淺談不良地質(zhì)條件下小斷面、長(zhǎng)豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)

李功強(qiáng), 李 鵬

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 第五分局,四川成都 610225)

1 工程概況

松林河洪一水電站樞紐位于四川省雅安市石棉縣蟹螺鄉(xiāng)的木拉灣和甘孜州九龍縣洪壩鄉(xiāng)濱東境內(nèi)的松林河次源——洪壩河上,是洪壩河規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)中的第三級(jí)水電站,電站廠址距石棉縣城約 30 k m,距成都市公路里程約 351 k m。洪一水電站為單一引水發(fā)電開發(fā)的水電工程項(xiàng)目,具有日調(diào)節(jié)功能,電站裝機(jī)容量 80 M W,設(shè)計(jì)水頭312 m,最大水頭 328.4 m。主要建筑物由取水樞紐、引水隧洞、壓力前池、壓力管道(含斜井段和豎井段)和發(fā)電廠房等組成。

壓力鋼管布置在壓力前池進(jìn)水室末端,直徑為 2.8 m。平面布置上設(shè)有 1個(gè)彎道,轉(zhuǎn)彎半徑10 m,進(jìn)口設(shè)漏斗式進(jìn)水口,管道為埋管布置,分為豎井段與斜井段(底坡 1/10),其中豎井段高225.8 m。壓力鋼管開挖直徑 4 m,壓力鋼管直徑2.8 m,鋼管與混凝土之間回填 60 c m厚 C 20混凝土 (圖 1)。

圖 1 壓力管道剖面圖

2 地形、地質(zhì)條件

豎井進(jìn)口段前池位于洪壩河左岸漫哈溝右側(cè)山脊上,該部位山體雄厚,地形呈緩坡狀,現(xiàn)場(chǎng)地形坡度的實(shí)測(cè)結(jié)果為前池底高程起向下約 80 m山坡坡度稍陡,平均為 40°。山坡下部相對(duì)較緩。山坡地表覆蓋第四系的殘坡積層,主要為含亞粘土較多的板巖,土層結(jié)構(gòu)較為松散,一般厚度為 2 m左右。下伏的地基巖層主要為三迭系中下統(tǒng)板巖夾部分泥質(zhì)粉砂巖、中厚 ～薄層狀結(jié)構(gòu),從局部的地表露頭基巖測(cè)得的產(chǎn)狀約為 N W340°/N E∠65°～N W330°/N E∠70°。前池下部的壓力管道豎井段巖體受擠壓破碎,板巖的抗物理風(fēng)化能力相對(duì)較弱,加之受地質(zhì)歷史上的地下水活動(dòng)的影響,巖體風(fēng)化形成很深的全風(fēng)化 ～強(qiáng)風(fēng)化帶,強(qiáng)風(fēng)化帶巖層中細(xì)小的和風(fēng)化較為完全的物質(zhì)在地下水活動(dòng)的作用下被帶出,巖體中留下較多的、具有一定連通性的孔隙和小空洞。該豎井段圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主,尤其是上部 126 m左右的 V類圍巖段巖石風(fēng)化嚴(yán)重,極其破碎,圍巖穩(wěn)定性差,地下水豐富。

3 施工特點(diǎn)

(1)該豎井施工斷面小,開挖直徑僅 4 m,壓力鋼管直徑僅 2.8 m,但豎井深度達(dá) 225.8 m,施工場(chǎng)面狹窄。

(2)豎井利用反井鉆機(jī)形成的導(dǎo)井(溜渣井)斷面小(直徑僅 1.4 m),擴(kuò)挖時(shí)容易造成堵塞。

(3)豎井處巖石風(fēng)化嚴(yán)重,極其破碎且裂隙發(fā)育,整個(gè)豎井為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,安全隱患突出,在擴(kuò)挖過(guò)程中需加強(qiáng)支護(hù)。

