超大異形斷面調(diào)壓井開(kāi)挖施工技術(shù)研究

李佳

摘要：贊比亞下卡富峽水電站項(xiàng)目位于卡富埃河上，調(diào)壓井位于引水洞末端，阻抗式調(diào)壓井，開(kāi)挖井深133.2m，開(kāi)挖直徑36m，襯砌后直徑32m，為超大異形斷面調(diào)壓井。其整體地質(zhì)情況較差，施工質(zhì)量控制難度及安全風(fēng)險(xiǎn)較大，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工順序、各不同施工部位爆破參數(shù)確認(rèn)、提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)研究，保證了施工進(jìn)度、提高了現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了施工期間安全生產(chǎn)零傷亡事故指標(biāo)。

Abstract： The Lower Kafuxia Hydropower Project is located on the Kafue River of Zambia. The surge tank is located at the end of the diversion tunnel and is an impedance-type surge well. The excavation depth is 133.2m， the excavation diameter is 36m， and the diameter after lining is 32m， which is a super-large profile section surge shaft. The overall geological conditions are poor， the construction quality control difficulty and safety risks are large. Through the on-site construction sequence， the blasting parameters confirmation of different construction parts， the design of the lifting system and the on-site safety monitoring research， the construction progress is improved and the site construction quality is improved， realizing zero casualty accident during construction.

關(guān)鍵詞：超大異形斷面調(diào)壓井;開(kāi)挖;施工技術(shù);研究

Key words： super large profiled section surge shaft;excavation;construction technology;research

中圖分類號(hào)：TV554? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）31-0147-03

1? 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

贊比亞下卡富峽水電站項(xiàng)目位于卡富埃河上，上卡富峽電站下游17.3km處，距首都盧薩卡90km，裝機(jī)容量5×150MW共750MW。電站調(diào)壓井屬超大斷面調(diào)壓井，位于引水洞末端，阻抗式調(diào)壓井，開(kāi)挖井深133.2m，開(kāi)挖直徑36m，襯砌后直徑32m。

1.2 調(diào)壓井工程地質(zhì)情況

調(diào)壓井段巖體整體呈塊狀～次塊狀，其兩側(cè)岸坡表部巖體卸荷拉裂，全風(fēng)化巖體垂直厚度5m～10m，強(qiáng)風(fēng)化巖體垂直厚度15～35m，弱風(fēng)化垂直厚度20m～30m。山梁右側(cè)巖體風(fēng)化、卸荷厚度較大，圍巖沿裂隙風(fēng)化較深，為發(fā)育裂隙密集帶，裂隙多夾紅色泥質(zhì)物;在528.75m～528.25m有一構(gòu)造破碎帶，夾巖屑、巖粉及泥質(zhì)，膠結(jié)差;調(diào)壓井上部（高程586m以上）巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，多呈碎塊狀、短柱狀，調(diào)壓井在575m～585m高程段為黑云母片巖分布。

調(diào)壓井高程570m以上井壁穩(wěn)定性差，為Ⅳ類圍巖;506m～570m段井壁穩(wěn)定性一般，圍巖為Ⅲ類，斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖;調(diào)壓井開(kāi)挖直徑大，開(kāi)挖時(shí)需及時(shí)支護(hù)，采取錨固和混凝土襯砌等處理措施。

1.3 質(zhì)量安全指標(biāo)

質(zhì)量指標(biāo)：頂部40高度范圍內(nèi)開(kāi)挖超挖控制在20cm以內(nèi)，其余部位超挖控制在15cm以內(nèi)，不允許欠挖。

安全指標(biāo)：確保超大異形斷面調(diào)壓井開(kāi)挖施工全過(guò)程零傷亡事故。

2? 過(guò)程控制

2.1 超欠挖控制

2.1.1 井筒開(kāi)挖方法

調(diào)壓井井筒采用導(dǎo)井法進(jìn)行開(kāi)挖，首先利用反井鉆進(jìn)行導(dǎo)孔、導(dǎo)井施工，然后人工利用起吊設(shè)備對(duì)導(dǎo)井進(jìn)行擴(kuò)挖，形成溜渣井，最終對(duì)調(diào)壓井井筒整個(gè)斷面進(jìn)行分區(qū)爆破開(kāi)挖支護(hù)。

