淺談大直徑變徑豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)

余雪祥，宋安瑞，楊小雙

（1.中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410000；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213）

1 工程概況及項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站裝機(jī)容量1200MW，裝機(jī)3臺，單機(jī)容量400MW。工程建設(shè)樞紐建筑物主體結(jié)構(gòu)為上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及地面開關(guān)站、場內(nèi)交通道路等建筑物組成，工程為一等工程，工程規(guī)模為大（一）型。

上游調(diào)壓井主要分為連接管段和豎井段，豎井段總深度83.94m，分為小井段：高度20.19，開挖直徑8.7m，襯砌厚度60cm，襯砌后直徑7.5m；升管段：高度53.2m，開挖直徑17.2m，襯砌厚度60cm，襯砌后直徑16m；大井段：高度10.55m，開挖直徑21.6m，襯砌厚度80cm，襯砌后直徑20m。

1.2 工程地質(zhì)

上游調(diào)壓井位于上庫公路邊的西側(cè)約50m的山脊上，井口地面高程約810~825m，山脊兩側(cè)坡度較陡，坡角30°~40°，較單薄。根據(jù)上游調(diào)壓井位置鉆孔揭露，全風(fēng)化帶厚度10.6~28.2m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度1.6~7.1m，弱風(fēng)化上限高程785~787m，弱風(fēng)化帶頂面線在垂直于山脊NW方向上較平緩，山脊方向弱風(fēng)化帶頂面線隨地面高程上升而升高。斷層f2從上室西側(cè)通過，但寬度較小，ZKS53在孔深39.0~39.6m揭露，為碎裂巖，影響井口圍巖穩(wěn)定。沿山脊地下水位22~32m，井口位置地下水位高程約790m。

上游調(diào)壓井進(jìn)行圍巖初步分類：上室段，上部為強(qiáng)風(fēng)化帶，下部為弱風(fēng)化上帶，受f2影響，圍巖為Ⅲ~Ⅵ類；大井段圍巖以Ⅲ類為主，底部有少量Ⅱ類圍巖；升管段圍巖以Ⅱ類為主，少量Ⅲ類。

2 施工程序

變徑豎井施工工序復(fù)雜、提升系統(tǒng)布置困難及堵井風(fēng)險(xiǎn)高等。本工程豎井開挖支護(hù)采取連接管段開挖至小井段邊墻，再進(jìn)行變徑豎井開挖支護(hù)施工。

施工程序?yàn)椋哼B接管開挖支護(hù)（彎段至小井段邊墻）→反井鉆機(jī)導(dǎo)孔施工（φ295mm）→擴(kuò)孔（φ1.4m）→井口提升系統(tǒng)施工→調(diào)壓井?dāng)U挖支護(hù)。

3 提升系統(tǒng)及安全設(shè)施

3.1 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）載人系統(tǒng)。調(diào)壓井?dāng)U挖的載人采用罐籠結(jié)構(gòu)，并采用10t雙滾筒變頻絞車提升。罐籠通過兩根阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩同時(shí)提升，避免罐籠提升過程中鋼絲繩纏繞。

（2）載物系統(tǒng)。豎井?dāng)U挖施工載物吊盤（兼井蓋）結(jié)構(gòu)，通過8t卷揚(yáng)機(jī)提升。鋼絲繩與吊盤之間增加阻旋轉(zhuǎn)吊鉤可以有效避免吊盤旋轉(zhuǎn)。

（3）井架。

變徑豎井井口提升系統(tǒng)利用斜拉橋跨越能力大、自重輕及左右對稱平衡受力原理進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。

井口同時(shí)布置上游調(diào)壓井施工載人載物承載荷載提升系統(tǒng)井架，井架及平臺采用斜拉鋼結(jié)構(gòu)桁架形式，跨度為8.75m，桁架高度4.0m（索塔桁架結(jié)構(gòu)）。桁架采用HW300型鋼、I18a、I10工字鋼焊接而成，HW300型鋼間距70cm，索塔桁架設(shè)置于地面并且底部埋入深度不小于0.5m，索塔桁架底部及井口HW200型鋼端部澆筑0.5m×0.5m混凝土塊。井口井架系統(tǒng)尾部設(shè)置48根φ25錨桿（錨桿長度3.0m）將整改井口平臺固定在地面，平臺采用I18工字鋼連接成整體，并滿鋪雙層沖壓型鋼板網(wǎng)。

