淺談不良地質(zhì)條件下的豎井開挖及支護施工工藝

沈波

摘 要：巴基斯坦NJ水電站項目的豎井深353.20 m，且地質(zhì)條件差，屬于典型的不良地質(zhì)條件下的長深度豎井施工，施工過程中，安全和質(zhì)量控制難度大。文章從施工工藝選擇、不良地質(zhì)條件下的施工原則和施工程序等方面，對NJ水電站項目豎井開挖施工實施過程進行了介紹，供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：不良地質(zhì) 豎井 開挖 施工工藝

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0035-02

1 工程概況

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電站（N-J水電站）是一座位于巴控克什米爾地區(qū)尼魯姆河上的長隧洞引水式水電站，總裝機容量為969 MW。

項目的調(diào)壓豎井上部與引水調(diào)壓洞相連，下部與引水洞以一條55 m長的下調(diào)壓平洞相連。豎井設計開挖斷面為圓形，開挖直徑10.70 m，上井口高程950.00 m，下井口高程596.80 m，豎井深353.20 m，后期鋼筋混凝土全斷面襯砌。

豎井圍巖絕大部分為砂巖、泥質(zhì)砂巖和頁巖，內(nèi)含石英石脈，巖層傾向為NW320-350°，傾角為NE45-86°；砂巖一般比較堅硬和新鮮；小規(guī)模的斷層和層間過渡的泥化夾層較發(fā)育，且伴有豐富的地下水。圍巖中Ⅱ～Ⅲ類圍巖占45%，Ⅳ～Ⅴ類圍巖占55%，整體穩(wěn)定性較差。

2 施工工藝選擇

豎井開挖一般采用的方式是先開挖導井，后擴挖至設計斷面。主要的導井開挖方法有反井鉆機法、爬罐法、吊罐法和普通法等[1]。

由于該項目的圍巖整體穩(wěn)定性較差，豎井斷面較大，且豎井深度較大，施工難度大，采用一般施工方式安全隱患較大，經(jīng)綜合考慮該豎井的施工特點及施工要求，決定采用反井鉆機法施工導井，選用BMC400型反井鉆機，配380 m鉆桿，先開挖直徑為φ1.65 m的導井，再采用鉆爆法自上而下分層將導井擴挖至設計開挖斷面，最后采用滑膜自下而上澆注豎井混凝土。

3 開挖支護施工

3.1 不良地質(zhì)條件下的施工原則

（1）導孔施工過程中，及時采用固壁措施，避免由于巖體破碎塌孔。若遇到100%沖洗水損失時，可能遇到較大的裂隙或斷層，及時采用灌漿處理。

（2）為預防塌方，按照“短進尺、弱爆破和強支護”的原則施工，嚴格控制擴挖循環(huán)進尺尺寸，每循環(huán)擴挖后必須跟進相應的噴錨支護。

（3）避免爆破出現(xiàn)的大塊石堵塞導井，爆破嚴格遵循“多打孔、少裝藥和周邊光爆”的原則施工，并根據(jù)爆破效果及時優(yōu)化和完善爆破參數(shù)，控制爆炸粒徑。

3.2 施工程序

該項目豎井施工分3階段進行：首先采用反井鉆機在豎井中心線上開挖一個直徑φ1.65 m的導井；再采用鉆爆法自上而下分層將導井擴挖至10.70 m設計開挖斷面；最后采用滑膜自上而下澆注豎井混凝土。詳細施工程序如下。

豎井開挖施工準備→反井鉆機基礎混凝土施工→反井鉆機安裝調(diào)試→反井鉆機施工φ270 mm導孔→反井鉆機反擴φ1.65 m導井→豎井擴挖→擴挖提升設備安裝→豎井終斷面分層擴挖支護施工→豎井施工結(jié)束。

（1）豎井開挖施工準備。

豎井開挖前完成調(diào)壓隧洞下段開挖支護和引水調(diào)壓連接洞的開挖支護工作；對上井口附近的調(diào)壓隧洞進行適當擴大并加強支護，對下井口附近的引水調(diào)壓連接洞圍巖采取加強支護；做好調(diào)壓隧洞的排水工作，在距離豎井50 m左右，設置一個12 m3的集水井；將風、水、電等管線接至豎井上井口附近。

