雨量充沛地區(qū)土質(zhì)圍巖豎井開挖技術(shù)研究

楊 玉 銀， 左 祥， 劉 志 輝， 張 健 鵬， 韓 靜， 袁 農(nóng) 平， 王 先 浩

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達(dá)境內(nèi)的卡爾揚(yáng)東哥地區(qū)卡魯瑪村，距離烏干達(dá)首都坎帕拉270 km。所處區(qū)域3～11月份為雨季，雨量極充沛；12～次年2月份為旱季，雨量很少。

尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8 705.505 m，2#尾水洞長8 609.625 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.6～15.2 m，高13.45～15.05 m，圍巖主要為花崗片麻巖，以Ⅱ類圍巖為主，f=8～10。布置有8#、9#、10# 三條施工支洞，其中8#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)2+735.764，全長1 167.52 m，底坡坡比為9.5%；9#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)5+463.571，全長732.68 m，底坡坡比為10.42%。通過8#支洞在1#、2#兩條主洞間形成了8#支洞聯(lián)通洞；通過9#支洞在1#、2#兩條主洞間形成了9#支洞聯(lián)通洞。

為了解決主洞開挖期間的通風(fēng)排煙問題，在8#聯(lián)通洞中間部位的頂部設(shè)置了4#通風(fēng)豎井；9#聯(lián)通洞中間部位的頂部設(shè)置了5#通風(fēng)豎井。4#通風(fēng)豎井深95.78 m，其中上部土質(zhì)圍巖厚度為35.2 m，設(shè)計(jì)開挖直徑為6.5 m；下部巖層厚度為60.58 m,設(shè)計(jì)開挖直徑為5.3 m。5#通風(fēng)豎井深93.4 m，其中上部土質(zhì)圍巖厚度為49.07 m，設(shè)計(jì)開挖直徑為6.5 m；下部巖層厚度為44.33 m,設(shè)計(jì)開挖直徑為5.3 m。土質(zhì)圍巖段豎井采用型鋼圈梁結(jié)合錨、網(wǎng)、噴支護(hù)；下部基巖段豎井支護(hù)采用錨、網(wǎng)、噴支護(hù)。

2 問題的提出

土質(zhì)圍巖通常是指包括土體、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖等不需爆破、用反鏟等設(shè)備即能直接挖裝的圍巖。對(duì)于豎井開挖，目前國內(nèi)已具有非常成熟的經(jīng)驗(yàn)，但在烏干達(dá)地區(qū)，雨季雨水極其充沛，地下水位很高，土體含水量幾乎處于飽和狀態(tài)，隨著開挖深度的增加，井底會(huì)出現(xiàn)大量積水，極易造成井壁的土體失穩(wěn)破壞，進(jìn)而給豎井開挖工作造成很大困難。此時(shí)最易想到的辦法是在豎井周圍采用井點(diǎn)降水，但由于烏干達(dá)地區(qū)土質(zhì)圍巖地表覆蓋層較厚(可達(dá)30～60 m)且土體透水性很差，存在降水效果不理想與成本過高等問題，從而需要探索一種簡便易行、成本低廉、效果顯著的降水方法，使整個(gè)土質(zhì)圍巖豎井開挖工作在無水條件下進(jìn)行。

2015年5月，烏干達(dá)卡魯瑪水電站地下廠房通風(fēng)豎井開始開挖，當(dāng)時(shí)其下部通風(fēng)兼安全洞已經(jīng)開挖支護(hù)完畢，形成下部施工通道。豎井深90.2 m，土質(zhì)圍巖段設(shè)計(jì)開挖直徑為5.3 m，附近通氣孔鉆孔顯示：土質(zhì)圍巖厚度為34 m。當(dāng)開挖至9.5 m深時(shí)井壁出現(xiàn)滲水；開挖至12 m深時(shí)，由于土層整體含水量大，井壁出現(xiàn)較大量的滲水，土體自穩(wěn)能力變差，開挖后井壁坍塌嚴(yán)重；至13.4 m深時(shí)，井壁土層基本無自穩(wěn)能力，開挖后井壁坍塌且向上延伸至已支護(hù)的井壁后形成空腔；至13.9 m深度時(shí)，井底出現(xiàn)向上的涌水且?guī)С龃罅康哪嗌常谕翆映拾胍簯B(tài)、無自穩(wěn)能力；繼續(xù)向下開挖至14.4 m深時(shí)，井壁流出的泥沙又充滿井底，導(dǎo)致無法進(jìn)行開挖及支護(hù)施工。為了降低地下水位，盡快重新開始通風(fēng)豎井的開挖，在井周采取了井點(diǎn)降水措施，但由于土層透水性差，降水效果不理想，開挖進(jìn)度緩慢。

