CCS水電站600m深豎井反井鉆機(jī)施工塌孔分析

苗棟 魏斌 齊三紅

摘 要：豎井作為地下建筑物，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，對(duì)反井鉆機(jī)施工影響較大。CCS水電站布置兩條600 m級(jí)超深豎井，其中2#豎井在反井鉆機(jī)施工過程中出現(xiàn)塌孔事故，進(jìn)而大量涌水并導(dǎo)致設(shè)備損壞。結(jié)合塌孔特征和附近已開挖建筑物工程地質(zhì)條件對(duì)塌孔原因進(jìn)行分析，初步推測應(yīng)是下平段揭露的f46、f47斷層與R3流紋巖脈相交部位圍巖穩(wěn)定性差，造成塌方，在高水頭作用下，陡傾巖體破碎帶形成了地下水徑流通道。針對(duì)塌腔發(fā)育情況和周邊工程地質(zhì)條件利用鉆探、物探、激光掃描、地下水示蹤等手段開展補(bǔ)充勘測，從而進(jìn)一步查明豎井區(qū)工程地質(zhì)條件，證實(shí)塌孔原因，確定塌腔發(fā)育部位、規(guī)模和性狀等，據(jù)此確定新豎井孔位。在新孔位導(dǎo)孔施工過程中，根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)、渣料、返水等情況對(duì)工程巖體條件進(jìn)行分析判斷，及時(shí)對(duì)不良地質(zhì)段進(jìn)行灌漿加固，在導(dǎo)孔施工完成后采用全孔純壓式灌漿。在新豎井人工擴(kuò)挖時(shí)，通過M9支洞對(duì)塌腔進(jìn)行密實(shí)回填，頂部回填困難區(qū)域采用模袋混凝土填充，以減少塌腔對(duì)豎井運(yùn)行安全造成的影響。

關(guān)鍵詞：豎井;反井鉆機(jī);塌孔;涌水;CCS水電站

中圖分類號(hào)：TV62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.025

Abstract：Geological conditions of the shaft as an underground building are complex and changeable， and have great influence to the construction of the raise boring machine. There are two 600 m superdeep shafts at CCS Hydropower Station. The shaft No.2 collapsed in the construction， which resulted in a large amount of water inrush and damage to the equipment. Combined with the characteristics of collapse hole and the engineering geological conditions of nearby excavated buildings， it was preliminarily speculated that the surrounding rock stability at the intersection of f46， f47 and R3 rhyolite veins should be poor. Furthermore， the broken zone of steep rock mass formed groundwater runoff channel under the high water press. We carried out supplementary survey using drilling， geophysical exploration， laser scanning， groundwater tracer and other means， so as to further find out the engineering geological conditions in shaft area furtherly， confirm the causes of collapse hole， and determine the development location， scale and characteristics of the collapse cavity. According to this， we chose the new hole position downstream of of the previous shaft about 50 m， and analyzed the rock mass conditions of new position according to the drilling parameters， slag material， return water and so on. The bad geological section was strengthened by grouting in time and the full hole was grouted completed after the completion of the guide hole. The collapse cavity was backfilled through M9 branch tunnel， and the difficult area at the top of the collapse cavity was filled with membrane bag concrete， in order to reduce the influence of collapse cavity to the safety of shaft operation.

Key words： shaft; raise boring machine; hole collapse; water burst; CCS Hydropower Station

在水電領(lǐng)域，豎井是一種重要的建筑物，目前主要的施工方法有正井法和反井鉆機(jī)施工法[1-4]。反井鉆機(jī)施工法于20世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)，可大幅度提高施工效率、改善作業(yè)環(huán)境，在工程建設(shè)中得到了越來越多的應(yīng)用。但是，反井鉆機(jī)施工受地質(zhì)條件影響較大，在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工深豎井時(shí)，常常發(fā)生涌水、塌孔、偏斜等問題，容易導(dǎo)致卡鉆、埋鉆，甚至形成廢井，給工程帶來損失。

厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站[5]（以下簡稱CCS水電站）布置兩條600 m級(jí)超深豎井，采用反井鉆機(jī)施工，其中2#豎井在施工過程中遇到塌孔事故，本文對(duì)塌孔事故原因進(jìn)行分析，并對(duì)后續(xù)處理措施加以研究。

1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾NAPO省和SUCUMBIOS省交界處，距首都基多約130 km，工程任務(wù)主要為發(fā)電，電站總裝機(jī)容量1 500 MW，安裝8臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組，是世界上規(guī)模最大的沖擊式機(jī)組水電站之一，電站年發(fā)電量88億kW·h，可滿足厄瓜多爾全國1/3人口的電力需求。主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。

該工程共布置兩條壓力管道，均包括上平段、豎井段和下平段三部分，如圖1所示。引水豎井井身段長度為537.9 m，開挖洞徑7.1 m，襯砌后直徑5.8 m，深度在世界水電工程中位居前列。

豎井工程區(qū)位于Coca河和Granadillas之間的高山峽谷區(qū)，地形起伏大，地勢總體呈西高東低的趨勢。區(qū)內(nèi)河谷深切、岸坡高陡，以V形為主，相對(duì)高差700余m。兩岸各級(jí)支溝眾多，植被發(fā)育良好，岸坡整體較完整，地表自然坡度一般為30°～50°。工程區(qū)屬于Sinclair構(gòu)造帶，發(fā)育多條小規(guī)模斷層，斷層走向大多130°～180°，傾向NE或SW，傾角60°～80°，斷層寬度普遍小于50 cm，一般5～10 cm，斷層充填物質(zhì)普遍以角礫巖、巖屑夾泥為主。

2#豎井段地層主要由白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）和侏羅系—白堊系Misahualli地層（J-Km）兩部分組成，圍巖類型為Ⅲ～Ⅳ類。其中：1 126.500～1 168.889 m高程為Hollin地層，巖性為黑色頁巖及灰白色砂巖，呈互層狀，產(chǎn)狀近水平，總體傾向NE;631.065～1 126.500 m高程為Misahualli地層，巖石組成較復(fù)雜，主要有火山凝灰?guī)r、流紋巖等。最大水平主應(yīng)力的作用方向與管道軸線的夾角為7°～21°，最大主應(yīng)力值為13.76 MPa，最小主應(yīng)力值為6.30 MPa。地下水類型主要為HCO3--Ca2+型，少量為HCO3--Ca2+·Na+型，主要有Hollin地層及Misahualli地層的基巖裂隙水，主要接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給。南部山區(qū)向東北部Coca河的側(cè)向徑流對(duì)工程區(qū)的影響較大。

2 事故過程

2.1 施工方案

反井鉆機(jī)工法開挖共分正鉆導(dǎo)孔、反擴(kuò)導(dǎo)井及人工擴(kuò)挖一次成形三步。具體施工流程為在上下平洞開挖完成后，在上平段豎井位置使用反井鉆機(jī)自上而下進(jìn)行導(dǎo)孔施工，孔徑為280 mm，鉆進(jìn)至下平段露出鉆頭后，卸掉導(dǎo)孔牙輪鉆頭，更換為反拉擴(kuò)挖鉆頭，自下而上進(jìn)行反拉，擴(kuò)孔直徑為2 134 mm。反擴(kuò)導(dǎo)井完成后，從上部進(jìn)行人工爆破開挖，開挖直徑7.1 m，利用導(dǎo)井溜渣。此方法出渣方便，可以大大提高施工效率，改善作業(yè)環(huán)境，尤其在富水地層中具有較大優(yōu)勢。

CCS水電站豎井施工選擇芬蘭SANDVIK公司研制的RHINO 1088DC新型反井鉆機(jī)[6]，由主機(jī)、電氣液壓控制柜、電機(jī)、液壓系統(tǒng)、鉆具（鉆桿、鉆頭）等組成。其性能參數(shù)為：主機(jī)質(zhì)量16 500 kg，最大推力400 kN，最大拉力4 000 kN，最大（反轉(zhuǎn)/正轉(zhuǎn)）扭矩100/737 kN·m，最大轉(zhuǎn)速60 r/min，最大行程1.97 m，總功率260 kW。

