水库坝下放水涵管穿越岩层施工技术

王 瑶，叶施菁，叶国平

(浙江省水利水电建筑监理有限公司，浙江 杭州 310020)

水库坝下放水涵管是水利工程中的重要输水建筑物[1]。我国早期筑坝时，由于社会经济条件限制，坝下涵管构件结构强度普遍偏低，这些构件经多年运行，会出现老化现象，造成坝体渗漏，甚至影响坝体稳定，对大坝安全造成不利影响。因此，在对病险水库进行除险加固时，针对坝下涵管进行巩固或者重建是大坝除险加固的必备项目之一[2]。

水平定向钻进铺管技术是一种现代非开挖施工新技术，主要用于穿越河流、公路、铁路、建筑物等障碍物铺设各种管线，具有“质量优、工期短、安全性高、施工扰民少”等优点[3]。

近年来，该技术在水库除险加固中应用广泛。南洞水库新建放水涵管，需要穿越岩层。为避免施工对坝体的扰动，影响大坝安全，不采用大开挖、爆破等传统方法施工，选用非开挖定向钻管道穿越岩层施工技术，工程完工后效果良好，可供类似工程参考。

1 工程概况

南洞水库综合整治工程位于舟山市定海区干览镇新建社区内，水库于1958年兴建，1964年续建，集雨面积2.28km2，引水面积0.96km2，水库正常蓄水位78.92m，总库容195.52万m3，小(一)型水库，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级。

水库原放水隧洞Φ400铸铁管，正常水位工况下，放水流量为0.94m3/s。为保证坝身安全，封堵原放水隧洞，新建一条放水涵管，轴线布置在右坝肩管理房以外处，洞长度为148.30m，选用直径DN630mmPE给水管，进口底高程57.23m，坝后出口底高程56.5m，进出口高差0.73m，设计坡降为0.49%，如图1所示。施工主要内容包括土石方明挖、定向钻孔、埋设PE管、洞口砼衬砌、充填灌浆、起闭设施安装及原放水隧洞封堵，共计7项。

图1 新建放水管道进出口位置示意图

2 技术原理

放水管道穿越施工是采用安装于地表的钻孔设备，钻入地层形成先导孔，然后将先导孔扩径至所需大小并敷设管道的一项技术，在施工中具有跟踪和导向功能，简称HDD[4]。

先导孔是由水平定向钻机提供推力和扭矩，利用钻头和动力工具，沿设计轨迹路径，采用螺杆钻具，不断切削钻进地下岩层，利用旋转导向系统进行反复钻探，在接收坑出土，完成导向孔钻进作业。

导向孔成形后，更换大尺寸钻头(钻头尺寸逐次增大)进行反复扩孔。终孔完成后，管道连接在扩孔器钻头尾部、钻杆连接扩孔钻头头部，通过定向钻机动力回拉钻杆，回拖管道，全部钻杆回拉到发射坑时管线铺设工作完成。

该技术适用于水库除险加固工程放水涵管改造、水电站压力管道改造、农村农饮水输水管道穿越河流、公路、铁路等；适用于管径Φ200mm～Φ1100mm的钢管、PE管，最大铺管长度达1500m；适用于软土到硬岩多种土壤条件[5]。

3 流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图2所示。

图2 施工工艺流程图

3.2 操作要点

3.2.1施工准备

(1)施工前，复核踏勘地形、地面上建(构)筑物、障碍物、地下管线等。

(2)测量放样，标出进出口高程、中心线、位置，先导孔轨迹设计。

(3)进出口段采用挖掘机开挖，强风化岩采用镐头机凿除，开挖产生的土石方采用随挖随运的方式，进口段挖方用于填筑坝前围堰，出口段挖方用于填筑坝后临时便道，便于钻机进出场地，施工结束后挖除，并运至弃渣场地，并平整地面。

(4)定向钻孔前，大坝上游工作面采用明挖方式形成，为了方便拖PE管，平台尺寸为垂直钻孔轴线方向宽6m，平行钻孔轴线方向的长度为14m。

(5)坝后钻机操作平台采用明挖方式形成，平台尺寸由钻机设备长度和首段钻杆长度控制，垂直钻孔轴线方向宽6m，平行钻孔轴线方向的长度为12m，平台总面积72m2，钻机平台高程56.00m。

(6)设备选型，设备进场。综合考虑施工场地、地层条件、敷设管线直径和长度等因素，选用中型水平定向钻机，最大扭矩27kN·m，最大推拉力480kN，如图3所示。

图3 设备就位

3.2.2钻孔施工

(1)钻孔自出水口(坝后)开始，向进口钻进，形成先导孔，孔径Φ160mm定向钻头在钻机的推力作用下，由钻机驱动旋转切削地层，按设计钻孔轨迹前进，完成整个导向孔的钻孔作业。

(2)导向孔完成后，卸下钻头及控向系统，接上扩孔器，采用岩石牙轮，对导向孔逐级扩孔，分7级进行扩孔，如图4所示。扩孔器第一级Φ320mm、第二级Φ400mm、第三级Φ500mm、第四级Φ600mm、第五级Φ700mm、第六级Φ800mm、第七级Φ900mm，扩孔至终孔孔径0.9m。

3.2.3回拖管施工

(1)扩孔完成后，对孔洞进行清洗，将切削下来的岩屑等冲洗出洞，如图5所示。

(2)清洗完毕后，采用拖拉方式安装PE管进洞，如图6所示。拖管前，PE给水管就位，将管材按照设计长度全部焊接安装完毕，一切准备工作就绪后开始回拖，回拖时连续进行，一气呵成，中间不得停顿，直至成品管线在钻机侧为止。