如何在不增加開挖成本的前提下實(shí)現(xiàn)地下水位的下降，保證井壁穩(wěn)定并使開挖工作在無水的環(huán)境下進(jìn)行成為通風(fēng)豎井能否順利開挖的關(guān)鍵。

3 施工的特點(diǎn)、難點(diǎn)及處理思路

3.1 施工的特點(diǎn)

卡魯瑪水電站通風(fēng)豎井具有以下特點(diǎn)：

(1)主要用于主體工程的通風(fēng)排煙，下部均布置有出渣施工通道，即豎井底部與主體洞室聯(lián)通。

(2)豎井在雨季施工，且當(dāng)?shù)赜炅繕O其充沛。

(3)地表平坦，土質(zhì)覆蓋層厚。

(4)地表土壤含水量高，接近飽和狀態(tài)。

(5)土體滲透性不好，降水難度大。

3.2 開挖難點(diǎn)

(1)豎井開挖過程中，由于地表降雨、井壁和井底的地下水滲入，井內(nèi)會(huì)出現(xiàn)較深的積水，井壁土質(zhì)圍巖遇水容易軟化而造成井壁失穩(wěn)、坍塌。

(2)土層滲透性不好，在豎井周圍采用井點(diǎn)降水效果不理想且井點(diǎn)降水成本很高。

3.3 處理思路

從以上分析不難看出，豎井開挖能否順利完成的關(guān)鍵在于能否有效降低地下水位，使豎井土質(zhì)圍巖開挖工作在無水環(huán)境中進(jìn)行。因此，設(shè)法有效降低地下水位就成為研究的主要內(nèi)容。鑒于井點(diǎn)降水效果不理想，因此，不再考慮采用井點(diǎn)降水的措施。為了降低地下水位，考慮沿豎井中心軸線從地表向下鉆垂直中心排水導(dǎo)孔至下部施工通道(圖1)。通過中心排水導(dǎo)孔將地表與下部施工通道連通，在豎井開挖時(shí)，使井內(nèi)的滲水、積水通過中心排水導(dǎo)孔流入下部施工通道，再由下部施工通道內(nèi)的專用排水設(shè)施抽排到洞外，從而保證豎井的開挖工作在無水環(huán)境中進(jìn)行，并按照常規(guī)豎井開挖方法進(jìn)行開挖支護(hù)作業(yè)。

4 排水導(dǎo)孔降水的基本原理

豎井開挖中心排水導(dǎo)孔的基本工作原理見圖1。從地表沿豎井中心線向下部施工通道(聯(lián)通洞)鉆中心排水導(dǎo)孔，孔徑為140～155 mm，孔內(nèi)設(shè)透水套管，豎井開挖時(shí)井內(nèi)的積水或施工用水通過中心排水導(dǎo)孔流入下部施工通道的集水坑內(nèi)；同時(shí)，由于中心排水導(dǎo)孔內(nèi)設(shè)透水套管，地下水在重力作用下產(chǎn)生傾斜流動(dòng)，形成如圖1所示的降水曲線，使地下水位低于豎井開挖作業(yè)面，地下水匯聚于中心排水導(dǎo)孔內(nèi)流入下部施工通道的集水坑內(nèi)；集水坑內(nèi)的地下水通過下部施工通道內(nèi)的排水系統(tǒng)、經(jīng)施工支洞抽排到洞外。

圖1 中心排水導(dǎo)孔工作原理示意圖

4.1 排水導(dǎo)孔

(1)導(dǎo)孔直徑D。排水導(dǎo)孔主要用于排除井內(nèi)的積水并收集導(dǎo)孔周圍地下水的滲水，因此不宜選用過大的孔徑。在卡魯瑪項(xiàng)目的工程實(shí)踐中，豎井上部土質(zhì)圍巖段取D=140 mm，下部基巖段取D=155 mm。

(2)導(dǎo)孔深度H。導(dǎo)孔深度即豎井中心位置地面到下部施工通道頂部的深度，也就是豎井的深度。

4.2 套 管

(1)材質(zhì)。導(dǎo)孔內(nèi)的套管主要用于土質(zhì)圍巖段，選用PVC塑料透水套管。

(2)套管外徑d。套管外徑與導(dǎo)孔直徑相同。取d=140 mm。

(3)套管深度h。從地表到基巖范圍內(nèi)，即土質(zhì)圍巖豎井段均設(shè)置套管。

(4)套管參數(shù)：單節(jié)凈長度L=290 cm，外徑為140 mm，套管壁厚δ=7 mm，內(nèi)絲長度、外絲長度均為66 mm。

(5)套管管壁透水縫隙參數(shù)：沿導(dǎo)管環(huán)向有4組縫隙，環(huán)向間距35 mm,單條縫隙長75 mm，縫寬1.5 mm，間距8.5 mm，如圖2所示。