2.2 事故經(jīng)過

2#豎井導(dǎo)孔于2013年3月27日開始施工，在導(dǎo)孔施工中部分洞段巖體破碎，鉆進(jìn)困難，為避免埋鉆，使后續(xù)施工順利，對(duì)孔內(nèi)破碎洞段進(jìn)行灌漿（見表1），歷時(shí)70 d，導(dǎo)孔于6月5日貫通，更換鉆頭后開始向上反拉進(jìn)行導(dǎo)井施工。在導(dǎo)井施工至6月11日時(shí)，導(dǎo)井內(nèi)突然發(fā)生大規(guī)模涌水塌方，并于6月12日中午形成第一次堵井，此時(shí)擴(kuò)挖導(dǎo)井192 m。6月19日在下井口采用小藥量爆破后，導(dǎo)井疏通，擴(kuò)挖反井恢復(fù)施工。本次塌方體經(jīng)估算折合自然方約2 866 m3。當(dāng)恢復(fù)施工至6月28日時(shí)，導(dǎo)井在擴(kuò)挖過程中因鉆進(jìn)異常而再次停機(jī)，此時(shí)完成擴(kuò)挖268 m。

在停機(jī)期間，井內(nèi)發(fā)生多次塌方，其中兩次有大量塌方體從井內(nèi)涌出，并再次形成堵井。7月21日，在水壓力和塌方體自身重力作用下，豎井自行疏通。反拉刀盤在豎井塌方中受到?jīng)_擊損壞，7月22日開始下放刀盤，擬更換刀盤后重新反擴(kuò)，23日在下放過程中受井內(nèi)塌方?jīng)_擊，刀盤和部分鉆桿脫落，遺留井內(nèi)成為障礙。在采取了一系列措施后，井內(nèi)鉆具仍然無法脫困提出，確認(rèn)反井鉆機(jī)施工受阻。

3 原因分析

豎井反井鉆機(jī)導(dǎo)孔和擴(kuò)井過程中，無法對(duì)圍巖進(jìn)行地質(zhì)編錄，確定工程地質(zhì)條件。主要根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化、巖渣和返水情況，并結(jié)合上下平洞已開挖揭露情況綜合對(duì)豎井工程地質(zhì)條件進(jìn)行評(píng)價(jià)。

垮落巖渣主要巖性為肉紅色流紋巖、灰黑色凝灰?guī)r及少量火山角礫巖，其中流紋巖占較大比例。由此推斷，塌方段主要分布在流紋巖地段。根據(jù)導(dǎo)孔的施工記錄，2#豎井內(nèi)流紋巖主要發(fā)育在1 022.3～999.3、844.3～833.3、813.3～698.3 m三個(gè)高程區(qū)段內(nèi)，而且根據(jù)鉆進(jìn)記錄顯示，在高程775.3～826.3 m范圍內(nèi)，鉆進(jìn)推力為110～130 kN，鉆機(jī)振動(dòng)劇烈，反渣顆粒粗細(xì)不均，局部夾泥，推測該段圍巖破碎。

上平段開挖高程為1 169.0～1 207.0 m，全部位于白堊系下統(tǒng)Hollin地層（Kh）內(nèi)，巖性為黑色頁巖及灰白色砂巖，開挖揭露15條斷層，規(guī)模較小，地下水不發(fā)育。下平段開挖高程611.0～630.0 m，出露的地層巖性主要為青灰色Misahualli地層（JKm）的火山凝灰?guī)r，共揭露了14條斷層和2條流紋巖巖脈。而從下平段揭露流紋巖脈發(fā)育情況來看，其巖體堅(jiān)硬、完整，與凝灰?guī)r接觸帶部位較完整。

根據(jù)斷層和流紋巖脈發(fā)育產(chǎn)狀組合與塌方位置的關(guān)系，推測應(yīng)是下平段揭露的f46、f47斷層與R3流紋巖脈相交，控制高程為751.5～785.0 m，同時(shí)與f46、f47斷層平行發(fā)育的節(jié)理密集帶大部分傾角較陡，對(duì)豎井段的巖體影響比較明顯，最終導(dǎo)致在該處施工受阻。