①底部開(kāi)挖。

由交通洞開(kāi)始開(kāi)挖至調(diào)壓井底部，為反井鉆施工與出渣提供空間。

由交通洞向調(diào)壓井底部開(kāi)挖，連通交通洞與引水隧洞，為反井鉆機(jī)提供操作空間，并由交通洞、引水隧洞將井筒開(kāi)挖渣料運(yùn)輸至渣場(chǎng)。

②導(dǎo)孔施工 。

導(dǎo)孔施工是導(dǎo)井法開(kāi)挖的關(guān)鍵，在反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工過(guò)程中，前30m深度，反井鉆機(jī)需要給鉆頭提供向下的壓力，隨著深度增加，壓力逐步減小，壓力變化要均勻，當(dāng)反井鉆下降30m以后，因?yàn)檩^長(zhǎng)的鉆桿自身重力較大，需要反井鉆逐步提供向上拉力，以減緩反井鉆機(jī)向下鉆孔的速度。

在反井鉆機(jī)向下鉆孔過(guò)程中，遇到巖石軟硬不一，因此需要及時(shí)調(diào)整反井鉆提升或者下壓力度，使鉆機(jī)均勻下鉆，確保導(dǎo)孔偏移在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

③導(dǎo)井施工。

當(dāng)導(dǎo)孔施工完成后，更換反井鉆機(jī)鉆頭至1.4m，開(kāi)始提升，將導(dǎo)孔擴(kuò)挖成1.4m導(dǎo)井。

④溜渣井?dāng)U挖。

溜渣井?dāng)U挖之前，需要對(duì)導(dǎo)井頂部進(jìn)行混凝土鎖口處理，鎖口混凝土高出周圍20cm，防止石渣跌落至導(dǎo)井內(nèi)。然后采用由下而上鉆水平孔爆破方式，將1.4m直徑導(dǎo)井?dāng)U挖至3.5m溜渣井。

⑤大井?dāng)U挖。

將大井分為三個(gè)區(qū)域，按照每層3m深度進(jìn)行開(kāi)挖，爆破后石渣采用挖掘機(jī)甩入溜渣井，采用裝載機(jī)在調(diào)壓井底部出渣。每層開(kāi)挖完成后，需要支護(hù)跟進(jìn)。

⑥？犖513.7m以下擴(kuò)挖段開(kāi)挖。

調(diào)壓井？犖513.7m以下，要設(shè)置應(yīng)急檢修廊道，因此該部位以下開(kāi)挖最大跨度達(dá)到50.8m，相對(duì)于上部，需要擴(kuò)挖7.3m。

2.1.2 井筒爆破設(shè)計(jì)

①分區(qū)原則。

按照鉆孔、出渣、支護(hù)三個(gè)施工程序進(jìn)行分區(qū)，其中I區(qū)爆破的同時(shí)，II區(qū)出渣，III區(qū)進(jìn)行邊墻支護(hù)。

I區(qū)約480平方米，II約450平方米，III區(qū)約580平方米。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，原則上按照上圖進(jìn)行分區(qū)開(kāi)挖支護(hù)，但由于井內(nèi)設(shè)備防護(hù)棚占用部分空間，通常會(huì)在具備鉆孔作業(yè)面后立即進(jìn)行鉆孔作業(yè)，分區(qū)將不嚴(yán)格按照上圖進(jìn)行分區(qū)。