(4)豎井深度達(dá) 225.8 m,且井內(nèi)滲水量大,施工條件非常惡劣。

4 主要施工方案

4.1 超前灌漿

豎井所在位置的巖石為強(qiáng)風(fēng)化,極其破碎,且在前池開挖時(shí),在豎井進(jìn)口附近發(fā)現(xiàn)了幾條縱向裂縫。為了確保前池穩(wěn)定和壓力豎井施工及運(yùn)行安全,對(duì)整個(gè)前池底板進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理,并在豎井周圍布置了 2圈(A環(huán)和 B環(huán))超前固結(jié)灌漿孔。A環(huán)灌漿孔布置半徑為 3.4 m,距豎井開挖邊線 1.4 m,并在孔內(nèi)安裝 3φ 32鋼筋;B環(huán)灌漿孔布置半徑為 1 m。具體布置情況見豎井超前固結(jié)灌漿孔位布置圖(圖 2)。

在灌漿造孔施工過(guò)程中,巖石裂隙發(fā)育并有較大斷層出現(xiàn),除個(gè)別灌漿段有返漿外,大部分均無(wú)返漿。灌漿時(shí),大部分段位由于吃漿量大,無(wú)回漿,施工中采取了濃漿、限流、間歇及待凝復(fù)灌等措施,有許多段復(fù)灌 2～3次方達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。從灌漿統(tǒng)計(jì)表可以看出,單位注入量達(dá)到 2 000 k g/m左右。

4.2 溜渣井開挖

該工程豎井深度達(dá) 225.8 m,但開挖斷面僅為直徑 4 m的圓形斷面,施工難度較大。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已有豎井施工情況進(jìn)行調(diào)查研究得知,豎井開挖施工通常是先在豎井?dāng)嗝鎯?nèi)形成一個(gè)溜渣導(dǎo)井,然后再自上而下進(jìn)行擴(kuò)挖施工。

圖 2 豎井超前固結(jié)灌漿孔位布置圖

考慮到該豎井段巖體風(fēng)化嚴(yán)重,極其破碎,成井穩(wěn)定性差,若采用人工自下而上進(jìn)行鉆爆施工作業(yè),安全隱患突出。通過(guò)分析研究,本工程采用機(jī)械成井法進(jìn)行溜渣井施工。在實(shí)施中選用L M 200型鉆機(jī)施工。L M型反井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)為:導(dǎo)孔直徑 216 m m,擴(kuò)井直徑 1 200、1 400 m m,總功率 90/82.5 k W,轉(zhuǎn)速 0～20 r/m i n,最大扭距40 k N? m,推力 350 k N,拉力 850 k N,外形尺寸為3.2 m×1.7 m×3.4 m。

本工程導(dǎo)孔(φ 216)施工從 2007年 7月 22日開始,9月 6日完成,導(dǎo)孔施工歷經(jīng) 47 d,其中塌孔卡鉆處理 30 d,停電及其他因素影響停工 2 d,造孔施工 15 d,平均每天造孔 15.05 m,最快進(jìn)尺 1 m/h,最慢進(jìn)尺 0.5 m/h,平均進(jìn)尺 0.89 m/h。

溜渣井(直徑 1.4 m)施工從 2007年 9月 17日開始自下而上反挖施工,10月 20日完成,其中排除因鉆機(jī)故障、停電等諸多不利因素影響,平均進(jìn)尺 0.57 m/h,最快進(jìn)尺 2 m/h,最慢進(jìn)尺 0.22 m/h。從施工過(guò)程統(tǒng)計(jì)看,溜渣井反挖施工進(jìn)度主要受孔深的制約,造孔深度越深,單位時(shí)間進(jìn)尺越小。

