鋼護筒一次成型施工工法在地下豎井施工中的應(yīng)用

(洛陽水利工程局有限公司，河南 洛陽 471000)

近年來對軟弱地質(zhì)層結(jié)構(gòu)進行施工加固的技術(shù)主要有冰凍法、沉井法、固結(jié)灌漿法等。其中，冰凍法的施工造價高，并且當(dāng)加固豎井中出現(xiàn)富含水的砂層和軟弱巖層時難以進行施工加固；沉井法施工難度較大，施工過程中難以保證豎井的垂直度，且工期較長；而固結(jié)灌漿法在技術(shù)上可行，但對于Ⅳ類或Ⅴ類圍巖等軟弱地質(zhì)層進行加固施工時，由于工作面狹小，施工條件受限，因而只能通過淺層孔進行固結(jié)灌漿，如果鉆孔過程中出現(xiàn)高承壓水情況，會頻繁出現(xiàn)涌砂及涌水現(xiàn)象，無法有效地對高承壓水松散砂層進行加固。由此可見，就現(xiàn)有技術(shù)而言，豎井中間存在富含水砂層的軟弱地質(zhì)層時的施工難題，已為阻礙隧洞施工乃至整個工程的瓶頸問題。因此研究軟弱地質(zhì)層豎井施工問題，保證豎井在施工中的安全性和工期，形成一套完整成熟的施工技術(shù)是一個極其重要的課題，對豎井施工技術(shù)的發(fā)展將起到極大的推動作用。

1 工程概況

秦嶺防洪渠綜合治理改造工程是洛陽市城市水系建設(shè)十大工程之一，該工程的一期工程為引水工程(引洛濟秦)，是洛陽市城北區(qū)水系建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施項目的重要組成部分，其主要任務(wù)是依據(jù)秦嶺防洪渠所處的地理位置及地形地貌條件，把秦嶺防洪渠南邊的洛河水引至防洪渠內(nèi)，采用“暗涵+隧洞”的引水方式，隧洞為自流，引水渠全長5km，引水流量2.00m3/s。

由于地質(zhì)條件復(fù)雜，在豎井施工中遇到的第三系未膠結(jié)砂巖(砂層)、泥質(zhì)細巖層、砂質(zhì)黏土巖互層或交叉等地質(zhì)結(jié)構(gòu)含水量豐富的不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖或極不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖，在高承壓水、重力及地應(yīng)力作用下易軟化、泥化、崩解，導(dǎo)致豎井施工頻繁發(fā)生高壓涌水、流砂和塌方現(xiàn)象，成井極為困難。

2 鋼護筒一次成型方法技術(shù)原理

首先是沖擊鉆沖擊成孔，焊接鋼護筒及連接灌漿裝置，通過向護筒內(nèi)注水，在護筒自重及筒內(nèi)注入水重的配合下克服豎井內(nèi)泥漿的浮力逐漸沉入豎井中，當(dāng)護筒沉到豎井底部時，通過筒內(nèi)的灌漿裝置將漿液注入護筒和沖擊沖孔的豎井之間，使護筒和井壁形成一個整體，拆除護筒中支撐和灌漿等裝置，再進行下一步施工，見圖1。

圖1 施工狀態(tài)示意

3 施工工法

3.1 沖擊成孔

沖擊成孔包括前期的井口定位，混凝土井臺的澆筑，以及沖擊鉆采用泥漿護壁的方法沖擊成孔。首先測設(shè)井口位置，按位置架設(shè)樁機，根據(jù)豎井設(shè)計3.00m孔徑選擇沖擊鉆鉆頭，最終達到一次沖擊成型，鉆孔過程中每進尺5～10m時測定泥漿各項技術(shù)指標(biāo)，特別是相對密度，控制泥漿密度在1.1～1.3t/m3。鉆孔連續(xù)進行，不得中斷，以保持孔內(nèi)泥漿稠度和孔內(nèi)水位以防塌孔。鉆進時記錄每次的進尺深度并及時填寫鉆孔施工記錄，交接班時講明鉆進情況及下一班的注意事項。因故停鉆時，孔口護蓋，嚴(yán)禁鉆頭留在孔內(nèi)，以防埋鉆。同時保持孔內(nèi)的水頭和泥漿濃度黏度，以防坍孔。底部超鉆0.20～0.30m，防止泥漿和石渣等沉積，造成深度不夠。在鉆進過程中，對所撈取的鉆渣進行分析，判斷地質(zhì)情況。豎井設(shè)計深度為43.50m，豎井下設(shè)深1.50m的水泵坑及出渣料斗坑，考慮泥漿沉淀等情況增加0.2m富裕深度，沖擊成孔總深度為45.20m。

