小斷面深豎井開(kāi)挖及一次支護(hù)施工技術(shù)

張 峰

（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局 山西太原 030002）

1 小浪底出水豎井工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，工程干線自小浪底庫(kù)區(qū)取水，工程年引水量為2.47億m3，設(shè)計(jì)流量20 m3/s，泵站總裝機(jī)容量為8.4萬(wàn)kW。

出水豎井布置在出水壓力管道末端，出水豎井出口高程為492.72 m，出水豎井總深度為283.92 m。將出水豎井分為三段：鎖口段、豎直段和下彎段。其中，鎖口段井深22.72 m（EL492.72～EL470），豎直段井深238.60 m（高程 EL470.00～EL231.40），下彎段井深22.60 m（高程 EL231.40～EL208.80），如圖 1 所示。豎井?dāng)嗝鏋閳A形，鎖口段開(kāi)挖直徑D=6.5 m，豎直段III類(lèi)圍巖開(kāi)挖直徑D=5.4 m，IV、V類(lèi)圍巖開(kāi)挖直徑D=5.5 m。出水豎井襯砌后斷面直徑D=4 m。

2 施工重難點(diǎn)

1）出水豎井?dāng)嗝嫘?、井深，豎井開(kāi)挖施工難度大，在下部壓力管道未貫通前，擬先對(duì)豎井EL492.72～EL440.72處的52 m采用正井法開(kāi)挖，待底部出水壓力管道貫通后，再采用反井鉆機(jī)法開(kāi)挖剩余部分。

2）出水壓力管道斷面?。ㄩ_(kāi)挖斷面為高5.35 m，寬5.5 m的城門(mén)洞型），且出水壓力管道平洞段與出水豎井相交為圓弧轉(zhuǎn)彎段，為方便豎井出渣，須對(duì)豎井底部出水壓力管道頂拱擴(kuò)挖至高程EL219.00 m，對(duì)圓弧轉(zhuǎn)彎段進(jìn)行擴(kuò)挖，將底部擴(kuò)挖成直角轉(zhuǎn)彎，并在出水壓力管道平洞靠近豎井部位設(shè)置錯(cuò)車(chē)道，以便出渣設(shè)備裝渣，在后期壓力管道安裝完成后采用與壓力管道同標(biāo)號(hào)外包混凝土進(jìn)行回填。

圖1 小浪底出水豎井結(jié)構(gòu)圖

3）豎井高度高，施工質(zhì)量、安全問(wèn)題突出。由于出水豎井深度較深，豎井井口地質(zhì)條件較差，為保證出水豎井開(kāi)挖施工安全，在豎井鎖口段開(kāi)挖過(guò)程中，采取邊開(kāi)挖邊澆筑鎖口混凝土的方式進(jìn)行施工。同時(shí)，由于豎井反井開(kāi)挖深度深，在反井鉆機(jī)施工過(guò)程中必須全方位對(duì)導(dǎo)井鉆孔精度控制，保證豎井導(dǎo)井開(kāi)挖施工精度，防止導(dǎo)井偏移；在開(kāi)挖期間人員上下、高空掉物等施工安全問(wèn)題突出。

3 豎井施工方案

出水豎井開(kāi)挖采用正井法開(kāi)挖和反井鉆機(jī)法開(kāi)挖結(jié)合的方式進(jìn)行施工，先對(duì)豎井EL492.72～EL440.72之間的52 m進(jìn)行正井法開(kāi)挖。正井法開(kāi)挖完成后運(yùn)用反井鉆機(jī)進(jìn)行豎井導(dǎo)井施工。導(dǎo)井與出水壓力管道平洞段貫通后采用反井鉆機(jī)對(duì)直徑1.4 m的溜渣井進(jìn)行開(kāi)挖，待溜渣井形成后，采用自上而下對(duì)豎井進(jìn)行全斷面開(kāi)挖支護(hù)施工，開(kāi)挖的石渣經(jīng)溜渣井滑至豎井底部。布置如圖2所示。

3.1 豎井正井法開(kāi)挖

采用光面爆破、自上而下全斷面開(kāi)挖施工。鎖口段開(kāi)挖直徑為D=6.5 m，噴混凝土厚15 cm，鎖口混凝土厚0.5 m；鎖口段下方豎直段III類(lèi)圍巖的開(kāi)挖直徑D=5.4 m，噴混凝土厚10 cm，IV、V類(lèi)圍巖的開(kāi)挖直徑D=5.5 m，噴混凝土厚15 cm。出水豎井內(nèi)利用微型挖掘機(jī)進(jìn)行裝渣，裝入2 m3定制吊罐內(nèi)，然后用25 t汽車(chē)吊垂直吊運(yùn)出豎井，存放在臨時(shí)場(chǎng)地，然后采用裝載機(jī)二次裝車(chē)，自卸汽車(chē)運(yùn)輸至棄渣場(chǎng)。