②支護(hù)形式。

按照設(shè)計(jì)圖紙，調(diào)壓井支護(hù)包含錨桿安裝、鋼筋掛網(wǎng)、噴混凝土，考慮到頂部圍巖等級(jí)較差，頂部3.2m范圍內(nèi)增加50cm厚度C30混凝土襯砌井圈，調(diào)壓井頂部10m深度，井圈以外布置兩圈灌漿孔，間排距為3m×3m。

③爆破設(shè)計(jì)。

因調(diào)壓井?dāng)嗝孑^大，每區(qū)如進(jìn)行一次爆破，III區(qū)單次爆破藥量將超過(guò)1噸，容易對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，因此每個(gè)區(qū)分為兩次爆破，對(duì)每區(qū)溜渣井中心向外10m范圍內(nèi)進(jìn)行爆破，然后在對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行爆破（爆破設(shè)計(jì)中首先對(duì)各區(qū)I序區(qū)域鉆孔爆破，然后再對(duì)II序區(qū)域鉆孔爆破），以此來(lái)降低單次爆破藥量。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)調(diào)壓井頂部40m平均超挖量為17cm，其余部位平均超挖為13.4cm，超挖量控制較好。

由圖2可看出，在調(diào)壓井向下開(kāi)挖過(guò)程中，隨著巖石等級(jí)提高，且爆破經(jīng)驗(yàn)增加，超挖控制量逐步得到提升。頂部40m范圍及其他部位平均超挖量有效控制在技術(shù)要求范圍之內(nèi)。

2.2 安全控制研究成果

2.2.1 混凝土鎖口

①井口開(kāi)挖。

因調(diào)壓井?dāng)嗝娉叽巛^大，井口明挖采用兩步爆破的方式進(jìn)行，首先進(jìn)行中心掏槽，形成臨空面，臨空面形成后二次擴(kuò)挖完成。

調(diào)壓井井口明挖出渣隨開(kāi)挖也分兩次進(jìn)行，第一次掏心爆爆破完成后出渣形成臨空面，二次擴(kuò)挖后井內(nèi)修筑一斜坡道，用于進(jìn)內(nèi)出渣，最后采用邊推行邊開(kāi)挖的方式將斜坡道開(kāi)挖完畢。

②混凝土襯砌設(shè)計(jì)。

為保障調(diào)壓井整個(gè)施工期間的施工安全，需在井口部位設(shè)置鎖口混凝土，沿開(kāi)挖輪廓線布置雙層鋼筋，混凝土強(qiáng)度為C25，厚50cm、高3.5m，混凝土頂部高出井口50cm，高程為▽615.2m。

混凝土井圈需要在頂部開(kāi)挖結(jié)束才進(jìn)行，且待強(qiáng)28天后，井內(nèi)才能允許有新的爆破作業(yè)。

2.2.2 井口灌漿

鎖口混凝土施工完成后，襯砌混凝土以下仍然存在破碎巖石帶，因此鎖口混凝土完成后需要對(duì)井口進(jìn)行固結(jié)灌漿。沿井口位置布置兩圈灌漿孔，第一圈距離鎖口混凝土1m，第二圈固結(jié)灌漿孔距離第一圈灌漿孔3m，孔間距均為3m，孔深度10m。

本次固結(jié)灌漿采取鉆孔完成一個(gè)，灌漿一個(gè)的方式進(jìn)行。上一個(gè)灌漿孔沒(méi)有完成灌漿時(shí)，不得進(jìn)行下一個(gè)灌漿孔的鉆孔。對(duì)于成孔較好的灌漿孔，灌漿采用一段灌漿，灌漿塞阻塞在距孔口0.5m處。對(duì)于成孔困難的部位，采用兩級(jí)灌漿法，第一級(jí)造孔3m進(jìn)行灌漿，待初凝后繼續(xù)向下造孔7m。

固結(jié)灌漿結(jié)束條件為：在該灌漿段最大設(shè)計(jì)壓力0.2MPa下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min，可結(jié)束灌漿;當(dāng)某級(jí)漿液注入量已達(dá)300L以上，或灌漿時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，應(yīng)改濃一級(jí)水灰比。