載人、載物系統(tǒng)井架高4.7m，底部矩形4.96m×4.96m（長×寬），頂部矩形2.61m×2.61m（長×寬）額定荷載2000kg，桁架使用Q235鋼材，四角采用?159鋼管作為立柱，頂部平面采用I18工字鋼作為平臺，連接筋采用L75角鋼。利用SAP2000軟件進(jìn)行受力計(jì)算。井架采用S8.8級高強(qiáng)度螺栓連接，便于變徑豎井不同直徑段施工需要，調(diào)整井架布置位置，以滿足變徑豎井井架、提升系統(tǒng)一次布置，重復(fù)使用。

井架加工及焊接完成后需進(jìn)行荷載試驗(yàn)，荷載試驗(yàn)不得小于額定荷載的1.2倍。圖1為載人、載物井架結(jié)構(gòu)圖。

圖1 載人、載物井架結(jié)構(gòu)

3.2 安全設(shè)施

調(diào)壓井施工安全風(fēng)險(xiǎn)突出，提升系統(tǒng)安全措施和安全設(shè)備，將決定豎井施工是否安全重要部分。

（1）防墜設(shè)施。載人罐籠使用防墜罐籠，罐籠兩側(cè)安裝防墜鋼絲繩，鋼絲繩能防止提升系統(tǒng)鋼絲繩纏繞。

（2）限位裝置。避免提升系統(tǒng)人為操作失誤及絞車限位裝置失效而造成鋼絲繩過卷，鋼絲繩斷裂造成安全事故。井架上橫梁下方安裝重錘限位器并與絞車、卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)連接，罐籠或吊盤碰撞限制器時(shí)，開始剎車并自動停止提升。

（3）安全通道。調(diào)壓井?dāng)U挖施工過程中沿井壁布置旋狀爬梯。若提升系統(tǒng)升降過程中出現(xiàn)故障或提升系統(tǒng)設(shè)備系統(tǒng)需要維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，事故人員通過爬梯上下。同時(shí)能兼顧施工需要，縮短施工工期。

4 調(diào)壓井開挖支護(hù)

4.1 連管段開挖支護(hù)

連管段為滿足反井鉆機(jī)施工需要，按馬蹄形開挖至小井段上游側(cè)邊墻，開挖支護(hù)按設(shè)計(jì)永久開挖斷面及支護(hù)型式施工，確保調(diào)壓井出渣及導(dǎo)孔擴(kuò)孔作業(yè)安全。

4.2 導(dǎo)井施工

4.2.1 設(shè)備選型

按照鉆孔深度、鉆孔直徑、巖石抗壓強(qiáng)度，初步選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，然后對鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：

實(shí)際工作拉力=動力頭重量+擴(kuò)孔鉆頭重量+鉆桿重量+最大鉆壓

實(shí)際工作扭矩=破巖阻力矩+摩擦阻力

該項(xiàng)目選用的LM300型反井鉆機(jī)，主要用于水電系統(tǒng)豎井和斜井施工。在中硬巖中，導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度約8m/d，擴(kuò)孔速度約6m/d，成井速度快，施工安全性好，應(yīng)用較為廣泛。

主要的工作原理為[2]：電機(jī)帶動液壓馬達(dá)，利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，并向上提升，采用楔齒盤形滾刀破巖，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，從而對巖石產(chǎn)生沖擊，擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆導(dǎo)孔時(shí)巖屑沿鉆桿與孔壁間的環(huán)行空間由洗井液浮升到井口，擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重落到井下通道。

4.2.2 導(dǎo)孔施工

反井鉆機(jī)施工的關(guān)鍵在于導(dǎo)孔鉆孔質(zhì)量，本型號反井鉆機(jī)導(dǎo)孔直徑為φ295mm。針對不同的圍巖類別，實(shí)施不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速和適時(shí)裝配穩(wěn)定鉆桿進(jìn)行控制。

