小天都电站均采用了水幕闭气方式。根据情况,水幕廊道可以采用条形布置在气室的正上方,也可采用环形布置在气室的四周。1.21.2 国内外
4、研究现状国内外研究现状气垫式调压室于 1973 年首先应用于挪威的 Driva 电站,21 世纪初被国内尝试用于青海的大干沟水电站,而国内第一个完整引用气垫式调压室的为自一里水电站。因设计经验、地质条件等因素的影响,水幕闭气在国内的应用效果不理想。金康电站开始尝试使用钢罩闭气,该工程采用“夹心式”钢罩方案,并设置平压系统平衡钢罩内外侧的压力。由于钢罩闭气效果优于水幕,木座电站沿用了这一闭气形式。但夹心式钢包施工程序复杂,施工难度大,因此民治电站对钢包方案进行了改进,采用内挂钢罩+平压腔形式进行施工。1.31.3 立项意义立项意义根据探硐揭示的地质情况,民治电站气垫式调压室布置于微新岩体中,花岗
5、岩中裂隙较发育,布有 8 条小断层。岩体最大主应力方向与调压室轴线交角较大,对洞室稳定有一定的不利影响。因此,民治水电站的气垫式调压室要最终成型,就要通过合理的施工方法,既要能形成相应的地下洞室,又要保证气室不漏气。因此,我部对外挂钢罩气垫式调压室施工的关键技术进行了认真、细致的研究和实践,形成了一套成熟而有效的施工方法,解决了复杂区域地质环境中建造气垫2式调压室高压气体漏失量大的问题,可以为气垫式调压室进一步的推广应用提供参考,特立项进行此课题研究。2 2 工程概况工程概况2.12.1 工程概况工程概况民治水电站位于四川省雅安市宝兴县境内的东河上,为宝兴河梯级开发的第二级。民治水电站采用拦河
6、闸坝长隧洞引水至地下厂房发电方式,水库总库容为88.0 万 m3,电站装机三台,装机容量为 105MW。电站开发任务主要为发电,无灌溉、防洪、漂木等综合利用要求。我公司承包建设的民治水电站厂区枢纽工程属民治水电站第三合同段(即MZ/C标),包括发电厂房、尾水系统、引水系统三大部分。调压室位于引水隧道(隧)7+878.122 左侧,开挖尺寸为 102m(长)12.2m(宽)17.2m(高),衬砌后尺寸为 100m(长)10.4m(宽)16m(高)。因开挖过程中遇围岩破碎地带,设计将调压室向山体内侧进行了平移,调整后连接隧洞长 68.9m(连)0+000-(连)0+068.9)、调压室 100m(
7、(调)0+000-(调)0+100)。(参见图 2-1 厂区枢纽工程三维图)。图 2-1厂区枢纽工程三维图32.22.2 工程地质条件工程地质条件民治水电站厂区枢纽工程位于龙门山北东向构造带之中央断裂的南西段之盐井断裂南东侧,区域构造背景较复杂。工程区历史及现今地震活动不强,据国家地震局地质研究所对工程场地地震安全性评价结果,民治水电站场地地震基本烈度为度。气垫式调压室位于晋宁澄江期斜长花岗岩及少量辉绿岩脉的岩体中,自然边坡高陡,除局部缓坡及小型冲沟堆积不厚的崩坡积、洪积碎砾石土外,大部分坡面基岩裸露,地形坡度一般为 6070。(1)气垫式调压室布置于微新岩体中,微新的花岗岩属较高强度、较高模
8、量、完整性较好的岩体,以类围岩为主,仅局部辉绿岩脉因岩石强度相对较低,裂隙发育,岩体完整性差,属类,随机分布的小断层属类,总体上具备成洞条件。据勘探资料,气垫式调压室轴线与小断层等主要结构面多呈大角度相交,有利于洞室稳定,最大主应力方向约 125与调压室轴线交角较大,对洞室稳定有一定的不利影响,需采取适当的工程措施。(2)地下水主要沿结构面呈浸润状(局部滴状)渗出,受结构面切割及不利组合和地下水影响,围岩稳定性较差,以类围岩为主,局部类围岩。施工时易在上、下游边墙及顶拱出现局部不稳定岩块,桩号 0+07m0+20m 范围内,裂隙密集发育,具碎裂镶嵌结构,分布有石英脉或石英团块,岩体完整性差,属
9、类围岩。3 3 工程特点工程特点、难点及技术分析难点及技术分析3.13.1 工程的特点和难点工程的特点和难点气垫式调压室由岩壁、钢罩和水面围成封闭式气室并利用气垫来控制水锤和涌波,因此具有以下施工特点:(1)钻爆开挖应选择合理的爆破参数和装药结构,尤其是严格控制开挖轮廓线的爆破,最大限度地减小开挖爆破对气室整体围岩的扰动以及对开挖线岩面完整性的破坏,达到尽可能减少洞壁岩体漏水、漏气量的目的。(2)钢罩混凝土施工首先应严格控制气室钢罩拼接与安装焊接的质量,同4时采取相应的措施使钢罩后的回填混凝土与钢罩结合紧密,既能确保气室闭气性能,又能有效地联合承受机组负荷变化引起的地下水压力和气室气体压力之间
10、的压差。(3)施工场地受限,各工序之间相互干扰大,且工期紧、工程量大,施工强度高,因此施工组织严密及协调性强是成功的保证。3.23.2 关键技术问题关键技术问题民治水电站的气垫式调压室要最终形成,就要通过合理的施工方法,既要能形成相应的地下洞室,又要保证气室不漏气。为此,气垫式调压室施工的关键技术主要集中在“洞室的开挖成型”和“保证闭气性的封堵施工”两个方面。4 4 研究目标与技术路径研究目标与技术路径4.14.1 研究内容与预期目标研究内容与预期目标通过民治水电站气垫式调压室的施工,研究并改进气室的开挖及密闭施工方法,形成成熟而有效的工法,为我公司类似工程施工提供借鉴和参考经验。(1)为避免
