豎井開挖支護(hù)及混凝土襯砌施工工法技術(shù)

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650051)

豎井開挖支護(hù)及混凝土襯砌施工工法技術(shù)

劉偉熊富有

(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650051)

水電站豎井施工利用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井施工，根據(jù)實(shí)際情況分一次或兩次采用正井法或正井法與反井法相結(jié)合的施工方法擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面，最終利用滑模從下而上全斷面一次澆筑成型。豎井施工采用上述施工方法能夠加快施工速度，減少安全隱患，獲得較好的施工質(zhì)量，代表目前最先進(jìn)的施工方法。

水利水電工程；豎井；開挖支護(hù)；混凝土；滑模

1 豎井施工技術(shù)概述

1.1 豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)概述

豎井開挖施工方法有全斷面一次開挖法和導(dǎo)井開挖法兩種方式，其中傳統(tǒng)導(dǎo)井開挖法開挖方式有正井法、正反井結(jié)合法、深孔爆破法、吊罐法、爬罐法[1-2]。反導(dǎo)井施工通常采用吊罐法、爬罐法或普通掘進(jìn)反井法，傳統(tǒng)導(dǎo)井法施工目前在水利水電工程中應(yīng)用比較普遍，施工工藝較為成熟，但需要人員及設(shè)備至開挖掌子面進(jìn)行鉆爆施工，因此在施工過程中不可避免存在安全隱患，而通風(fēng)散煙困難，進(jìn)度也容易受限制[3]。反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工，于1950年在北美首先發(fā)展，20世紀(jì)60年代中期，這種方法在歐洲，特別是德國(guó)受到歡迎。中國(guó)自20世紀(jì)70年代開始研制反井鉆機(jī)，先后在媒炭和冶金系統(tǒng)中應(yīng)用。1992年水電系統(tǒng)第一次引進(jìn)反井鉆機(jī)并迅速推廣使用，目前反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井法已廣泛用于豎井實(shí)際施工中，技術(shù)成熟，工藝完備[4]。

地下式豎井開挖前先開挖支護(hù)完成井口及井底通道，敞口式豎井開挖前開挖支護(hù)完成井底通道，然后在井口豎井設(shè)計(jì)中心位置安裝反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井導(dǎo)井施工，導(dǎo)井施工先利用反井鉆機(jī)自上而下施工導(dǎo)孔，導(dǎo)孔貫通后在豎井底部安裝反拉鉆頭，將導(dǎo)孔自下而上反拉至直徑為1.4m或更大。導(dǎo)井施工完成后根據(jù)圍巖情況及設(shè)計(jì)開挖洞徑等因素采用一次或兩次將導(dǎo)井?dāng)U至設(shè)計(jì)斷面。其中一次擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面采用自上而下方式；兩次擴(kuò)挖中第一次采用自下而上方式，第二次采用自上而下方式擴(kuò)至設(shè)計(jì)斷面。

1.2 豎井襯砌施工技術(shù)概述

豎井混凝土襯砌最早利用腳手架固定組合鋼模板進(jìn)行澆筑，襯砌的方法有兩種，一種是隨著掌子面的掘進(jìn)，搭設(shè)腳手架，邊掘邊襯；第二種是將豎井開挖完成后從井底邊搭設(shè)腳手架邊澆筑混凝土。以上兩種方法均存在澆筑效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工縫較多等缺點(diǎn)，在深度較大的豎井襯砌中，利用該法襯砌豎井混凝土已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在施工進(jìn)度要求，隨著滑模技術(shù)的出現(xiàn)，采用滑模襯砌豎井混凝土成為可能，經(jīng)過近20年的發(fā)展，水電站地下廠房豎井滑模襯砌施工技術(shù)日趨成熟[5]。從材料的運(yùn)輸，滑模的安裝、滑升、拆除及混凝土抹面收光、養(yǎng)護(hù)等方面均實(shí)現(xiàn)程序化、流水化作業(yè)，且各道工序間相互不影響，使得豎井混凝土的襯砌速度和質(zhì)量均有了空前的提高[6]。