2.3 變形監(jiān)測(cè)及控制研究成果

2.3.1 井筒監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了監(jiān)測(cè)調(diào)壓井開(kāi)挖后的巖壁的變形情況，在調(diào)壓井開(kāi)挖后的巖壁上布設(shè)變形觀測(cè)孔，孔深30cm，孔徑90mm，水平鑿孔，同一高程均勻布置8個(gè)孔位，相對(duì)的兩個(gè)孔內(nèi)布置一組激光測(cè)距儀，每層總計(jì)布置4組激光測(cè)距儀。

2.3.2 井筒變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)第一層監(jiān)測(cè)設(shè)備提取數(shù)據(jù)分析，單日變形量不超過(guò)3cm，分析認(rèn)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受到爆破影響較大產(chǎn)生，井壁無(wú)明顯偏移，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

調(diào)壓井井壁變形趨勢(shì)需要待開(kāi)挖結(jié)束后，進(jìn)行長(zhǎng)系列觀測(cè)并提取有效數(shù)據(jù)，才能得出井壁變形結(jié)論。

2.3.3 鎖口混凝土沉降監(jiān)測(cè)

由于右側(cè)門槽鎖口混凝土底部巖石破碎，雖經(jīng)過(guò)過(guò)充分論證，采用工程技術(shù)手段進(jìn)行鎖口混凝土加固處理，但為了安全起見(jiàn)，需要在該部位鎖口混凝土頂部設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行鎖口混凝土沉降監(jiān)測(cè)。

在長(zhǎng)達(dá)164天觀測(cè)過(guò)程中，累計(jì)沉降量為8.5mm，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍門吊設(shè)計(jì)：

調(diào)壓井直徑較大，井口門槽部位最大跨度達(dá)到50m，開(kāi)挖與澆筑持續(xù)接近兩年時(shí)間，人員與材料吊裝頻繁，且最大起吊高度超過(guò)133.5m，經(jīng)多方論證，選用一臺(tái)雙梁門式起重機(jī)進(jìn)行調(diào)壓井出入及材料吊裝工作，門機(jī)軌道跨度40m，軌道長(zhǎng)52.9m，主梁長(zhǎng)48m。

龍門吊安裝完成后，采用吊裝40噸工字鋼對(duì)龍門吊進(jìn)行靜載、動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，均符合要求。

3? 實(shí)施效果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)贊比亞下凱富峽水電站調(diào)壓井施工進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中的超欠挖控制、安全控制、起吊設(shè)備安裝及使用研究、大斷面變形監(jiān)測(cè)及控制技術(shù)研究，現(xiàn)場(chǎng)成果如下：

①調(diào)壓井頂部40m平均超挖控制在17cm，下部超挖控制在13.7cm，達(dá)到預(yù)期效果。

②成功安裝并使用軌道夸大為40m的龍門吊，在本單位尚屬首例，為以后類似項(xiàng)目龍門吊安裝及使用提供技術(shù)支持。

③大斷面變形監(jiān)測(cè)與控制，使本項(xiàng)目調(diào)壓井處于安全范圍之內(nèi)，有力保障井內(nèi)作業(yè)人員安全，施工期間未出現(xiàn)井壁嚴(yán)重變形及人員傷亡事故。

④井圈鎖口混凝土、頂部灌漿等安全控制技術(shù)研究，為以后類似項(xiàng)目提供技術(shù)支持。

本項(xiàng)目調(diào)壓井為非洲最大調(diào)壓井，通過(guò)對(duì)該超大異形斷面調(diào)壓井開(kāi)挖施工技術(shù)研究，現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度可控，質(zhì)量、安全指標(biāo)完全達(dá)標(biāo)，受到當(dāng)?shù)卣块T、業(yè)主單位、咨詢單位的表?yè)P(yáng)，極大的提高了中國(guó)施工企業(yè)在贊比亞的影響力。

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