漂卵礫石地層沉井法施工大型調(diào)壓井特殊情況處理及后續(xù)施工

姜凌宇

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局 成都 610066)

1 工程概況

喜兒溝水電站位于甘肅省甘南州舟曲縣境內(nèi)的白龍江干流上，是尼什峽～沙川壩河段水電梯級開發(fā)規(guī)劃的第11 級電站，是一座混凝土閘壩擋水的一坡到底的長隧洞引水式電站。調(diào)壓井為阻抗式，頂部為敞開式，上部65m 漂卵礫石地層采用沉井法施工，開挖井壁最大直徑為25.8m，沉井內(nèi)徑22m，沉井壁厚1.5m，大井12m，直徑18.0m，阻抗孔27m，直徑為6.0m，鉆爆法施工，全斷面錨噴支護(hù)，調(diào)壓井深102m，開挖斷面為254.5m2。

2 地質(zhì)條件

調(diào)壓井井筒上段置于覆蓋層內(nèi)，覆蓋層厚97m，中下段巖體破碎呈碎裂結(jié)構(gòu)，上部為淡黃色粉土和塊碎石土，厚33.4m;下部為沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚63.6m，漂石約占5%～8%，粒徑一般0.4～0.6m，最大可達(dá)1.5m，密實(shí)。在1565～1575m 高程段，存在一孤石層，孤石粒徑較大，一般2～3m，大的可達(dá)4～5m，巖性為灰?guī)r，多呈渾圓狀，巖性較硬，井筒上部以沖積含漂石砂卵石為主，井筒中下部以灰綠～深灰色絹英千枚巖為主，屬Ⅳ～Ⅴ圍巖，地質(zhì)條件復(fù)雜。

3 問題的產(chǎn)生

喜兒溝調(diào)壓井沉井從EL1586 高程開始，井內(nèi)出現(xiàn)大量孤石，孤石量占沉井開挖量的70%～80%，尤其是刃腳處孤石較多且直徑較大，頻繁爆破嚴(yán)重影響刃腳和刃腳內(nèi)混凝土的質(zhì)量，并且會(huì)對沉井有較大的振動(dòng)，此時(shí)沉井中心偏差0.17m、傾斜0°32'42″，由于刃腳處孤石較多導(dǎo)致處理難度增大，沉井刃腳踏面單點(diǎn)受力部位較多，以至于沉井井壁、刃腳受力分布及下沉速度不均勻?qū)е鲁辆诔霈F(xiàn)多處裂縫，沉井刃腳變形，鋼板與混凝土脫空。

為確保沉井后續(xù)施工及沉井安全，必須對沉井施工方法作必要的調(diào)整及對變形刃腳作適當(dāng)處理。由業(yè)主組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工單位的技術(shù)專家共同對下沉開裂、刃角變形脫空進(jìn)行探查，對后續(xù)施工方案進(jìn)行專項(xiàng)論證。

3.1 現(xiàn)場情況描述展示

現(xiàn)場情況描述展示見圖1～圖3。

3.2 有限元數(shù)據(jù)模擬計(jì)算分析

根據(jù)上述圖片資料和現(xiàn)場施工情況，首先對采取“先軟后硬”施工程序條件下沉井的變形和應(yīng)力狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析，見圖4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在不均勻地層條件下，如果采取“先軟后硬”施工程序，下沉過程中沉井由下部“硬巖”承擔(dān)，隨著深度的增加，沉井刃腳和井壁最大拉應(yīng)力基本呈現(xiàn)增大趨勢，刃腳和井壁最大拉應(yīng)力值超過混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，刃腳處混凝土在施工期容易產(chǎn)生拉裂破壞。

圖1 調(diào)壓井沉井下沉中心偏差和偏斜測量

圖2 調(diào)壓井沉井裂縫分布展開

圖3 沉井刃腳變形和裂縫情況

圖4 先軟基后硬基沉井井壁X 向應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果(單位:Pa)

采取先硬基后軟基的開挖施工程序時(shí)，沉井井壁X 向應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 先硬基后軟基沉井井壁X 向應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果(單位:Pa)

