不良地質(zhì)條件下深豎井嚴(yán)重堵井處理技術(shù)研究

張宏山

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

某水電站項(xiàng)目位于巴基斯坦北部開伯爾-普赫?qǐng)D赫瓦省（KPK）的曼瑟拉地區(qū)，距離伊斯蘭堡約256km，距離尼魯姆-杰盧姆水電站107km。該項(xiàng)目為長(zhǎng)隧洞引水式發(fā)電站，引水隧洞長(zhǎng)為22.618km，最大靜水頭922.72m，共安裝4 臺(tái)單機(jī)容量為221MW 的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量約為884MW。工程主要建筑物包括：瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力豎井、地下廠房、主變室、尾水洞、廠房交通洞等。

其中，壓力豎井群位于調(diào)壓豎井和廠房機(jī)組進(jìn)水球閥之間，壓力鋼管段為雙線洞，每條壓力鋼管由3 個(gè)豎井和4 個(gè)平洞段組成（第四壓力平洞段含壓力岔管段），豎井段為圓型斷面，根據(jù)圍巖等級(jí)不同，開挖直徑4.74～5.18m，水平段為馬蹄形斷面，成型尺寸4.52m×5.6m（寬×高）。第一級(jí)壓力豎井深204.54m，第二級(jí)壓力豎井深181.24m，第三級(jí)壓力豎井深256.65m；第一平洞段長(zhǎng)324.28m，坡比10%，第二平洞段長(zhǎng)343.24m，坡比10%，第三平洞段長(zhǎng)433.69m，坡比10%；PS1 壓力鋼管第四平洞段長(zhǎng)71.6m，PS2 壓力鋼管第四平洞段長(zhǎng)105.32m，第四平洞段設(shè)置“Y”型岔管，一管變兩管，最終進(jìn)入發(fā)電廠房。具體見圖1。

圖1 堅(jiān)井系統(tǒng)三維布置示意圖

2 工程地質(zhì)

壓力豎井區(qū)域巖性主要為變質(zhì)玄武巖和綠泥石片巖，圍巖主要為微風(fēng)化-新鮮，洞室圍巖具中等地應(yīng)力。根據(jù)已開挖揭露的圍巖情況，巖石產(chǎn)狀大多為NE340～355°∠60～85°，其中變質(zhì)玄武巖為塊狀構(gòu)造，裂隙比較發(fā)育，完整性差；綠泥石片巖為較軟巖-中硬巖，抗風(fēng)化能力差，分布較廣。圍巖完整性總體較差，圍巖類別基本以Q4、Q5 類為主，并伴有不利于穩(wěn)定的組合面。

3 堵井概述

堵井事件發(fā)生在第三級(jí)壓力豎井，堵井部位埋深高程在358-453m，第三級(jí)壓力豎井PS2，深256.65m，為圓型斷面，支護(hù)成型直徑4.68m，采用BMC300 型反井鉆機(jī)鉆設(shè)φ270mm 導(dǎo)孔后，再用φ1.4m 刀盤反拉成溜渣井。之后，采用人工鉆爆，進(jìn)行擴(kuò)挖。

此次堵井的原因主要為：一是因當(dāng)?shù)爻鲈囁緳C(jī)罷工，下部囤渣較多，未能及時(shí)清運(yùn)而導(dǎo)致井中渣石擠壓嚴(yán)實(shí)；二是每次噴護(hù)后，回彈料清理不徹底，導(dǎo)致回彈料落入井中，形成板結(jié)體；三是豎井地質(zhì)條件差，在溜渣過程中，井壁反復(fù)受到?jīng)_刷，形成局部垮塌。從而，在上述多重因素影響下，造成了此次堵井。經(jīng)測(cè)量復(fù)核，堵塞長(zhǎng)度為138.5m。

此次堵井發(fā)生后，項(xiàng)目部邀請(qǐng)各級(jí)專家進(jìn)行分析研究，采用不同的處理措施，同時(shí)，再加上該地區(qū)正處于新冠肺炎疫情高發(fā)期，勞務(wù)人員大量流失，各類措施推進(jìn)比較緩慢。最終，歷經(jīng)數(shù)月后才得以疏通。

4 堵井處理措施

實(shí)際處理過程分為兩個(gè)階段。具體措施如下：

第一階段：預(yù)測(cè)堵塞嚴(yán)重的位置處于最下部，主要采用下部擾動(dòng)的思路。具體方法有四種：

（1）方法一：堵塞體底部機(jī)械擾動(dòng)處理

第一步：在導(dǎo)井下部清理出一個(gè)集渣坑。

第二步：在反鏟鏟斗上焊接一節(jié)6m 鋼管，通過反鏟的舉升力量，對(duì)堵塞體底板進(jìn)行擾動(dòng)。

處理結(jié)果：采用此方法，僅僅疏通5m 后，因高度受限，無(wú)法繼續(xù)處理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，底板堵塞體極其密實(shí)。

（2）方法二：人工撐桿頂炸藥包爆破擾動(dòng)

第一步：對(duì)導(dǎo)井下井口進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，噴護(hù)10cm+隨機(jī)的3m 錨桿，以防止溜渣時(shí)下井口出現(xiàn)垮塌，造成人員設(shè)備損傷。