在下平段設(shè)置量水堰，對(duì)涌水量的監(jiān)測顯示，在不堵塞的情況下，豎井涌水量為400～800 m3/h，最高達(dá)1 200 m3/h。涌水量變化隨著時(shí)間的推移沒有明顯趨勢，因此可以排除巖體內(nèi)局部富水帶的影響，推測應(yīng)為豎井井壁塌方后，在高水頭作用下陡傾巖體破碎帶形成了地下水徑流通道，受外水補(bǔ)給。

根據(jù)以上分析，建立三維地質(zhì)模型[7]，典型斷面如圖2所示。

4 補(bǔ)充勘測

CCS水電站兩條豎井水平距離約78 m，運(yùn)行水頭近600 m，塌方體空腔的存在會(huì)影響工程建設(shè)和運(yùn)行，因此為了確定處理方案，針對(duì)性地采用鉆探、物探、激光掃描等多種手段對(duì)塌方體的發(fā)育規(guī)模、位置和特點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充勘測。

4.1 鉆 探

為充分了解2#豎井的地層巖性分布情況和不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，同時(shí)滿足下步方案決策的需求，在上平段豎井附近布置3個(gè)鉆孔S1、S2、S3（見圖3）。S1布置于原2#豎井位置，樁號(hào)0+741，為斜孔，傾角70°，傾向下游，孔深100 m;S2在S1鉆孔下游35 m位置，即樁號(hào)0+776，孔深150 m;S3（擬定的新井位）在S1鉆孔下游50 m，即樁號(hào)0+791，由反井鉆機(jī)施工，孔深530 m。

通過對(duì)1#豎井、2#豎井老孔、S2、S3以及前期鉆孔等地質(zhì)情況的綜合分析可知，流紋巖的分布并不一定是呈類似于放射狀分布的，常與凝灰?guī)r、角礫巖等相間分布，同時(shí)確定S3鉆孔位置適宜作為新豎井位置。

4.2 物 探

考慮到2#豎井塌方體的范圍和規(guī)模，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，分別采用大地電磁法在2#豎井地面和面波勘探法從1#豎井孔壁進(jìn)行探測。

大地電磁法測線布置在2#豎井周圍，共6條，點(diǎn)距10 m，豎井正上方附近重點(diǎn)區(qū)域加密測點(diǎn)，采用5 m點(diǎn)距，總長度約1 054.1 m，物理點(diǎn)數(shù)110個(gè)。按電阻率值展布在三維空間中，可以看出，在探測區(qū)域內(nèi)，因地下建筑物眾多，隧洞、金屬結(jié)構(gòu)密布，故電阻率值呈現(xiàn)不規(guī)律的橫向變化，總體呈低阻特征，在1#豎井及部分地下隧洞部位表現(xiàn)為明顯高阻異常。由三維切片圖可以看到，在老2#豎井的西南方向高程770.0～800.0 m范圍內(nèi)有一明顯異常高阻體，推測為塌方體。

在1#豎井孔壁780.0～835.0 m高程段采用瞬態(tài)面波勘探法測試，總測試長度55 m，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，在淺部0～4 m橫波速度普遍偏低，為1.4～2.0 km/s，推測是表面裂隙發(fā)育所致，深部新鮮巖體橫波速度在2.2 km/s以上。在豎井高程782.0～796.0 m、深度8～11 m的橫波速度低于2.0 km/s，為速度異常偏低區(qū)，推測此處為低速破碎帶區(qū)域。

4.3 孔內(nèi)掃描

物探方法只能查明塌方體的大致位置，無法對(duì)其規(guī)模進(jìn)行精確探測。因此，為了查明塌方井內(nèi)空腔的分布及規(guī)模，對(duì)老2#豎井進(jìn)行了激光掃描探測。