2 豎井施工工藝原理

2.1 豎井開挖支護(hù)施工工藝原理

地下廠房豎井導(dǎo)井施工完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)開挖斷面、地質(zhì)條件等因素考慮是否進(jìn)行一次擴(kuò)挖，設(shè)計(jì)開挖斷面大或地質(zhì)條件較好，采用反井法將導(dǎo)井一次擴(kuò)挖擴(kuò)至直徑3～3.5m，然后再利用正井法將豎井?dāng)U挖至設(shè)計(jì)斷面。設(shè)計(jì)開挖斷面小或地質(zhì)條件較差則直接利用正井法將導(dǎo)井全斷面擴(kuò)至設(shè)計(jì)斷面，豎井未經(jīng)一次擴(kuò)挖進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖施工時(shí)要采取措施防止爆破石渣堵塞導(dǎo)井。一次擴(kuò)挖及全斷面擴(kuò)挖(或二次擴(kuò)挖)均在豎井井口布置提升系統(tǒng)，施工人員、材料及小型機(jī)具均通過吊籠運(yùn)至作業(yè)面。

2.2 豎井混凝土襯砌施工工藝原理

豎井滑模通過千斤頂沿爬桿爬升而頂升模板裝置襯砌混凝土,混凝土經(jīng)安裝固定于井壁的溜管輸送至作業(yè)面，為防止混凝土在溜管中發(fā)生骨料分離，溜管每隔10～15m安裝一個(gè)緩降器。鋼筋、爬桿及其他工器具和人員通過吊籠送至作業(yè)面。爬桿采用1.5寸(1寸=3.333cm)鋼管制作，爬桿接頭處通過螺紋連接?；炷寥雮}經(jīng)振搗后達(dá)到起滑條件(倉內(nèi)混凝土面距離模板頂部30cm左右)，啟動(dòng)液壓千斤頂提升滑模裝置，位于滑模底部抹面平臺(tái)上的施工人員立即對(duì)新露出的混凝土成型面采用原漿進(jìn)行抹面收光處理，布置于抹面平臺(tái)底部的養(yǎng)護(hù)水管(花管)不間斷噴水對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3 豎井施工流程及方法

地下廠房豎井開挖支護(hù)施工包括導(dǎo)井(含導(dǎo)孔)施工、擴(kuò)挖井口設(shè)施施工、一次擴(kuò)挖施工及全斷面擴(kuò)挖與支護(hù)施工。混凝土襯砌施工包括滑模的安裝、拆除，鋼筋綁扎，混凝土下料、入倉、振搗，模板的滑升與混凝土抹面收光、養(yǎng)護(hù)等內(nèi)容。

3.1 地下廠房豎井開挖支護(hù)施工

3.1.1 豎井導(dǎo)孔施工

目前水電站地下廠房豎井導(dǎo)井施工采用的反井鉆機(jī)一般為L(zhǎng)M型，具體型號(hào)根據(jù)井深值確定，成型后的導(dǎo)孔一般比鉆桿直徑大5cm左右。反井鉆機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水龍頭，后者將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，破巖采用鐮齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng)，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆導(dǎo)孔時(shí)碎屑沿鉆桿與孔壁間的空間由洗井液提升到井口循環(huán)水池中，經(jīng)沉淀后從水池中掏出運(yùn)走[7]。采用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井導(dǎo)孔施工工藝流程圖如圖1所示。反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工照片如圖2所示。

圖1 豎井導(dǎo)孔(反井鉆機(jī))施工工藝流程

圖2 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工照片

導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中隨著鉆進(jìn)逐節(jié)加長(zhǎng)鉆桿，導(dǎo)孔鉆透后，停止泥漿循環(huán)，但鉆機(jī)不能停轉(zhuǎn)，向進(jìn)水孔加清水，直到鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，扭矩變化不大時(shí)停鉆。停鉆后安裝反拉鉆頭準(zhǔn)備導(dǎo)井反拉。

3.1.2 豎井導(dǎo)井施工

反井鉆機(jī)鉆通導(dǎo)孔后，在豎井底部安裝擴(kuò)孔鉆頭，進(jìn)行導(dǎo)井的擴(kuò)孔施工。導(dǎo)井施工按照開孔、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、完孔、拆機(jī)、出渣的流程組織施工。