4.3 豎井?dāng)U挖

4.3.1 施工方案的選擇

根據(jù)目前所應(yīng)用的施工技術(shù),豎井?dāng)U挖施工(已由反井鉆機(jī)在井內(nèi)形成直徑為 1.4 m的溜渣井)主要有三種方法,分別為:①正擴(kuò)挖;②反擴(kuò)挖法;③正、反擴(kuò)挖綜合法。正擴(kuò)挖的主要特點(diǎn)是自上而下分層爆破開挖,利用機(jī)械(如挖掘機(jī))或人工扒渣,渣料通過(guò)溜渣井溜到豎井底部進(jìn)行出渣;反擴(kuò)挖主要是施工人員沿溜渣井(人工或反井鉆機(jī)開挖形成的導(dǎo)井)利用卷?yè)P(yáng)機(jī) +吊籃作為施工平臺(tái)自下而上造孔爆破開挖,爆破石渣不需扒渣而直接掉至豎井底部;正、反擴(kuò)挖綜合法主要是先采用反擴(kuò)挖法自下而上將導(dǎo)井?dāng)U挖形成較大的溜渣井,然后再利用正擴(kuò)挖法自上而下擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)斷面,該方法主要用于較大斷面的豎井?dāng)U挖施工中。

考慮到本工程施工斷面小,導(dǎo)井在施工過(guò)程中孔斜控制不理想,造成導(dǎo)井在豎井底部偏離中線約 3.6 m,已超出設(shè)計(jì)開挖斷面。同時(shí),該豎井巖石存在風(fēng)化層厚、裂隙發(fā)育、完整性差、地下水豐富等情況,且以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主,經(jīng)過(guò)綜合考慮,本工程不適宜采用反擴(kuò)挖法和正、反擴(kuò)挖綜合法,宜采用正挖法進(jìn)行施工。由于豎井本身斷面小,爆破擴(kuò)挖后扒渣工程量較小,更為重要的是該法在圍巖破碎的情況下可采用初期支護(hù)緊跟開挖面進(jìn)行,能夠減少塌方等造成的安全隱患。

4.3.2 擴(kuò)挖施工準(zhǔn)備

(1)垂直提升方案的設(shè)計(jì)與安裝。

本工程豎井垂直提升設(shè)備采用在井口布置 1套 10 t電動(dòng)雙梁門式起重機(jī)進(jìn)行豎井?dāng)U挖、鋼管安裝和混凝土澆筑等施工時(shí)物資和設(shè)備的提升。該豎井提升設(shè)備委托具有專業(yè)資質(zhì)的公司設(shè)計(jì)、制作和安裝,門機(jī)行走跨距為 6 m,起吊高度 7.5 m,行走軌道分別布置于井口兩側(cè)。

(2)施工風(fēng)、水、電及通訊系統(tǒng)。

本工程施工供風(fēng)主要從集中供風(fēng)站接 φ 75供風(fēng)鋼管沿豎井井壁向下鋪設(shè),在距離工作面約30 m處接膠管供風(fēng)。施工供水主要采用自施工區(qū)的水池接 φ 50鋼管沿豎井井壁向下鋪設(shè),在距離工作面約 30 m處接膠皮軟管,供風(fēng)、供水管路均在井口設(shè)置控制閥門。本工程施工用電主要為豎井內(nèi)提供照明用電,在施工中主要采用電纜,隨吊籃一起升降。施工通訊主要采用 2種形式:150 m以上位置采用高頻對(duì)講機(jī);150 m以下位置在井口和施工工作面設(shè)置電話,并配有電鈴。

4.3.3 擴(kuò)挖施工

考慮到該豎井的具體情況,特別是 V類圍巖段圍巖極其破碎,無(wú)自穩(wěn)能力,安全隱患突出,為確保本工程開挖施工安全,通過(guò)綜合分析并在施工前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,確定該工程在開挖前采用超前支護(hù),在開挖過(guò)程中堅(jiān)持短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)(及時(shí))支護(hù)、勤觀測(cè)的原則進(jìn)行,以確保本工程安全進(jìn)行。