3.2 焊制護筒

3.2.1 護筒組成

護筒由圓形筒身、密封焊接連接于筒身下端的底板以及下部導(dǎo)向板等組成，見圖2。護筒的外徑2.70m，采用20mm厚鋼板加工成型，在護筒的內(nèi)腔中設(shè)有若干灌漿裝置，灌漿裝置包括設(shè)于內(nèi)腔中的環(huán)形灌漿管，環(huán)形灌漿管周圍設(shè)置若干均勻分布的徑向灌漿管，各徑向灌漿管與護筒上對應(yīng)的灌漿口密封固定連接，在各環(huán)形管的上部分別連接往上伸出地面的垂直灌漿管。各環(huán)形筒之間采用內(nèi)外滿焊的焊接工藝。

圖2 護筒的結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 導(dǎo)向板設(shè)置

在圓形護筒的底部設(shè)置用于保證護筒準(zhǔn)確沉入豎井的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置于護筒底部圓周均勻分布的3塊導(dǎo)向翼板，各導(dǎo)向翼板分別位于圓形護筒的底部邊緣，導(dǎo)向翼板頂邊遠離鋼護筒的垂直中心線，底邊靠近豎井中心線，從而使底部布設(shè)的導(dǎo)向翼板呈錐形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向翼板的上口最寬尺寸小于豎井沖擊成孔的內(nèi)徑。導(dǎo)向翼板可保證在鋼護筒沉井過程中的下沉方向，使鋼護筒順利到達豎井底部并防止出現(xiàn)較大傾斜，使鋼護筒豎向中心線與沖擊成孔的中心線保持一致，從而保證護筒與豎井之間灌漿厚度的均勻性。

3.2.3 焊接要求

施焊過程時，焊工工器具齊全，無論焊口還是焊縫，必須逐層清理，有缺陷或黏焊條(絲)，必須設(shè)法清除。焊接前在對接的鋼筒對接處打好坡口，便于控制焊接質(zhì)量。焊工在焊口或焊縫焊完后，要對每一道焊口或焊縫進行自檢，發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等表面缺陷，應(yīng)立即剔除并修補，最后用數(shù)字式超聲探測儀對每道焊縫進行檢測，合格后方可開始后續(xù)施工。

3.2.4 護筒加固

為提高圓柱護筒的強度，在護筒內(nèi)還設(shè)置有加強支撐結(jié)構(gòu)，加強支撐結(jié)構(gòu)包括固定于筒身內(nèi)壁的若干環(huán)形箍圈、底板上的加強筋以及斜向支撐等。

環(huán)形箍圈可提高護筒筒身的強度，避免沉井后筒身受泥漿及水泥漿壓力作用變形而影響灌漿厚度的均勻性，保證灌漿質(zhì)量的穩(wěn)定。在各節(jié)鋼護筒的內(nèi)壁上分別固定有由槽鋼彎制而成的環(huán)形箍圈，各環(huán)形箍圈通過焊接連接與各節(jié)鋼護筒對應(yīng)固定。

底板內(nèi)表面布設(shè)有由工字鋼制成的米字加強筋，在其相鄰的單節(jié)鋼護筒箍圈之間連接有若干均勻分布的斜支撐。護筒內(nèi)同樣焊接固定有加強支撐的結(jié)構(gòu)。通過這些支撐結(jié)構(gòu)可以在護筒沉井過程中有效避免底部高壓氣體和高壓泥漿壓力破壞底板的密封焊接結(jié)構(gòu)。

3.2.5 灌漿管布設(shè)

灌漿管主要由筒身的若干環(huán)形鋼管和垂直灌漿管連接組成，見圖3。各灌漿裝置中的環(huán)形灌漿管分別通過其上對應(yīng)連接的徑向灌漿管固定在相應(yīng)位置的環(huán)形鋼筒中。施工中第一節(jié)鋼護筒下沉后，將垂直灌漿管和環(huán)向灌漿管焊接連接，如此逐節(jié)下沉、逐節(jié)連接。

圖3 環(huán)形灌漿管示意

垂直灌漿管采用分節(jié)焊接連接，當(dāng)兩節(jié)環(huán)形鋼筒連接后再將相應(yīng)的垂直灌漿管焊接延長。各個環(huán)形灌漿管與垂直灌漿管連接均形成獨立的灌漿系統(tǒng)。灌漿裝置的設(shè)置數(shù)量和安裝位置根據(jù)豎井的深度和灌漿的要求確定。