（2）測量放樣。

采用全站儀由專業(yè)測量人員進行測量，包括豎井中心線、井底高程、設計輪廓線、鉆孔孔位和終斷面測量等。隨著豎井開挖支護深度增加，在井壁每隔20 m設一樁號標志。另通過在豎井上方安裝激光準直儀聯(lián)合重錘控制豎井開挖的中心偏差，擴挖期間用卷尺測量和控制開挖輪廓線。

（3）反井鉆機安裝調(diào)試。

清理豎井上井口的松動巖石后，在井口中心澆注一個長5.4 m、寬2.5 m、厚0.5 m的B級混凝土基礎，并預埋固定基座的螺栓?；A混凝土達到一定強度后，安裝反井鉆機及其附屬設施。反井鉆機的安裝必須確保水平精度，以確保導井精度誤差控制在1%以內(nèi)。

（4）導孔鉆進施工。

鉆機安裝調(diào)試就位后，即開始自上而下鉆進φ270 mm的導孔。開孔時采用“短鉆桿、低軸壓、低鉆速和間斷推進”的方式，配合使用扶桿器扶住鉆桿和接入穩(wěn)定器保證導向精度。距第一個穩(wěn)定器7～8 m時接入第二個穩(wěn)定器，隨后每隔15～20 m裝一個穩(wěn)定器[2]。鉆孔深度達到50 m時開始啟用液壓減壓鉆進系統(tǒng)，隨鉆孔深度的增加，加大減壓壓力，將施加在鉆頭上的軸壓維持在一個理想值，保持上述方法鉆進，直至貫穿連接洞頂拱。

導孔鉆進過程中配備滿足導井施工精度要求的測斜儀進行測斜，按照反井鉆機使用說明中的措施糾偏。

（5）導井施工。

導孔鉆通后，換好φ1.65 m擴孔刀頭，將擴孔刀頭提至欲擴巖面，反復采用“小軸壓、低轉(zhuǎn)速和間斷推進”方式，直至巖面全部刮平，即所有滾刀均接觸巖面后，則按正常拉力擴孔。對導井上口的反井鉆機基座混凝土，刀具無法擴挖時，再拆除反井鉆機后改用爆破法挖除。

反擴期間落在連接洞底板上的石渣采用3.0 m3側(cè)卸裝載機挖裝，15 t自卸汽車運輸至洞外渣場堆放。

（6）豎井擴挖。

導井開挖支護完成后，將豎井擴挖支護至設計開挖斷面。擴挖以導井為中心，采用鉆爆法自上而下分層實施：上井口4.5 m深度范圍內(nèi)分3層，每層高度1.5 m；中間段分層，每層高度為2.0 m；距離下井口4～5 m范圍內(nèi)只分1層。擴挖1層必須跟進支護1層。

采用YT28型氣腿鉆造爆破孔和錨桿孔，孔徑為φ42 mm。豎井鉆孔爆破遵循“多打孔、少裝藥和周邊光爆”原則，降低大塊巖石的產(chǎn)生和保證井壁成型質(zhì)量。

（7）鎖口及提升系統(tǒng)安裝。

在豎井擴挖至6～8m深度時，暫停豎井擴挖，對豎井井口澆筑一圈鋼筋混凝土進行鎖口，避免井口圍巖因沒有壓重而產(chǎn)生松動和滑落。鎖口混凝土高度為2.4 m，厚度0.45 m，混凝土等級為C級。

施工材料和機具上下豎井的提升系統(tǒng)在反井鉆機拆除后安裝，擴挖期間豎井內(nèi)材料和機具采用集裝箱運輸。在施工鎖口混凝土及等待強度期間，安裝人員提升的有軌電梯和人行爬梯。

（8）出渣。

每循環(huán)爆破后，豎井內(nèi)作業(yè)平臺上的石渣采用0.5 m3反鏟扒渣，石渣通過導井落入下部的連接洞內(nèi)。待豎井內(nèi)扒渣工作完成，蓋上導井井蓋，再連接洞內(nèi)出渣，出渣采用3 m3裝載機挖裝，15T自卸汽車運輸至洞外渣場棄料或有用料場存放。