壓力豎井?dāng)U挖自上而下分層進(jìn)行,人工手風(fēng)鉆鉆孔、周邊光面爆破、乳化炸藥非電毫秒起爆、人工扒渣及錨(網(wǎng))噴支護(hù)緊跟的方法施工。擴(kuò)挖出渣在豎井井底斜井內(nèi)進(jìn)行,用 Z L 30裝載機(jī)裝5 t自卸汽車出渣,經(jīng)斜井段及 4#支洞運(yùn)往棄渣場(chǎng)。

為避免溜渣井堵塞和便于人工扒渣,嚴(yán)格控制爆塊大小,施工中采用以下參數(shù):炮孔深度為1.5～2 m,孔排距 0.5～0.7 m,周邊光爆孔距 0.5 m,最大限度地降低了爆破震動(dòng)對(duì)圍巖的不利影響,避免了爆破巖石塊度過(guò)大出現(xiàn)堵塞溜渣井現(xiàn)象。

為便于導(dǎo)井開挖和出渣,豎井底部 1#彎管“龍?zhí)ь^”部位在斜管開挖時(shí)形成水平平臺(tái),并自豎井中心線延長(zhǎng)到 3 m位置,在豎井開挖時(shí),豎井開挖線以外上下游各支立 2榀鋼拱架并錨噴混凝土,確保了豎井施工安全。豎井出渣直接在底部利用 Z L 30裝載機(jī)裝 5 t自卸汽車運(yùn)輸?shù)蕉赐庠鼒?chǎng)。

4.3.4 支 護(hù)

(1)鎖 口。

為防止雨水倒灌、井口石塊等雜物掉入井內(nèi)而對(duì)豎井作業(yè)形成較大安全隱患,對(duì)井口 5 m段采用鋼筋混凝土鎖口。該鎖口高出地面 50 c m,在鎖口頂部周圈設(shè)置 1.2 m高欄桿,該鎖口混凝土布置在結(jié)構(gòu)混凝土以外。

(2)支 護(hù)。

豎井開挖的外作用力主要來(lái)自斷層、裂隙、褶皺等水平或傾斜方向的剪切力,以及由于巖石破碎開挖后形成空腔而造成的不同方向受力不均衡在豎井內(nèi)壁最終表現(xiàn)的應(yīng)力集中和應(yīng)變、形成的塌方和井壁變形。本工程支護(hù)分開挖前超前支護(hù)和開挖后支護(hù)。

①超前支護(hù)。

壓力豎井?dāng)U挖前,在豎井周圈布置超前固結(jié)小導(dǎo)管,小導(dǎo)管采用 φ 42鋼管,單根長(zhǎng) 4 m。在距管口 0.5 m以下管壁鉆 φ 8～10的注漿孔,孔距40 c m,梅花型布置。管底割除兩個(gè)楔形口后做成尖狀。注漿導(dǎo)管采用 Y T-28手風(fēng)鉆在開挖輪廓線上造孔,造孔直徑 50 m m,導(dǎo)管走向與豎井軸線夾角為 30°,環(huán)向間距為 30～50 c m,孔深 4 m。導(dǎo)管安裝完成后,用注漿機(jī)注漿,漿液水灰比為1∶1～0.5∶1,注漿壓力為 0.2 M P a,使?jié){液擴(kuò)散到導(dǎo)管周圍的巖層,從而減少擴(kuò)挖造成的大量塌方。

②開挖后的支護(hù)。

本工程除在開挖前采用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)外,在開挖爆破后及時(shí)進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù),豎井?dāng)U挖、支護(hù)情況見圖 3。