3.3 鋼護筒對接

3.3.1 井口及鋼護筒裝置

在豎井的井口處水平鋪設(shè)一個井字形掛具，該井字形掛具由四根工字鋼兩兩垂直交叉焊接固定而成，其中間方口的寬度略大于各環(huán)形鋼筒的外徑，并與鋼護筒上的吊耳配合，各環(huán)形鋼筒分別穿過井字形掛具的中間方口沉入豎井中，從而可以使得每一節(jié)的環(huán)形鋼筒在沉入豎井后通過其上固定的吊耳懸掛在井字形掛具上，保證其上端口高于井口，便于工人在井口進行焊接操作，見圖4。

圖4 井字架示意

3.3.2 護筒連接

當(dāng)上一節(jié)的環(huán)形鋼筒下沉至其上部固定的吊耳懸掛在該井字形掛具上后，再焊接下一節(jié)環(huán)形鋼筒，焊接完成后割除懸掛在井字形掛具上的吊耳使沉筒繼續(xù)下沉，沉筒整體順利沉入豎井底部，見圖5。

圖5 單節(jié)鋼筒的結(jié)構(gòu)示意

3.4 沉井

通過吊運裝置將護筒垂直放入成型的充滿泥漿的豎井中，并向護筒內(nèi)注水，使護筒克服井內(nèi)泥漿的浮力沉入豎井。在沉筒下沉過程中要時刻測量沉筒的垂直度，并在發(fā)現(xiàn)沉筒傾斜時及時進行校正，避免沉筒因傾斜而影響灌漿厚度的均勻性。

3.5 灌漿

沉筒下沉到位后，在地面用灌漿機分別連接各垂直灌漿管，按照從下向上的順序依次通過對應(yīng)位置處的灌漿裝置向沉筒與豎井之間的間隙中注入漿液(灌漿固結(jié)厚度15cm)，漿液采用純水泥漿，水灰比1∶1～0.5∶1，灌漿壓力0.3～0.5MPa。

制漿材料必須稱量，稱量允許誤差小于3%。漿液采用專用機械制漿，攪拌均勻并控制漿液密度，漿液各項指標(biāo)按設(shè)計要求控制，漿液水灰比1∶1～0.5∶1。灌漿過程中漿液容重和輸漿量每小時測定1次并記錄。灌漿泵和灌漿孔口處均安裝壓力表，進漿管路也安裝壓力表，灌漿壓力0.3～0.5MPa。所選用的壓力表能使灌漿壓力在其最大標(biāo)值的1/4～3/4之間，壓力表在使用前進行標(biāo)定，使用過程中經(jīng)常核對，誤差不大于5%，壓力表和管路之間設(shè)有隔漿裝置。在灌漿過程中，有專職觀測人員負責(zé)觀測工作，全面控制灌漿質(zhì)量。

在地面的灌漿機通過豎向灌漿管按照各環(huán)形灌漿管的位置從下向上依次向各灌漿裝置內(nèi)注入水泥漿液，水泥漿液從各環(huán)形灌漿管中分配到各徑向灌漿管中，漿液注入鋼護筒和豎井沖擊成孔井壁之間的空隙中，各徑向灌漿管末端設(shè)置的逆止閥可避免豎井內(nèi)的泥漿等進入到灌漿裝置中。當(dāng)井內(nèi)的泥漿排出，水泥漿充滿鋼護筒和豎井沖擊成孔井壁之間的空隙時，灌漿完成。

3.6 排水及拆除

當(dāng)灌漿強度達到要求后，利用水泵抽出豎井以及沉筒內(nèi)腔中的水，抽水完成后，工人下入豎井中，先打開泄壓閥泄出沉筒底部豎井內(nèi)的高壓氣體和高壓水，確認(rèn)安全后從上至下依次切除垂直灌漿管、注水管、鋼支撐、徑向灌漿管等，筒身通過灌漿與施工加固段的井壁連為一體，使沉筒與圍巖成為一體，共同承擔(dān)圍巖壓力和水壓力的作用，最終鋼護筒作為豎井的一部分，增強加固效果。鋼護筒下沉完成后，測設(shè)支洞方位，采用氣割拆除放樣的護筒鋼板，進行后續(xù)施工。

4 結(jié) 論

該工法具有施工成本低、操作簡單、安全、工期短以及效率高等特點，可以快速進行豎井Ⅳ類、Ⅴ類圍巖等軟弱地質(zhì)層的施工，解決了現(xiàn)有技術(shù)開挖豎井出現(xiàn)富含水砂層或軟弱地質(zhì)層等不能有效加固的問題。該工法于2018年榮獲中國水利工程協(xié)會水利行業(yè)工法(SDGF1028—2018)，值得推廣應(yīng)用。