圖2 小浪底出水豎井開(kāi)挖圖

3.2 豎井反井鉆機(jī)法開(kāi)挖

開(kāi)挖采用LM-300型反井鉆機(jī)，反井鉆機(jī)布置在井深50.0 m（高程EL442.72）處。先鉆一個(gè)直徑250 mm深221.72 m的導(dǎo)孔至豎井底部與出水壓力管道平洞段貫通（高程EL219.00），再在豎井底部安裝直徑為1.4 m的鉆頭，自下而上擴(kuò)挖至井深52 m（EL440.72）處，形成直徑1.4 m深221.72 m的溜渣井，然后自上而下對(duì)豎井進(jìn)行全斷面開(kāi)挖支護(hù)施工，開(kāi)挖的石渣經(jīng)溜渣井滑至豎井底部。

3.2.1 導(dǎo)孔鉆進(jìn)

導(dǎo)孔鉆進(jìn)的導(dǎo)孔偏斜率決定了鉆孔好壞與否，因此必須給與高度重視。通過(guò)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程的觀測(cè)以及返出巖屑的情況，可以對(duì)地層有初步的定性分析和了解，為擴(kuò)孔鉆進(jìn)、孔壁維護(hù)以及后續(xù)工作提供必要地質(zhì)參考。

1）開(kāi)孔鉆進(jìn)

開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)，必須確保導(dǎo)孔鉆頭能垂直平面開(kāi)孔，動(dòng)力頭出軸轉(zhuǎn)速為低轉(zhuǎn)速，開(kāi)孔鉆桿為加工精細(xì)的穩(wěn)定鉆桿，其直徑與250 mm的導(dǎo)孔鉆頭同等大小，在扶正器的輔助下慢速開(kāi)孔，開(kāi)孔工作結(jié)束后，開(kāi)始正常導(dǎo)孔鉆進(jìn)。

2）導(dǎo)孔鉆進(jìn)

導(dǎo)孔鉆進(jìn)動(dòng)力頭出軸轉(zhuǎn)速為高速,鉆進(jìn)過(guò)程中還需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)地層圍巖條件和鉆井深度調(diào)整合理的鉆孔壓力和扭矩，保持勻速；

（2）為防止巖渣流入泥漿池，應(yīng)及時(shí)清理導(dǎo)孔鉆進(jìn)返出的巖渣；

（3）在孔內(nèi)的巖屑全部排出前，嚴(yán)禁停泵接卸鉆桿；

（4）導(dǎo)孔貫通后，停水不停鉆機(jī)，直至鉆機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩?zé)o較大變化、鉆具上下自如方可停鉆。

3.2.2 溜渣井開(kāi)挖

導(dǎo)孔鉆通后，在豎井底部高程EL208.8處拆掉導(dǎo)孔鉆頭，并安裝直徑為1.4 m的擴(kuò)孔鉆頭自高程ZL219.00處，開(kāi)始由下而上進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔開(kāi)始前，應(yīng)先將動(dòng)力頭出軸轉(zhuǎn)速調(diào)整為低速。開(kāi)始擴(kuò)孔時(shí)，慢速上提鉆具，直到滾刀開(kāi)始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速（5～12 r/min）旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)、保證鉆頭滾刀不受過(guò)大的沖擊而破壞，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)巖渣自重落到豎井底部，然后運(yùn)出。鉆進(jìn)過(guò)程中還需注意以下幾點(diǎn)：

1）根據(jù)地層圍巖條件和鉆井深度確定擴(kuò)孔鉆壓力和扭矩，拉力一般小于20MPa，扭矩在不超過(guò)15MPa；若遇到特殊情況，可靈活掌握；

2）鉆進(jìn)過(guò)程中，如若出現(xiàn)鉆頭晃動(dòng)劇烈，扭矩出現(xiàn)起伏過(guò)大現(xiàn)象，鉆進(jìn)受阻，此時(shí)應(yīng)將鉆頭放下一定距離，多次高速旋轉(zhuǎn)，若效果不明顯，則需下放鉆頭至底進(jìn)行處理；

3）掉落到孔底的巖渣應(yīng)及時(shí)清理運(yùn)出，以防堵塞下孔口；

4）保證冷卻水正常供給，嚴(yán)禁打干孔，以防損傷刀具。

3.3 豎井?dāng)U挖

反井鉆機(jī)擴(kuò)挖后的溜渣井直徑為1.4 m，豎井開(kāi)挖斷面直徑D=5.5 m，以溜渣井為臨空面進(jìn)行擴(kuò)挖。擴(kuò)挖采用鉆爆法施工，設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊界線采用光面爆破。利用YT-28手風(fēng)鉆造孔、乳化裝藥、電雷管引爆非電管起爆。擴(kuò)挖作業(yè)由豎井上口自上而下進(jìn)行開(kāi)挖。爆破石渣采用人工清理至溜渣井，落入豎井底部采用裝載機(jī)裝渣，汽車(chē)運(yùn)渣至棄渣場(chǎng)。

1）提升設(shè)備

由于出水豎井高度高，施工難度大，在反井開(kāi)挖完成后普通汽車(chē)吊及龍門(mén)吊無(wú)法滿(mǎn)足施工要求。根據(jù)出水豎井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合后期出水壓力管道鋼管安裝及混凝土澆筑考慮，專(zhuān)門(mén)從特種設(shè)備生產(chǎn)廠家定制生產(chǎn)了通用門(mén)式起重機(jī)用于出水豎井反井開(kāi)挖。