此時(shí)，沉井下沉初始階段，即10m 深度以上，刃腳X 向最大拉應(yīng)力值略超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，刃腳部位有可能出現(xiàn)拉裂破壞;在10～56m 深度范圍內(nèi)，當(dāng)采取先硬基后軟基的開挖施工程序時(shí)，沉井各部位最大拉應(yīng)力值均小于混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得到的最大拉應(yīng)力值為沉井下沉至56m 時(shí)井壁Y 向的1.20MPa;在56m 深度以下，當(dāng)采取先硬基后軟基的開挖施工程序時(shí)，沉井各部位最大拉應(yīng)力值急劇增大，超過混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得到的最大拉應(yīng)力值為沉井下沉至65m 時(shí)井壁Y 向的5.04MPa。

4 施工處理措施

根據(jù)有限元數(shù)值模擬計(jì)算分析結(jié)果，井壁裂縫、刃角變形成因主要是沉井刃腳和井壁集中受力，局部出現(xiàn)拉裂破壞，沉井開挖施工按照先中間后預(yù)留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點(diǎn)的順序進(jìn)行，以確保沉井開挖、下沉對稱、勻速。

5 施工處理流程及施工方法

5.1 變形沉井處理程序

5.2 外壁空隙封堵

沉井下沉之前對井壁外側(cè)空隙(多位于沉井混凝土井壁外側(cè)靠近刃腳部位，距離刃腳踏面高度大約在2.0～3.5m 左右)做必要的填實(shí)處理，增大井壁的摩擦力，控制下沉速度。封堵過程中，首先將刃腳處縫隙封堵嚴(yán)實(shí)，待沉井下沉，將井壁外側(cè)已有砂礫料帶動(dòng)下沉后繼續(xù)在上部填堵渣場回采砂礫料，以此增加井壁摩擦力和保持井壁受力均勻。

5.3 刃腳受力點(diǎn)孤石分解處理

受力點(diǎn)孤石處理之前首先對各受力點(diǎn)分布情況進(jìn)行分析，采用分部、分點(diǎn)、分層的方式進(jìn)行，對孤石處理過程中的鉆孔、孔距、孔深、鉆孔方向、裝藥量以及爆破質(zhì)量檢查實(shí)施全程監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，保證沉井安全可控。受力點(diǎn)孤石處理采用“小藥量、弱爆破、低高度、勤觀測”的方式進(jìn)行，把孤石單次處理高度控制在0.2～0.3m 之間，并且在鉆爆破孔之前首先鉆孤石粒徑探測孔確定孤石粒徑，指導(dǎo)爆破孔鉆孔深度，提高爆破質(zhì)量，確保處理深度超出刃腳外壁0.15～0.20m。消除孤石處理面對沉井刃腳的摩擦力和損傷，在條件具備的受力點(diǎn)，孤石處理采取預(yù)裂爆破的方式處理，增加沉井下沉后刃腳踏面的受力面積。

5.4 變形刃腳處理

待沉井下沉平穩(wěn)且刃腳踏面完全受力的條件下，將刃腳變形鋼板割開并將內(nèi)部已破碎混凝土鑿除，在刃腳鋼板重新焊接加固完好后，從刃腳鋼板處的預(yù)留孔(0.3m×0.3m)人工重新回填C40 混凝土、φ60 插入式振搗器振搗密實(shí)，并預(yù)埋灌漿管(φ50 鋼管)，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后采用濃漿灌注填實(shí)，增加混凝土的密實(shí)度。刃腳加固采用厚20mm、寬0.20m 鋼板條處理。加強(qiáng)鋼板中對中間距0.5m，在條件具備的部位采用φ36鋼筋將刃腳鋼板與內(nèi)部鋼筋進(jìn)行焊接連接以加強(qiáng)刃腳的剛度，防止新焊接刃腳再次變形(見圖6～圖7)。

圖6 刃腳鋼板加固示意圖

圖7 變形刃腳處理

6 后續(xù)沉井施工漂卵礫石段開挖下沉方法和技術(shù)參數(shù)