圖2 套管管壁透水縫隙排列示意圖

5 排水導(dǎo)孔的施工

導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)孔施工采用車載式水井鉆機(jī)，具體施工程序如下：

圖3 中心排水導(dǎo)孔結(jié)構(gòu)示意圖

5.1 探明土質(zhì)圍巖厚度

采用φ152鉆具，從豎井中心線垂直向下鉆進(jìn)、直至鉆至基巖為止，可從鉆進(jìn)速度和返回的巖屑情況判斷其是否已鉆至基巖面。

5.2 擴(kuò)孔并安裝臨時(shí)套管

φ152鉆具鉆到基巖后退到地面取下鉆具，換上φ228刮刀鉆頭，自上而下擴(kuò)孔到基巖面，擴(kuò)孔后孔徑達(dá)到250 mm。擴(kuò)孔后安裝臨時(shí)套管，采用φ200PVC塑料管，壁厚9 mm。

5.3 貫穿基巖導(dǎo)孔

臨時(shí)套管完成后，重新?lián)Q上φ152鉆具，從基巖面向下鉆進(jìn)，直到與下部施工通道(聯(lián)通洞)貫通，從而形成φ155下部基巖排水導(dǎo)孔。

5.4 永久透水套管的安裝

土質(zhì)圍巖段的永久導(dǎo)孔套管采用φ140 PVC塑料透水管，壁厚7 mm,管壁上設(shè)有如圖2所示的透水縫隙。第一節(jié)套管在放入導(dǎo)孔前，先將其底部加熱擴(kuò)大管徑至φ165，然后逐節(jié)放入孔內(nèi)，直至導(dǎo)孔內(nèi)永久套管安裝完成。

5.5 充填料回填

導(dǎo)孔永久套管安裝完成后，永久套管外部采用充填料回填并拔出臨時(shí)套管。充填料的作用是濾除地下水中攜帶的泥土顆粒，防止永久套管縫隙堵塞。先在永久套管與臨時(shí)套管間填入1 m深的鉆孔巖屑和粒徑為5～10 mm的礫石，然后拔出臨時(shí)套管，再用鐵鍬慢慢填入粒徑為2～5 mm的砂礫。充填料填入時(shí)不宜過快，以防止套管與孔壁間的空隙堵塞。

6 豎井的開挖施工

豎井施工中，開挖工作分上、下兩部分進(jìn)行。上部土質(zhì)圍巖開挖采用0.11 m3小型挖掘機(jī)在井內(nèi)直接挖裝1.2 m3吊籃，人工配合裝渣，龍門吊提升吊籃到地面，渣料運(yùn)往棄渣場；采用型鋼圈梁結(jié)合錨、網(wǎng)、噴支護(hù)。下部基巖豎井的開挖采用反井鉆機(jī)施工φ1.4 m溜渣井作為溜渣通道；采用YT28手風(fēng)鉆鉆垂直孔，光面爆破；渣料通過溜渣井進(jìn)入下部聯(lián)通洞內(nèi)，通過8#、9#施工支洞出渣，渣料運(yùn)往棄渣場。

6.1 上部土質(zhì)圍巖的開挖施工

(1)測量放線。 場地平整完畢，施工用風(fēng)水電準(zhǔn)備結(jié)束后即可進(jìn)行設(shè)計(jì)開挖線的測量放線。

(2)開挖方法。土質(zhì)圍巖的開挖采用斗容為0.11 m3的日立ZX35U-5A型挖掘機(jī)，在井內(nèi)挖裝1.2 m3吊籃、采用5 t龍門吊提升吊籃到地面；人工進(jìn)行井壁修整。

(3)支護(hù)施工。根據(jù)井壁穩(wěn)定情況，每開挖進(jìn)尺1～1.5 m進(jìn)行一次井周臨時(shí)支護(hù)：先初噴5 cm厚C25混凝土；再施工φ25砂漿錨桿，L=4.5 m，間排距均為1.5 m；掛φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm；然后安設(shè)I16工字鋼圈梁，間距50 cm；最后噴20 cm厚C25混凝土。