11、开挖造成岩石裂隙的扩展而影响调压室闭气效果,选用合适的气室开挖施工方法,将爆破扰动降至最低限度。(2)研究气垫式调压室钢罩混凝土的施工技术,提高钢罩的整体安装精度及焊接质量,确保气室的闭气性能。4.24.2 研究方法与技术路径研究方法与技术路径(1)研究总结已建成气垫式调压室的设计、施工及运行控制的基本理念和实践经验,并针对本工程实际条件,选取合适的施工方案,保证质量,提高工效。(2)组织专业施工队伍和具有丰富施工经验的技术人员进行施工,并根据现场施工情况,优化施工方案,确保工程在有序、高效、经济的模式下运行。(3)通过工程施工实践,进一步研究、补充完善、总结气垫式调压室施工经验和方法,达到期
12、望的目标。4.34.3 科研小组成立情况科研小组成立情况为了能够安全、高效、优质地完成本项目的科研任务,特成立外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究科研小组,由我公司总工程师焦家训同志担任科研组长,5并由公司地下工程研究所主要负责机具与工艺研究,以利于推动项目的研发进度和实施。结合本工程实际情况,对外挂钢罩气垫式调压室施工技术进行研究。小组组成人员情况见表 4-1。表 4-1科研小组成员情况统计表序号姓名性别出生日期技术职称文化程度(学位)职务工作单位分工1苟永平男1973.09.01高工本科公 司副 总中国葛洲坝集团基础工程有限公司项目总负责2李韶武男1983.03.09工程师本科项 目经 理中国
13、葛洲坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程,组织项目立项,指导方案制定及实施,指导编制研究计划3梁成刚男1985.05.31工程师本科项 目副 总工中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制,资料收集、整理、分析,技术组织、质量管理、检验试验等工作,指导研发过程4张玉莉女1966.03.02教高本科公 司科信 部长中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程,指导报奖5高佑国男1986.03.26助工本科项 目副 总工中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制,资料收集、整理、分析,技术组织、质量管理、检验试验等工作,主编成果报告6童耀男1974.10.10高工本科公 司科信 副部长中国葛洲
14、坝集团基础工程有限公司参与指导研发过程,指导报奖7徐艳云男1990.10.07助工本科项 目技 术部副 部长中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制,资料收集、整理、分析,技术组织、质量管理、检验试验等工作8文丽女1987.09.17助工双学士公 司科 信部科 员中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料收集、整理、分析,参编成果报告,编写报奖资料9李硕男1986.04.04工程师本科项 目中国葛洲坝集团基础工程有限公司技术方案编制,资料收集、整理、分析,技术组织、质量管理、检验试验等工作10叶发后男1986.12.28助工本科项 目经 营副部 长中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析
15、,成本分析11杨希男1989.01.30初级会计师本科项 目会 计中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料整理、分析,成本分析612敬海男1982.09.23工程师本科公 司集 采副部 长中国葛洲坝集团基础工程有限公司参与资料收集、整理、分析5 5 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用5.15.1 气室开挖方法研究气室开挖方法研究气垫式调压室要求不漏水、不漏气,为了避免开挖造成岩石裂隙的扩展而影响闭气,必须对气室开挖方法进行创新。经多方面研究与实践,“短进尺分层开挖,中间导洞超前,扩挖支护跟进,周边光面爆破”的气室开挖方法,可将爆破扰动降至最低限度。5.1