當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石,然后停止上提,用最低轉(zhuǎn)速(5～9rpm)旋轉(zhuǎn),并慢慢鉆進(jìn),保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊破壞,待刀齒把凸出的巖石破碎后繼續(xù)鉆進(jìn)。開始擴(kuò)孔時(shí),下部設(shè)觀察人員將情況及時(shí)通知操作人員,待鉆頭全部均勻接觸巖石后正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

3.1.3 豎井一次擴(kuò)挖施工

設(shè)計(jì)開挖斷面直徑在8m以上且地質(zhì)條件較好的豎井有必要進(jìn)行一次擴(kuò)挖施工，一次擴(kuò)挖采用反井法施工，將導(dǎo)井直徑擴(kuò)至3～3.5m，能夠很大程度減小全斷面開挖施工時(shí)的扒渣量，并杜絕全斷面擴(kuò)挖導(dǎo)井堵井的風(fēng)險(xiǎn)。豎井導(dǎo)井一次擴(kuò)挖施工工藝流程如圖3所示。

圖3 豎井一次擴(kuò)挖施工工藝流程

地下廠房豎井一次擴(kuò)挖時(shí)在井口安裝吊籠提升系統(tǒng)，吊籠由鋼絲繩通過絞車牽引提升，井口安裝井架，井架頂部布置轉(zhuǎn)向滑輪，提升鋼絲繩經(jīng)井架頂部轉(zhuǎn)向滑輪導(dǎo)向后提升吊籠。施工人員乘吊籠沿導(dǎo)井下至豎井底部，從下到上采用反井法對(duì)豎井進(jìn)行一次擴(kuò)挖，擴(kuò)挖時(shí)鉆工站在吊籠中進(jìn)行打鉆、裝藥等工作。地下廠房豎井一次擴(kuò)挖施工示意圖如圖4所示。

圖4 地下廠房豎井一次擴(kuò)挖施工示意圖

3.1.4 豎井全斷面開挖(二次擴(kuò)挖)支護(hù)施工

對(duì)于設(shè)計(jì)開挖斷面不大的豎井，可以不用進(jìn)行一次擴(kuò)挖。地質(zhì)條件較差的豎井由于成型后的導(dǎo)井井壁圍巖破碎、危石較多，對(duì)該井壁進(jìn)行支護(hù)比較困難，利用吊籠在導(dǎo)井中人工對(duì)豎井進(jìn)行一次擴(kuò)挖風(fēng)險(xiǎn)較大，不具備一次擴(kuò)挖施工的條件。上述兩種情況下不進(jìn)行一次擴(kuò)挖，而在反井鉆將導(dǎo)井反拉成型后，直接全斷面正井法進(jìn)行擴(kuò)挖支護(hù)施工。為減少這種情況下堵井的風(fēng)險(xiǎn)，除通過爆破參數(shù)控制爆破塊石的最大塊徑外，也可以利用現(xiàn)有設(shè)備，在反井鉆機(jī)反拉時(shí)安裝大的鉆頭，盡量使導(dǎo)井的成型直徑較大。

具備一次擴(kuò)挖條件的豎井完成一次擴(kuò)挖后，從井口開始正井法二次擴(kuò)挖，二次擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)開挖洞徑，不管豎井是否經(jīng)過一次擴(kuò)挖施工，在按照設(shè)計(jì)開挖斷面進(jìn)行最終全斷面擴(kuò)挖施工時(shí)，其施工方法、流程均一致。豎井全斷面開挖支護(hù)施工流程如圖5所示。