圖 3 豎井?dāng)U挖支護(hù)示意圖

鋼拱架采用 I 20型工字鋼制作而成,為便于運(yùn)輸和安裝,每榀拱架分 4段制作和安裝。每茬炮開挖完成并安全撬挖后,立即進(jìn)行鋼拱架安裝。分段制作完成的拱架由 3 m3裝載機(jī)自制作場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)到井口吊籠內(nèi),利用 10 t門機(jī)吊裝到施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝。拱架間中心距 60 c m,連接筋采用 φ 25螺紋鋼,環(huán)向間距為0.4 m,單根長(zhǎng) 0.8 m,與拱架焊接牢固。

考慮到鋼拱架支立后為懸空結(jié)構(gòu),而巖石破碎,穩(wěn)定性差,為避免因過(guò)大垂直壓力出現(xiàn)安全事故,在每榀鋼拱架上下兩排分別布置了自進(jìn)式中空注漿錨桿,錨桿直徑 32 m m,單根長(zhǎng) 3 m,環(huán)向間距 1 m,每榀拱架共計(jì) 28根。要求該錨桿與拱架焊接牢固,注漿水灰比為 1∶1～0.5∶1,注漿壓力為 0.2 M P a。

在拱架和錨桿施工完成后,立即在開挖面上掛 φ 6.5@20 c m×20 c m鋼筋網(wǎng),鋼筋網(wǎng)與錨桿等固定牢固。鋼筋網(wǎng)安裝驗(yàn)收完成后立即噴射 C 20混凝土。為確保安全,豎井噴混凝土要求滿噴,對(duì)于由地質(zhì)原因引起的垮塌和超挖部分必須利用噴混凝土回填,噴平至鋼拱架內(nèi)側(cè)面,即噴射混凝土成型后斷面半徑為 2 m,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)斷面。

③變形觀測(cè)。

本工程在開挖過(guò)程中,每隔 20 m在已支護(hù)的井壁設(shè)置觀測(cè)點(diǎn),利用鋼卷尺對(duì)角測(cè)量變形情況。同時(shí),在施工過(guò)程中,不定期對(duì)井壁噴混凝土進(jìn)行觀測(cè)其是否出現(xiàn)裂縫等安全隱患,以便發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)處理和解決。

5 施工過(guò)程分析及存在的主要問題

5.1 施工準(zhǔn)備不足

在本工程施工布置時(shí),由于經(jīng)驗(yàn)不足,導(dǎo)致對(duì)施工供水水泵、管路考慮不足而造成返工,耽誤了工期并造成了一定的損失。未充分考慮到施工區(qū)供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定,備用電源考慮不周,導(dǎo)致突然斷電而無(wú)法供給施工用水而導(dǎo)致反井鉆機(jī)卡鉆,給施工進(jìn)度造成了一定影響。

5.2 有關(guān)方案可行性欠缺

在布置固結(jié)灌漿孔特別是超前固結(jié)灌漿孔時(shí),由于未進(jìn)行灌漿試驗(yàn)而僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行布置,通過(guò)豎井導(dǎo)孔、導(dǎo)井施工發(fā)現(xiàn),超前固結(jié)灌漿確實(shí)起到了一定的效果,但由于巖層走向、傾角等部分漿液順層流失,未達(dá)到設(shè)計(jì)的固壁效果,導(dǎo)致在反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工時(shí)出現(xiàn)無(wú)返水、卡鉆現(xiàn)象,擴(kuò)挖過(guò)程中塌方、超挖現(xiàn)象仍然較嚴(yán)重。若在 B環(huán)中間再布 1～2個(gè)超前灌漿孔,并對(duì) A環(huán)位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,效果將更理想。

5.3 施工人員的責(zé)任心不強(qiáng)

在擴(kuò)挖前,雖然制定了詳細(xì)的開挖措施并進(jìn)行了交底,但由于施工人員缺乏責(zé)任心而盲目趕進(jìn)度,開挖過(guò)程中出現(xiàn)了開挖分層過(guò)高、孔距加大現(xiàn)象,導(dǎo)致爆破石渣塊變大,出現(xiàn)了溜渣井堵塞現(xiàn)象。同樣,由于對(duì)豎井底部出渣管理不力,未及時(shí)出渣,豎井底部堆渣過(guò)多而造成堵塞現(xiàn)象,均給施工進(jìn)度造成了一定影響,在類似工程施工中必須引起重視。