（9）支護。

清理完開挖面浮石、石渣或堆積物，用高壓風水沖洗受噴面后，采用混凝土噴射機對豎井開挖面噴一層5～6 cm厚的混凝土作為初始支護。

豎井擴挖支護錨桿全部采用L=5 m的全注漿非脹殼式錨桿，環(huán)向間距為1.2 m，豎向間距為1 m。非脹殼式錨桿施工采用“先注漿后插桿”的施工程序。

在開挖過程中，如遇到較大的裂隙、斷層和較大滲水時，及時采用灌漿處理。

（10）混凝土襯砌。

對于豎井下部井身（高度80 m左右）的混凝土襯砌，利用下方的連接洞作為施工通道，采用豎井滑膜配高壓砼輸送泵機澆筑；對于豎井中上部井身（高度為80 m以上部分）的混凝土襯砌，則利用A8支洞和引水調(diào)壓洞下段作為施工通道，采用豎井滑模配BOX管澆筑。

4 質(zhì)量、安全及環(huán)保措施

4.1 質(zhì)量保證措施

（1）嚴格按設計圖紙、設計修改通知及相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行施工。

（2）采用先進的測量儀器和科學的測量控制手段，提高測量精度，每次爆破后均進行開挖掘進細部放樣。

（3）在開挖過程中，根據(jù)圍巖變化情況及修正爆破參數(shù)，在不良地質(zhì)豎井段，采用小藥量爆破，以確保圍巖的穩(wěn)定。

（4）鉆孔嚴格按照設計鉆爆圖施工，各鉆手分區(qū)、分部位定人定位鉆孔，每排炮按“平、直、齊”的要求進行檢查。

（5）施工過程中及時測繪開挖斷面，必要時進行復測，每循環(huán)進行測量放樣時，均對上一循環(huán)開挖斷面進行規(guī)格檢查，并將超欠挖情況及時通知鉆爆人員，以便對鉆孔角度進行調(diào)整，減少超挖，對欠挖部位及時進行處理，確保洞室的開挖尺寸和規(guī)格滿足設計要求。

（6）支護作業(yè)嚴格按照有關(guān)的施工規(guī)范、規(guī)程進行。錨桿的安裝方法，包括鉆孔、錨桿固定和注漿工藝，均須經(jīng)過現(xiàn)場質(zhì)量人員的檢查。

4.2 安全保證措施

（1）為防止洞室坍塌，開挖不良地質(zhì)段時，按照“先超前支護、短進尺（L≤2.0 m）開挖、弱爆破和一掘一支護”的原則施工，盡量減少對圍巖的擾動。

（2）在不良地質(zhì)豎井段開挖支護施工過程中，必須加強井內(nèi)作業(yè)面的燈光照明。

（3）施工期間，對各部分支護進行定期檢查，一旦發(fā)現(xiàn)圍巖或支護變形異常，及時通知人員設備撤離危險區(qū)并及時報告。噴射混凝土層的異常裂縫作為主要安全檢查項目，經(jīng)常進行觀察與檢查，并作為施工危險信號引起高度警惕。

（4）加強施工現(xiàn)場火工材料管理，嚴格按規(guī)程規(guī)范要求從事爆破作業(yè)。

（5）定期檢查和維護提升機具和設備，確保運行安全可靠。

4.3 環(huán)保措施

（1）施工期間，保證施工設備停放整齊有序，施工材料堆放合理，設備性能安全可靠；固體廢棄物設置固定堆放點，并安排專人管理；操作人員證件齊全，規(guī)范操作。

（2）施工期間，對施工現(xiàn)場道路勤灑水，防止揚塵。

（3）爆破后，確保洞內(nèi)通風質(zhì)量，防止各種粉塵、廢氣等污染施工環(huán)境，并采取有效措施減低噪聲、振動等污染環(huán)境和促進施工人員的身心健康。

5 結(jié)語

近年來，隨著國內(nèi)外長隧洞引水式水電站項目的逐步開發(fā)建設，豎井的施工也越來越多，其施工工藝也日益成熟，但不良地質(zhì)情況下的長深度的豎井施工仍是一個難點。隨著當前科學技術(shù)的日益發(fā)達，將現(xiàn)代化科技、高科技含量的施工工藝和施工設備運用到豎井施工中，也是解決不良地質(zhì)條件下長深度豎井施工的有效方法。

參考文獻

[1] 余景波.不良地質(zhì)條件下反井鉆機在豎井開挖中的應用[J].河南水利與南北水調(diào)，2015（16）：32-34.

[2] 宋海亮.引水隧洞豎井開挖及支護施工方案[J].技術(shù)與市場，2015（12）：165-166.