沉井后續(xù)混凝土、開挖、下沉施工嚴(yán)格按照分節(jié)制作、分段下沉、制作與下沉交替進(jìn)行的方法進(jìn)行，開挖嚴(yán)格按照先中間后預(yù)留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點(diǎn)的順序進(jìn)行，以確保沉井開挖、下沉對稱、勻速。砂礫料采用挖掘機(jī)開挖，塔機(jī)井內(nèi)吊渣至EL1589 平臺(tái)臨時(shí)堆渣場，裝載機(jī)裝15t 自卸汽車運(yùn)往5號棄渣場，刃腳以外孤石開挖采用手風(fēng)鉆造孔，弱爆破解小后采用塔機(jī)集中吊運(yùn)、井外集中出渣的方法。

在后續(xù)施工中刃腳底部孤石清理采取以液壓油錘為主，輔以手風(fēng)鉆造孔小藥量爆破的方式施工，盡量避免爆破對沉井的振動(dòng)及突然下沉，讓沉井下沉的速度、單次下沉高度在可控的范圍之內(nèi)。孤石單次清理高度控制在0.20～0.30m 范圍內(nèi)，在清理完已承重孤石之前禁止開挖刃腳底部的軟弱土層或砂礫料，盡量確保沉井在刃腳底部孤石清理完成后受力點(diǎn)均在軟弱土層或砂礫料上，并且刃腳靠沉井中心線一側(cè)必須有足夠厚度的未擾動(dòng)巖層承受由于沉井自重產(chǎn)生的側(cè)向壓力。

圖8 漂卵礫石地層不同下沉深度開挖刃腳下方土體寬度計(jì)算結(jié)果

結(jié)合現(xiàn)有施工機(jī)具和圖8 不同下沉深度開挖刃角下方土體寬度數(shù)據(jù)圖，分析土體承重能力，在后續(xù)施工過程中刃腳內(nèi)側(cè)土體必須預(yù)留寬2.0m的平臺(tái)，平臺(tái)開挖隨刃腳底部開挖同時(shí)進(jìn)行，平臺(tái)與沉井中部開挖面高差控制在0.5～1.0m 范圍內(nèi)。沉井開挖施工程序和方法見圖9。

圖9 沉井開挖施工程序和方法示意圖

7 沉井下沉測量控制與觀測方法

后續(xù)沉井施工中，在沉井外部地面及井壁頂部設(shè)置縱橫十字中心線和水準(zhǔn)基點(diǎn)，井筒內(nèi)作出垂直軸線的標(biāo)記，各吊線墜逐個(gè)對準(zhǔn)其下部的標(biāo)板以控制垂直度，在沉井下沉?xí)r對其位置、垂直度及標(biāo)高(沉降值)進(jìn)行跟蹤觀測，并在沉井施工平臺(tái)布設(shè)下沉高度觀測水平管路(見圖10)，管路距離沉井外壁大于0.5m，環(huán)向主管路采用4 分PVC 管，觀測管采用透明塑料管，配合井壁監(jiān)測墨線標(biāo)尺(見圖11)實(shí)時(shí)監(jiān)測沉井姿態(tài)，保證沉井安全、勻速、平穩(wěn)下沉。

圖10 沉井下沉姿態(tài)觀測管路布置

圖11 沉井井壁監(jiān)測墨線標(biāo)尺

根據(jù)沉井下沉到設(shè)計(jì)高程后最終測量觀測成果，中心偏移為46.3cm、傾斜角度為0025'18″，均符合設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié) 語

按照專家們的有限元模擬數(shù)據(jù)和后續(xù)技術(shù)要求，項(xiàng)目部加強(qiáng)和完善沉井監(jiān)測方案和觀測方法，提高測量監(jiān)測工作的頻率及效率，及時(shí)提供、上報(bào)沉井施工過程中的測量監(jiān)測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確掌握沉井下沉過程中的姿態(tài)，及時(shí)采取糾偏措施，調(diào)整施工方法及開挖下沉施工的先后順序，預(yù)留土體寬度，嚴(yán)格按照方案及相關(guān)規(guī)程、規(guī)范及圖紙要求施工、控制，保證了沉井安全、勻速、平穩(wěn)下沉65m。

1 吳高見，姜凌宇，等.軟弱地質(zhì)豎井中大型沉井施工方法:中國，201110426492·7［P］.2012-03-15.

2 全國水利水電工程施工技術(shù)信息網(wǎng)組.水利水電工程施工手冊第3 卷:混凝土工程［M］.北京:中國電力出版社，2002.