5.4 施工經(jīng)驗(yàn)欠缺

在本工程豎井導(dǎo)井施工中,孔斜控制不理想,導(dǎo)致其偏出開挖斷面,且在施工過(guò)程中出現(xiàn)了卡鉆、鉆頭折斷而導(dǎo)致鉆頭脫落等現(xiàn)象發(fā)生,這些雖然與巖石有一定的關(guān)系,但也反應(yīng)出施工人員特別是機(jī)械操作手施工經(jīng)驗(yàn)的欠缺。

6 結(jié)論與體會(huì)

本工程施工經(jīng)過(guò)導(dǎo)孔、溜渣井施工,到最終完成豎井?dāng)U挖,克服了豎井開挖施工中出現(xiàn)的所有問題,雖然歷時(shí)過(guò)長(zhǎng),但通過(guò)過(guò)程分析,也為小斷面、深豎井施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn):

(1)在破碎圍巖中,若采用反井鉆機(jī)進(jìn)行施工,超前固結(jié)灌漿非常必要。但在其布置前,應(yīng)根據(jù)具體圍巖情況進(jìn)行必要的試驗(yàn)或分析研究,使之達(dá)到更加理想的效果。

(2)本工程采用 L M200型反井鉆機(jī)雖然在深225.8 m的豎井施工中運(yùn)用成功,但該豎井為泥質(zhì)板巖,巖石硬度不高,在施工過(guò)程中出現(xiàn)了鉆桿扭斷現(xiàn)象。因此,對(duì)于超過(guò) 200 m深的豎井或斜井建議最好不使用 L M200型鉆機(jī),特別是在較為堅(jiān)硬的巖石地方。利用反井鉆機(jī)施工時(shí),對(duì)孔斜的控制應(yīng)加以重視,特別是鉆機(jī)的就位和安裝。在鉆進(jìn)過(guò)程中,操作手豐富的施工經(jīng)驗(yàn)將起到較大的作用。

(3)在施工前應(yīng)加強(qiáng)施工準(zhǔn)備,包括施工技術(shù)方案的分析和論證、施工場(chǎng)地的布置及施工風(fēng)、水、電的供應(yīng)設(shè)計(jì)。選擇一支具有豐富施工經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)伍,其應(yīng)具備處理施工中遇到突發(fā)事件的能力,配備良好的施工設(shè)備。

(4)改善施工作業(yè)條件,加強(qiáng)豎井排水的引排。在本工程中,針對(duì)豎井滲水均集中到施工作業(yè)面而導(dǎo)致施工條件更加惡劣這一特點(diǎn),雖然采取了在井壁設(shè)置截水溝 +排水鋼管引排,在施工作業(yè)面以上采用彩條布等措施對(duì)排水進(jìn)行遮擋和引排,雖然起到了一定作用,但效果不理想,需要在今后同類工程中對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行分析和研究。

(5)重視不良地質(zhì)條件下的爆破試驗(yàn)和設(shè)計(jì),避免發(fā)生塌方而引起安全事故。重視不良地質(zhì)條件下開挖施工的超前支護(hù)和開挖后初期支護(hù)的及時(shí)性。在設(shè)計(jì)時(shí),加強(qiáng)地質(zhì)勘探工作,盡量避免豎井、地下洞室等大部分工程量出現(xiàn)在不良地質(zhì)段。

(6)對(duì)于垂直提升設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和安裝應(yīng)引起足夠重視,特別是必須由具備相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作,確保其滿足要求;同時(shí),在實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)保養(yǎng)和維護(hù)。對(duì)人員在井內(nèi)的上下設(shè)置必要的安全裝置非常重要。