本次探測采用英國MDL公司生產(chǎn)的機(jī)器人激光勘查系統(tǒng)，全稱為“空腔自動(dòng)掃描激光系統(tǒng)（CavityAuto scanning Laser System，C-ALS）”。該系統(tǒng)能夠通過孔洞插入到塌方體空腔內(nèi)部，快速而安全地勘查塌方體內(nèi)部情況。探測成果如圖5～6所示。經(jīng)探測，空腔主要位于高程804.0～834.0 m，整個(gè)空腔呈現(xiàn)南北方向展布，整體滑動(dòng)方向由西向東，上下兩端面積較小，中間位置面積較大，空腔最大直徑約為18 m，形狀較為復(fù)雜，整個(gè)空腔體積約4 136 m3。

4.4 地下水示蹤試驗(yàn)

為了查明地下水的補(bǔ)給來源，在部分地段進(jìn)行了地下水示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，孔內(nèi)涌水與調(diào)蓄水庫沒有水力聯(lián)系，推測孔內(nèi)富水帶補(bǔ)給區(qū)與豎井區(qū)域之間的距離較遠(yuǎn)。根據(jù)區(qū)域地形，推測地下水補(bǔ)給來源方向?yàn)閴毫艿牢髂蟼?cè)高山區(qū)。

5 處理措施

2#豎井老孔導(dǎo)孔發(fā)生涌水塌方后，在其內(nèi)部產(chǎn)生了一個(gè)巨大的空腔，塌方體由SW向NE滑塌，其造成的空腔總體積約4 136 m3，對(duì)工程的安全運(yùn)行將造成很大影響，對(duì)其采取了如下處理措施。

（1）綜合考慮已查明地質(zhì)條件，盡量避開不良地質(zhì)體，將新井位選擇在原2#豎井下游，原2#豎井充當(dāng)排水通道，便于新井位施工。

（2）在S3導(dǎo)孔施工過程中，及時(shí)記錄鉆機(jī)推進(jìn)力、扭矩、返渣、回水情況，并據(jù)此分析工程地質(zhì)條件，對(duì)工程地質(zhì)條件較差洞段進(jìn)行固結(jié)灌漿。在擴(kuò)井前對(duì)S3鉆孔進(jìn)行全孔純壓式灌漿。

（3）在新豎井人工擴(kuò)挖過程中，在豎井906.00 m高程開挖與2#老豎井連接的平洞M9支洞，通過M9支洞對(duì)老豎井回填自密實(shí)混凝土，對(duì)頂部回填困難區(qū)域采用模袋混凝土填充，以保證空腔回填飽滿密實(shí)。

（4）豎井固結(jié)灌漿采用高壓固結(jié)灌漿，灌漿孔深度5～6 m，每環(huán)孔數(shù)11個(gè)，灌漿圈排距均為2.5 m。

（5）在新豎井內(nèi)布置監(jiān)測儀器對(duì)洞內(nèi)圍巖穩(wěn)定性和滲流場變化情況進(jìn)行監(jiān)測。

6 結(jié) 語

CCS水電站2#豎井塌孔事故主要受斷層發(fā)育和高壓水頭影響。在反井鉆機(jī)施工遭遇塌孔事故后，對(duì)造成塌孔事故的原因及時(shí)分析研判，并采取了多種手段查明空腔發(fā)育情況、周邊工程地質(zhì)條件，制定了相應(yīng)的處理方案。CCS水電站2#豎井經(jīng)過處理后，各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，目前已實(shí)現(xiàn)通水發(fā)電，運(yùn)行良好。

豎井作為地下建筑物，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在正向?qū)Э资┕み^程中，要密切關(guān)注掘進(jìn)參數(shù)、返出巖渣等的變化，及時(shí)評(píng)判圍巖條件，對(duì)不良地質(zhì)洞段提前采取措施進(jìn)行處理，避免工程地質(zhì)條件進(jìn)一步惡化。同時(shí)，對(duì)豎井附近建筑物已開挖洞段的詳細(xì)地質(zhì)編錄有助于分析豎井工程地質(zhì)條件。

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【責(zé)任編輯 張華巖】