(4)混凝土襯砌。開挖支護(hù)到基巖面后，開始進(jìn)行上部土質(zhì)圍巖混凝土襯砌，襯砌采用50 cm厚C25鋼筋混凝土。

6.2 下部基巖的開挖施工

(1)反井鉆機(jī)安裝空間的擴(kuò)挖。土質(zhì)圍巖襯砌結(jié)束后，繼續(xù)向下進(jìn)行豎井開挖4.5 m，然后在井周選擇圍巖穩(wěn)定性較好的部位向兩側(cè)擴(kuò)挖，擴(kuò)挖斷面呈矩形，寬4 m、高2.5 m,一側(cè)擴(kuò)挖1.5 m,另一側(cè)擴(kuò)挖4 m，形成一個(gè)長10.08 m、寬4 m、高2.5 m的空間，用于反井鉆機(jī)的安裝。擴(kuò)挖段采用HW175×175型鋼支撐，結(jié)合錨、網(wǎng)、噴支護(hù)：鋼支撐間距為50 cm；φ25砂漿錨桿，L=3 m，間距1 m、排距50 cm；掛φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm；噴C25混凝土，厚25 cm。

(2)反井鉆機(jī)的安裝。采用國產(chǎn)立鼎牌反井鉆機(jī)，鉆機(jī)型號(hào)：ZFY1.4/300(LM-300)，最大鉆孔深度300 m、導(dǎo)孔直徑250 mm、擴(kuò)孔直徑1.4 m。按照反井鉆機(jī)說明書要求澆筑鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)、進(jìn)行反井鉆機(jī)安裝并布置好相應(yīng)的輔助設(shè)施，包括配電箱、泵站、油箱、循環(huán)水池等。

(3)溜渣井的開挖。采用反井鉆機(jī)在豎井中心線附近先自上而下鉆φ250導(dǎo)孔至聯(lián)通洞頂部，然后在聯(lián)通洞內(nèi)換上擴(kuò)孔專用鉆具，再自下而上擴(kuò)孔至φ1.4 m導(dǎo)井，形成溜渣井。

(4)豎井?dāng)U挖。采用YT28手風(fēng)鉆鉆垂直孔，光面爆破，嚴(yán)格控制爆破后巖塊的最大塊度在60 cm以內(nèi)，防止溜渣井堵塞。單循環(huán)進(jìn)尺采用2 m；采用垂直楔形掏槽，掏槽孔距選用30～40 cm，單孔藥量1.6 kg；崩落孔孔距70～80 cm，排距80 cm,單孔藥量1.4 kg；周邊孔孔距50～55 cm，最小抵抗線選用45～50 cm，單孔藥量采用200 g/m。爆破后采用人工將渣料扒入溜渣井、落入聯(lián)通洞內(nèi)，采用3 m3裝載機(jī)裝25 t自卸車通過施工支洞，將爆破渣料運(yùn)往棄渣場。

(5)井壁支護(hù)。每循環(huán)出渣完畢均須進(jìn)行錨、網(wǎng)、噴支護(hù)：先施工φ22砂漿錨桿，L=3 m，間排距均為1.5 m；然后掛φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸為20 cm×20 cm；最后噴15 cm厚C25混凝土。

7 適用條件及注意事項(xiàng)

7.1 適用條件

卡魯瑪水電站尾水隧洞通風(fēng)豎井土質(zhì)圍巖段開挖應(yīng)用的實(shí)踐證明：在雨水豐沛地區(qū)土質(zhì)圍巖豎井開挖中，中心排水導(dǎo)孔降水技術(shù)非常實(shí)用、有效。具體的適用條件為：

(1)豎井上部土質(zhì)圍巖覆蓋層較厚，不具備明挖條件。

(2)豎井所在地區(qū)降水量充沛或地下水位較高，土體內(nèi)含水量較大。

(3)上覆土體透水性較差，井點(diǎn)降水效果不理想。

(4)豎井具有下部施工通道且已經(jīng)開挖完畢投入使用。

7.2 注意事項(xiàng)

(1)在中心排水導(dǎo)孔鉆孔施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔的偏斜度，確保其不偏離至豎井開挖范圍以外并鉆入下部施工通道內(nèi)。

(2)在回填永久透水套管與孔壁土體間的空隙時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制巖屑和礫石、砂子的粒徑并緩慢填入，防止堵塞，以確保填充物質(zhì)量，從而確保填充物濾除滲水?dāng)y帶的泥土，防止泥土堵塞永久透水套管上的縫隙。

8 結(jié) 語

通過采用中心排水導(dǎo)孔降水，使豎井土質(zhì)圍巖段開挖得以順利進(jìn)行，井內(nèi)的開挖工作面可在無水狀態(tài)下施工，開挖支護(hù)期間井壁土體穩(wěn)定。2016年3月，該項(xiàng)技術(shù)在烏干達(dá)卡魯瑪水電站其他通風(fēng)豎井土質(zhì)圍巖段開挖中得到了推廣應(yīng)用，再次證明了該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用性、可靠性，確保了其他通風(fēng)豎井的順利完工。