16、.15.1.1 施工程序施工程序气垫式调压室分三层施工,第层开挖由调压室施工支洞进入工作面,采取中导洞(宽 5m,高 7.5m)超前,两侧(各 3.6m)扩挖相继跟进,自制移动平台配气腿钻钻爆,周边光面爆破。第层开挖采用调压室施工支洞接预留斜坡道至第层底板高程,采用 QZJ-100B 潜孔钻钻孔,边墙预裂,梯段开挖。第层预留斜坡道拆除先期利用在第a 层设置的溜渣井出渣,待达到安全距离后,a层跟进施工,第层预留斜坡道渣料利用a 层通道进行出渣,第层预留斜坡道和第a 层均采用梯段施工,先期边墙预裂,QZJ-100B 潜孔钻钻孔。第b 层为预留保护层,采用气腿钻水平钻孔,光面爆破。爆破渣料全部采用
17、2.0m3侧卸装载机配 15t 自卸汽车运输。图 5-1气垫式调压室开挖施工程序图7图 5-2气垫式调压室开挖施工程序图5.1.25.1.2 钻爆方案和爆破参数确定钻爆方案和爆破参数确定根据气垫式调压室的运行要求、结合实际地质条件和岩性,确定了合理的钻爆参数以保证调压室开挖面的平整度,减少爆破对围岩的扰动,使围岩的松动范围、爆破应力和裂缝达到最小,将围岩的透水率控制在设计允许的范围内。在气室连接洞与气垫式调压室交叉段进行开挖钻爆试验,以选择合理的钻爆参数。根据爆破试验确定的气垫式调压室基本钻爆参数如下:(1)第 I 层爆破设计调压室第 I 层分 3 个断面开挖,中导洞(宽 5m,高 7.5m)
18、超前,两侧(各3.6m)扩挖相继跟进。具体爆破参数见表 5-1。表 5-1调压室第一层开挖爆破参数表名 称单 位中导洞双侧扩挖备注断面参数断面形式城门型宽高mm5.07.623.67.0开挖面积m236.1638.28钻孔参数钻具YT-28 手风钻YT-28 手风钻钻具数量台710钻孔直径mm4848掏槽形式楔形掏槽8名 称单 位中导洞双侧扩挖备注空孔直径mm钻孔数量个/循环9976钻孔深(单孔)m/循环3.53.5钻孔总长m/循环346.5266进尺率%85.785.7进尺m/循环3.003.00开挖体积m3/循环127.95130.16钻孔速度m/min0.60.6纯钻孔时间min/循环2
19、08160装药参数总装药量kg/循环12994.44单耗药量kg/m31.010.72(2)梯段爆破设计梯段爆破开挖断面钻孔布置如下(具体布置由现场爆破实验确定):布孔142 个,平均 1.2 个/m2,孔径 42mm,孔深 3.5m;其中中部主爆孔孔距 150cm,排距为 100cm,光爆孔孔距 50cm,炮孔布置见图 5-3。图 5-3典型梯段炮孔布置图爆破设计技术参数见表 5-2。9表 5-2梯段爆破设计参数表钻孔设备类别孔径(mm)孔深(cm)孔距(cm)孔排距(cm)抵抗线(cm)药径(mm)装药量(kg)手风钻中部主爆孔42350150100100322.1侧墙光面孔4235050
20、321.4梯段爆破开挖单次爆破装药量共 175kg,炮孔密度为 1.6 孔/m,最大单响为 18.9kg。炸药单耗为 0.82kg/m3。5.25.2 气室闭气方法研究气室闭气方法研究气室断面采用钢筋混凝土夹钢板的窄高型城门洞型,钢板呈倒“U”形,内嵌在钢筋混凝土中,钢筋混凝土可固定钢板和承受机组丢弃或增负荷引起的地下水压力和气室气体间的差压。5.2.15.2.1 钢罩混凝土衬砌工艺流程钢罩混凝土衬砌工艺流程图 5-4气垫式调压室钢罩衬砌工艺流程预变形矫正、复测对接、对焊钢罩制安准备材料矫正、放样平场地、搭平台划线、下料零部件校正组装,焊接钢罩除锈、防腐分部件运输端头模板安装砼泵管安设浇筑混凝
21、土平压仓钢板安装砼拌制运输接触、回填灌浆清理、验收钢罩安装探伤施工准备工作测量复测放线插筋孔、插筋安装钢筋钢筋加工车丝105.2.25.2.2 台车设计台车设计、制安制安气垫式调压室开挖断面为 102m17.2m12.2m(长高宽),衬砌后断面为 100m16m10.4m(长高宽),需要进行钢筋安装、钢罩安装、砼浇筑和模板拆装,施工相互干扰大,采用脚手架搭拆施工,势必影响工程进度。为加快施工进度,自行设计加工钢模台车,在气垫式调压室内铺设轨道,安设 1 台自行式钢模台车,台车设计尺寸为 9m8m16m(长宽高),台车为门型工装架结构,主要由受力牵引平移的主台车和在主台车之上由螺旋千斤顶负责升降
22、的副台车构成。台车顶部安设栏杆,满铺马道板,下部挂设安全网,台车上设有固定照明,上下爬梯,垂直砼泵管,电焊机,安全警示标志等,确保施工安全。台车设计图详见图 5-5、图 5-6。图 5-5 调压室钢台车正立面图图 5-6 调压室台车侧立面图11图 5-7调压室台车(1)台车主要材料选用主台车立柱为 I28a 工字钢(9m 高),副台车立柱选用 I25a 工字钢,下横梁选用 I20a 工字钢,顶部拱形梁及斜撑采用 I18a 工字钢,底部横梁选用 I32工字钢,移动升降台车采用 10 个300 的双轮缘钢轮行走,轨道选用 P43 标准轨道。(2)主要受力构件计算钢罩在安装后因自稳定性不考虑其在台车
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