反井鉆機(jī)的鉆桿分為開孔鉆桿、普通鉆桿和穩(wěn)定鉆桿，開孔鉆桿與導(dǎo)孔鉆頭相接，用扶正器約束，穩(wěn)定鉆桿比普通鉆桿外周多了均勻分布的鋼肋板，其作用是承受徑向負(fù)荷，防止鉆桿隨深度的增加旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大彎曲、過大擺幅，保證鉆孔垂直度，同時(shí)保護(hù)鉆桿與孔壁的接觸磨損。因此穩(wěn)定鉆桿的布置合理與否將影響鉆孔偏斜率。

4.2.3 導(dǎo)孔擴(kuò)孔

擴(kuò)孔開始施工時(shí)一般圍巖破壞嚴(yán)重，鉆頭周圈難以均勻受力，因此，一般采用副泵提供較小的、均勻的動力。當(dāng)φ1.4m擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速（6～10r/min）旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)，進(jìn)尺控制在20cm/h，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，防止鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。給進(jìn)一些停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)跟進(jìn)。

4.3 調(diào)壓井開挖

4.3.1 測量放樣

調(diào)壓井開挖利用旋轉(zhuǎn)爬梯埋設(shè)固定棱鏡，全站儀放樣，保證調(diào)壓井開挖施工精度。

4.3.2 調(diào)壓井開挖

調(diào)壓井開挖施工自上而下進(jìn)行，升管段、大井段卡特CAT305.5挖掘機(jī)進(jìn)行扒渣，小井段采用人工扒渣，石渣通過溜渣井至連接管段，裝載機(jī)配合20t自卸汽車出渣。

豎井周邊孔采用鉆垂直孔光面爆破成型，周邊孔間距0.5m，抵抗線0.6m，孔深2.0m；崩落孔間距0.6～0.7m，抵抗線0.6～0.75m，孔深2.2m。電子數(shù)碼雷管分段爆破成型，周邊孔采用導(dǎo)爆索起爆。開挖爆破參數(shù)見表1。

表1 開挖爆破參數(shù)

4.4 錨噴支護(hù)

錨桿施工采取“先注漿后安裝錨桿”的工藝施工，鉆頭直徑應(yīng)大于錨桿直徑40mm以上。鉆孔深度及孔向均符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

鋼筋網(wǎng)片在加工廠集中加工，井內(nèi)采用載物絞車運(yùn)輸至作業(yè)現(xiàn)場，人工現(xiàn)場敷設(shè)安裝（鋼筋網(wǎng)貼近井壁布置）與系統(tǒng)錨桿（或插筋）連接，并在鋼筋網(wǎng)上焊接埋設(shè)噴射混凝土厚度控制標(biāo)尺。

調(diào)壓井錨噴支護(hù)采用KPZ-5A混凝土噴射機(jī)噴射混凝土，按自下而上的順序螺旋式噴護(hù)施工。

5 結(jié)語

創(chuàng)新的變徑豎井井架采用軌道+滾輪+夾軌器實(shí)現(xiàn)井架位置快速轉(zhuǎn)換，以滿足不同直徑段人員、材料、小型工器具運(yùn)輸需要。井架采用高強(qiáng)螺栓裝配式連接，能重復(fù)使用，節(jié)約資源。

變徑豎井井口提升系統(tǒng)利用斜拉橋跨越能力大、自重輕及左右對稱平衡受力原理進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。充分發(fā)揮提升系統(tǒng)材料優(yōu)點(diǎn)，徹底改變傳統(tǒng)井口布置龍門吊進(jìn)行豎井提升安全風(fēng)險(xiǎn)高且成本高等問題。

工程變徑豎井施工相關(guān)工藝及施工方法可為后續(xù)水電、礦山、市政等多個(gè)領(lǐng)域大直徑變徑豎井工程提供重要的參考，具有廣闊的應(yīng)用前景及較大的利用價(jià)值。