(3)回拖时入洞点、出洞点两边必须要加强联系，协调配合将管线敷设到预定位置，一次性成功穿越。

图4 扩孔

图5 孔洞冲洗

3.2.4充填灌浆施工

(1)铺管完成后，由于输水管道与孔洞间存在较大的间隙，为防止间隙渗水，采用拔管灌浆方式对洞、管之间空隙进行充填灌浆处理，如图7所示。

(2)灌浆开始前应全面检查灌浆材料与设备，包括压力表、拌储浆系统、压浆管、灌浆泵等。

(3)灌浆从下游开始，注满一段后，将注浆管拔出一段，逐步完成整个过程的注浆。灌浆机启动后开始灌浆，灌浆压力控制在0.3～0.5MPa，当压力达到0.5MPa时，停止灌浆，根据现场试验情况将灌浆管拔出一段后继续灌浆。

(4)再次灌浆压力保证在0.3MPa以上，待灌浆压力再次达到0.5MPa时，再将注浆管拔出一段，重复以上循环过程，完成整个灌浆。

(5)灌浆过程中浆液流速控制在0～45L/min，当灌浆量达到设定值时，终止灌浆[6]。

图6 拖PE管进洞

图7 充填灌浆处理

4 材料与设备

材料情况见表1。

表1 材料情况表

设备情况见表2。

表2 设备情况表

5 质量控制

施工应执行CECS 382—2014《水平定向钻法管道穿越工程技术规程》、SL 62—2020《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》的规定。

(1)管材一般采用高密度聚乙烯管(HDPE管)，应符合GB/T 13663.2—2018《给水用聚乙烯(PE)管材》标准。

(2)PE管抗拉强度应能承受施工中的回拖力，环刚度应满足在回拖、灌浆过程中及回拖、灌浆完成后管材不发生径向变形，抗拉强度、允许荷载应通过计算确定。

(3)PE管热熔焊接接头质量应通过检验，并进行水压试验。

(4)灌浆通常采用普通硅酸盐水泥，水泥的品质应符合GB175的标准。

(5)钻孔导向钻测控仪和信号发射器在每次施工前进行一次标定，误差控制在+5%D，每钻进3米进行一次停钻定位测量，以保证精度和施工安全。在钻进过程中，为了防止钻头偏离设计轨迹而发生事故，必须对其进行有效监控，实施纠偏。

(6)预扩孔尺寸分级进行，由小到大逐级进行扩孔，不越级。

(7)扩孔及清孔成功后，回拖前应对钻机、泥浆泵等设备进行保养和小修，要将孔内钻(扩)孔所切削下来的岩屑清洗干净，并对定向钻孔进行一次清孔作业，保证孔洞内无碎石、无堵塞、无尖锐的棱角。

(8)为保证灌浆质量，灌浆应连续作业，勿随意中断灌浆作业。为确保灌浆浆液达到一定压力，整个灌浆过程中灌浆管均需埋在浆液内，以填补岩层缝隙。

(9)灌浆压力、浆液水灰比、结束条件、封孔应符合设计要求，同时做好管道变形观测[7]。

6 安全与环保

6.1 安全措施

(1)施工安全要符合SL 399—2007《水利水电工程土建施工安全技术规程》的规定。施工机械的使用应符合JGJ 33—2012《建筑机械使用安全技术规程》的规定。

(2)施工前对作业人员进行环保与安全交底，未参加交底的人员不准进入工地施工，进入工地均佩戴好安全帽等防护用品。

(3)操作人员必须经过专业培训，熟练机械操作性能，经考核取得操作证后上机操作[8]。

6.2 环保措施

(1)施工现场应符合JGJ 146—2013《建设工程施工现场环境与卫生标准》的规定。

(2)定向钻机等噪声源设备在使用过程中，严格采取有效的隔声措施；定向钻机、施工车辆尾气排放满足环保部门的排放标准才能使用；禁止排放施工油污，避免有害物质污染土地和周围环境。

(3)严禁在施工现场焚烧任何废弃物和会产生有毒有害气体的垃圾和废物；有效控制扬尘，对易扬尘的材料及裸露场地进行覆盖，设置车辆冲洗设施，做到净车出场，防止扬尘。

(4)施工现场采取防止泥浆、污水、废水污染环境措施，设置沉淀池，经处理系统处理合格后排放[9]。

7 施工效果

7.1 安全性

非开挖定向钻管道穿越岩层施工技术全部采用机械施工，作业安全性高，对坝体扰动少。传统的大开挖、爆破等施工方法，作业安全性相对较差，易造成人员伤害。另外，爆破振动对坝体产生扰动，影响大坝整体安全及周边建筑物安全。

7.2 施工效率

采用非开挖方式施工，施工效率高，耗时10天就完成了148.30m放水涵管的岩层穿越。采用大开挖、爆破等施工方法，约需40天工期，施工效率低，同时影响水库蓄水及民众用水。

8 结语

(1)该技术通常与注浆技术联合使用，具有对坝体、建筑物、构筑物等扰动小，避免渗漏，能够缩短工期，不受季节、河流汛期等影响，减少施工过程的组织协调及征迁赔偿等优点，具有良好的经济及社会效益。

(2)该技术具有占地面积小、设备移动速度快、操作简单、开挖工程量小、对天气适应性强，避免了爆破等危险作业，对周边环境和居民影响小。