圖5 豎井全斷面開挖支護(hù)施工流程

豎井全斷面開挖支護(hù)施工時(shí)，先擴(kuò)挖豎井上井口5m，澆筑一期鎖口混凝土，然后再向下擴(kuò)挖15m后安裝井口施工平臺(tái)及提升系統(tǒng)。吊籠利用一臺(tái)雙筒絞車用兩根鋼絲繩同步牽引，井蓋利用一臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行牽引，井蓋為施工人員在掌子面上進(jìn)行打鉆、支護(hù)、裝藥時(shí)封堵導(dǎo)井井口的防護(hù)設(shè)施，在進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)利用卷揚(yáng)機(jī)提升至爆破飛石影響區(qū)外(距離爆破面約30m)，在爆破提升時(shí)將掌子面上所有設(shè)備及施工用風(fēng)、水、電管路等全部放至井蓋上一同提升至爆破飛石影響區(qū)外。吊籠作為施工人員、設(shè)備、材料等上、下井的運(yùn)輸設(shè)備。豎井全斷面開挖支護(hù)施工示意圖(提升系統(tǒng)布置圖)如圖6所示，豎井全斷面開挖支護(hù)井口提升系統(tǒng)布置照片如圖7所示，全斷面開挖支護(hù)施工照片如圖8所示。

圖6 豎井全斷面開挖支護(hù)施工(提升系統(tǒng)布置)示意圖

圖7 豎井全斷面開挖支護(hù)井口提升系統(tǒng)布置照片

圖8 豎井全斷面開挖支護(hù)施工照片

3.2 地下廠房豎井混凝土襯砌施工

與常規(guī)腳手架分段澆筑施工方法相比，采用滑模澆筑豎井混凝土具有一次澆筑成型、施工速度快、無施工縫、表觀質(zhì)量好、周轉(zhuǎn)材料消耗少、節(jié)省大量拉筋和架立筋、大幅減少施工腳手架搭設(shè)工程量等優(yōu)點(diǎn)。因此，在水電工程中，對(duì)于深度較大的豎井選用滑模進(jìn)行混凝土襯砌施工是最好的選擇[8-9]。

3.2.1 施工流程

采用滑模澆筑地下豎井混凝土?xí)r，從下往上進(jìn)行澆筑，澆筑至井口拆除滑模，施工流程如圖9所示，滑模安裝施工照片如圖10所示。

圖9 豎井滑?；炷烈r砌施工流程

圖10 豎井滑模安裝施工照片

3.2.2 施工方法

a. 提升系統(tǒng)布置。吊籠提升系統(tǒng)的布置與二次擴(kuò)挖提升系統(tǒng)基本相同，為減少后期施工不必要的改動(dòng)，豎井提升系統(tǒng)的布置要根據(jù)豎井各階段施工的特點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮，盡量做到各階段施工時(shí)其提升系統(tǒng)不做改動(dòng)或改動(dòng)較小就可繼續(xù)使用，以節(jié)省時(shí)間和資源。

為防止吊籠提升鋼絲繩斷裂后吊籠沿豎井墜落，造成施工人員傷亡，吊籠上安裝防墜系統(tǒng)，制動(dòng)鋼絲繩一端固定在井口井架上，另一端固定在豎井井底底板上。豎井滑?；炷烈r砌施工示意圖如圖11所示，豎井滑模襯砌混凝土施工照片如圖12所示。

圖11 豎井滑?；炷烈r砌施工示意圖

圖12 豎井滑模襯砌混凝土施工照片

b. 混凝土輸送系統(tǒng)布置。采用滑模澆筑地下廠房豎井混凝土?xí)r，利用混凝土攪拌運(yùn)輸車將混凝土運(yùn)至豎井井口，然后經(jīng)溜槽溜至集料斗，集料斗固定在井口施工平臺(tái)上，集料斗底部與混凝土溜管相連，為防止混凝土在溜管中垂直輸送時(shí)發(fā)生骨料分離，溜管每隔10～15m安裝一個(gè)緩降器，溜管間及溜管和緩降器間采用法蘭通過螺栓連接，在靠近滑模處的溜管端頭利用鐵絲綁扎安裝竹節(jié)桶，竹節(jié)桶底部安裝溜槽，溜槽將混凝土輸送至滑模頂部中心的旋轉(zhuǎn)分料器。旋轉(zhuǎn)分料器出料口可通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤繞其支座中心轉(zhuǎn)動(dòng)，沿豎井滑模圓周倉面均布一定數(shù)量溜槽，混凝土下料入倉時(shí)通過人工轉(zhuǎn)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)分料器出料口轉(zhuǎn)至各個(gè)溜槽，均勻下料。