2）石渣出運(yùn)

在出水壓力管道平洞開(kāi)挖過(guò)程中將出水壓力管道豎井底部沿轉(zhuǎn)彎段起始位置水平擴(kuò)挖至豎井側(cè)邊墻處，同時(shí)在平洞靠近豎井底部圍巖較好部位水平擴(kuò)挖一個(gè) 4 m×4 m×8 m（高×寬×長(zhǎng)）錯(cuò)車(chē)道（如圖 3所示）利于裝載機(jī)或挖掘機(jī)裝渣。在豎井?dāng)U挖過(guò)程中豎井?dāng)U挖采用挖掘機(jī)扒渣，石渣通過(guò)溜渣井自由下落至豎井底部，然后出運(yùn)；出渣完畢后，再次采用人工清除上部施工部位上殘?jiān)拔Ｊ?。開(kāi)挖石渣采用3.0 m3側(cè)卸式裝載機(jī)或1.0 m3挖掘機(jī)裝車(chē)，20 t自卸汽車(chē)出運(yùn)。

圖3 錯(cuò)車(chē)道平面布置圖

3.4 特殊地質(zhì)條件開(kāi)挖

若開(kāi)挖遇特殊地質(zhì)條件如穿過(guò)斷層破碎帶等，采取“短進(jìn)尺、弱爆破、勤支護(hù)”的方案，并根據(jù)實(shí)際情況采取鋼筋網(wǎng)噴射混凝土等施工方法支護(hù)，必要時(shí)采用設(shè)置鋼筋骨架或設(shè)置環(huán)向鋼拱架加強(qiáng)支撐并進(jìn)行噴錨支護(hù)。

3.5 支護(hù)

豎井一次支護(hù)為全斷面鋼筋掛網(wǎng)和砂漿錨桿相結(jié)合，并噴射C20混凝土。緊跟開(kāi)挖掌子面，錨桿鉆孔采用手風(fēng)鉆。

1）錨桿施工

支護(hù)施工前，豎井正井開(kāi)挖時(shí)采用挖掘機(jī)先清除開(kāi)挖表面松動(dòng)的巖塊、浮渣，豎井?dāng)U挖時(shí)采用人工乘坐吊籠對(duì)松動(dòng)巖塊進(jìn)行清除。井壁錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的方法進(jìn)行施工。在鎖口段，布設(shè)C25錨桿，長(zhǎng)度L=4.5 m，深入巖石4.0 m，間距@1.0 m×1.0 m。在鎖口段以下，對(duì)于III類(lèi)圍巖，錨桿C22錨桿，長(zhǎng)度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.5 m×1.5m；對(duì)于IV類(lèi)圍巖，錨桿C22錨桿，長(zhǎng)度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.2 m×1.2 m；對(duì)于V類(lèi)圍巖，錨桿C22錨桿，長(zhǎng)度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.0 m×1.0 m。

2）噴射混凝土施工

噴射混凝土采用“先掛網(wǎng)后噴射混凝土”的施工工藝，不良地質(zhì)和其他特殊條件下可采取“先噴5 cm混凝土后掛網(wǎng)補(bǔ)噴至設(shè)計(jì)厚度”的施工工藝。

掛鋼筋網(wǎng)：鋼筋網(wǎng)采用光面布設(shè)A8鋼筋，直接在現(xiàn)場(chǎng)編焊，間距@20 cm×20 cm，有錨桿部位與錨桿焊接固定，鋼筋網(wǎng)距離壁面3～5 cm，網(wǎng)間用鉛絲扎牢。在豎井鎖口段，C20噴射混凝土厚度為15 cm；在豎直段，對(duì)于III類(lèi)圍巖，C20噴射混凝土厚度為10 cm；對(duì)于IV、V類(lèi)圍巖，C20噴射混凝土厚度為15 cm。

3）鎖口段混凝土施工

鎖口段混凝土澆筑深度為22.72 m，C25W4F50混凝土，混凝土厚度為50 cm。由于采取邊開(kāi)挖邊澆筑鎖口混凝土且此時(shí)門(mén)式起重機(jī)尚未安裝，因此采用罐車(chē)運(yùn)輸、汽車(chē)吊吊運(yùn)、溜筒梭槽等方式相結(jié)合輸送。在模板上搭設(shè)工作臺(tái)，從模板的入料口入倉(cāng)，從一端分別向左右兩側(cè)澆筑延伸。

4 結(jié)語(yǔ)

反井鉆機(jī)法因?yàn)槠錂C(jī)械化程度高，在工期和成本方面均屬于可接受范圍內(nèi)[1]等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于豎井開(kāi)挖施工，尤其是針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下小斷面深豎井的開(kāi)挖施工。但由于底部出水壓力管道尚未貫通，無(wú)法從底部出渣，所以采用先正井法開(kāi)挖，后反井鉆機(jī)法開(kāi)挖相結(jié)合的方式完成豎井開(kāi)挖。事實(shí)表明，該種開(kāi)挖方式在施工進(jìn)度方面效果顯著。