c. 滑模正?；凉仓炷?。

? 鋼筋加工、運(yùn)輸、安裝。鋼筋表面應(yīng)潔凈，不應(yīng)有污垢、油漬、漆垢及其他雜質(zhì)等。鋼筋經(jīng)除銹后進(jìn)行調(diào)直，為便于井內(nèi)運(yùn)輸，鋼筋下料時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求及井內(nèi)運(yùn)輸要求，單根長(zhǎng)度控制在4～6m。鋼筋運(yùn)至井口后通過吊籠運(yùn)至襯砌作業(yè)面?；^程中，嚴(yán)格控制滑模平臺(tái)上鋼筋堆放量，以免造成過大的集中荷載而導(dǎo)致滑模偏斜。為保證鋼筋安裝的速度能夠滿足滑模襯砌的要求，鋼筋一般采用綁扎的方式。

? 爬桿安裝。爬桿采用標(biāo)準(zhǔn)的1.5寸焊管制作，單根長(zhǎng)6m。爬桿是滑模千斤頂爬升的支撐體，爬桿接頭處采用螺紋進(jìn)行連接并安裝。

? 混凝土拌制、運(yùn)輸、澆筑。拌和混凝土?xí)r必須嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室出具的混凝土配料單進(jìn)行配料，定時(shí)測(cè)定砂、石骨料的含水量。實(shí)驗(yàn)室必須進(jìn)行與滑?；俣认嗥ヅ涞幕炷脸瞿?qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)，并在施工過程中隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整?；炷了竭\(yùn)輸選用8m3混凝土攪拌車，由混凝土攪拌車將混凝土運(yùn)至井口，通過安裝在井壁帶有緩降器的8寸溜管將混凝土溜至井下分料平臺(tái)上的中心旋轉(zhuǎn)分料器，再通過溜槽溜至倉面內(nèi)。

? 滑?；??；某醮位：笫┕まD(zhuǎn)入正?；瑧?yīng)保持連續(xù)施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件確定合理的滑升速度和分層澆筑厚度，日滑升高度控制在5～7m。

? 抹面收光?；５撞吭O(shè)計(jì)有專門的抹面平臺(tái)，施工人員在抹面平臺(tái)上對(duì)每次滑模爬升后初露出模板的混凝土立即用人工采用原漿進(jìn)行抹面。

? 混凝土養(yǎng)護(hù)。混凝土養(yǎng)護(hù)設(shè)置在抹面平臺(tái)底部，沿周邊布置一趟花管通水養(yǎng)護(hù)。

豎井滑?；炷翝仓瓿墒┕ふ掌鐖D13所示。

圖13 豎井滑?；炷翝仓瓿墒┕ふ掌?/p>

4 結(jié) 語

在豎井工程施工過程中，根據(jù)工程施工特點(diǎn)，通過一系列技術(shù)創(chuàng)新工作，圓滿完成了工程施工任務(wù)，其施工過程中采用的施工方法和技術(shù)是對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有豎井施工技術(shù)的一種提高，確保了工程施工質(zhì)量及安全。工程施工技術(shù)人員通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采用的施工方法與技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，申請(qǐng)并上報(bào)“地下廠房豎井開挖支護(hù)及混凝土襯砌施工工法”的工法，該工法被中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)授予2016年度施工工法，工法成果的形成將進(jìn)一步推進(jìn)該施工技術(shù)在水電工程豎井施工中的應(yīng)用。

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Shaftexcavationsupportandconcreteliningconstructiontechnique

LIU Wei, XIONG Fuyou

(SinhydroBureau14Co.,Ltd.，Kunming650051,China)

A raise-boring machine is utilized for pilot well construction during shaft construction of hydropower station. Upright well method or upright well and back well combination construction method is adopted for excavation expansion to the designed cross section in one time or two times according to concrete condition. Slip form is finally utilized for full-section one-time pouring and shaping from top to bottom. The above construction method is adopted for shaft construction for accelerating the construction speed, reducing safety hidden danger, and obtaining excellent construction quality. It represents the most advanced construction methods at present.

water conservancy and hydropower engineering; shaft; excavation support; concrete; slip form

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.024

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