第二步：在下井口利用現(xiàn)有錨桿，設(shè)置一個(gè)葫蘆吊點(diǎn)，用以輔助舉升PVC 管。

第三步：采用膠帶將5kg 炸藥包綁在PVC 管頂部，PVC 管徑從上而下由φ25 逐漸至φ150，并利用頂部葫蘆配以人工，舉升炸藥至堵塞體底部。

第四步：采用叉型鋼管對(duì)撐桿進(jìn)行輔助導(dǎo)向固定后，撤離人員和設(shè)備，通過導(dǎo)爆索引爆炸藥包。

第五步：待導(dǎo)孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，出渣。清渣排險(xiǎn)后對(duì)堵塞情況進(jìn)行核實(shí)，如仍未疏通，則重復(fù)第一至第四步。

處理結(jié)果：采用此方法，累計(jì)疏通15m 后，因高度增加，加上導(dǎo)井軸線成“S”型偏移，所以人工撐桿頂炸藥包存在安全隱患，故放棄此方法。

（3）方法三：氦氣球托舉藥卷爆破擾動(dòng)（見圖2）

圖2 氦氣球托舉藥卷爆破擾動(dòng)法

第一步：采用直徑為1.2m 氦氣球，經(jīng)放升試驗(yàn)檢驗(yàn)，按總體托重不大于1.0kg 考慮。

第二步：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用φ32 乳化炸藥，裝藥0.416～0.832kg（2～3 節(jié)）。藥卷用膠帶與氣球綁扎牢固。

第三步：采用細(xì)麻繩系氦氣球底端，緩慢放升，待藥卷貼住堵塞部位底端，穩(wěn)定后，安排人員撤離，準(zhǔn)備起爆。

第四步：爆破前，從豎井上部導(dǎo)井向下少量注水，起到潤(rùn)滑渣料的作用。同時(shí)，人員設(shè)備撤離至周邊支洞安全區(qū)域。在人員設(shè)備撤離完成后，由專業(yè)人員引爆。

第五步：待導(dǎo)孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，出渣。清渣排險(xiǎn)后對(duì)堵塞情況進(jìn)行核實(shí)，如仍未疏通，則重復(fù)第一至第四步。

處理情況：采用此方法，每次爆破后，掉落的渣料大約0.2 方；在連續(xù)實(shí)施10 多個(gè)循環(huán)后，受上部滲水較大，加之浮力不足影響，氣球吸附在井壁，無(wú)法上浮，此方法被迫停止。

（4）方法四：堵井導(dǎo)井底部打斜孔裝炸藥爆破擾動(dòng)

主要思路是，經(jīng)過上述幾種方法處理后，剩余堵塞長(zhǎng)度為117m。計(jì)劃通過井底下平洞打斜孔至堵塞體內(nèi)，裝炸藥爆破擾動(dòng)堵塞體。但此方法需確保下部人員機(jī)具安全。

第一步：編織袋內(nèi)裝沙土，在下部壓力下彎段起坡點(diǎn)砌筑高度不低于3m，厚度不低于2m 的擋渣坎（如圖3 所示），防止打鉆過程中，因擾動(dòng)引發(fā)堵塞體渣料下落，從而確保擋渣坎后方人員設(shè)備安全。

圖3 堵井底部打斜孔裝炸藥爆破擾動(dòng)法

第二步：采用錨索鉆機(jī)鉆孔，孔徑φ110，在豎井中心下游側(cè)15m 位置開孔，鉆設(shè)角度上揚(yáng)64°，鉆設(shè)深度35.4m，鉆設(shè)至堵塞段下部5m 處。鉆孔過程中需要控制鉆速，確保鉆孔精度控制在1%以內(nèi)。

第三步：利用高壓風(fēng)/水對(duì)孔底進(jìn)行沖洗，其目的一是嘗試高壓風(fēng)/水是否可以疏通孔內(nèi)下部5m 范圍內(nèi)渣料，二是起到清孔的作用，確保炸藥能裝入導(dǎo)井堵塞體范圍內(nèi)。

第四步：根據(jù)上述參數(shù)鉆孔后，理論上導(dǎo)井內(nèi)有效長(zhǎng)度可達(dá)3.0m，為避免過度爆破造成井壁坍塌，采用φ50 乳化炸藥，裝藥2.08～3.12kg（2～3 節(jié)）。使用PVC 管頂裝炸藥，確保裝入深度達(dá)到32.5m，采用1m 炮泥堵孔，炮泥裝入深度需確保31.5m。

第五步：爆破前，豎井下部人員設(shè)備撤離至周邊支洞安全區(qū)域。在人員設(shè)備撤離完成后，由專業(yè)人員進(jìn)行引爆。

第六步：待導(dǎo)孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后出渣。視疏通效果，再?zèng)Q定是否重復(fù)上述步驟。

處理情況：首次裝炸藥爆破后，幾乎無(wú)渣料落下，經(jīng)分析，認(rèn)為下部渣體受到上部落渣不斷夯實(shí)，板結(jié)密室，爆破效果差。若是加大炸藥量，可能在堵塞體未得到處理的情況下，對(duì)周邊井壁造成二次傷害，造成進(jìn)一步垮塌。此方法放棄。

第二階段：鑒于下部擾動(dòng)無(wú)法疏通，采用自上而下的疏通的思路。主要采用兩種方法：

（1）方法一：采用地質(zhì)鉆機(jī)，自上而下正向跟管鉆孔，成孔后反向分段爆破疏通

第一步：鉆機(jī)就位鉆孔。采用XY-2 型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，孔徑φ75，鉆機(jī)布置于豎井上部擴(kuò)挖段底部。

第二步：先下放跟管至堵塞部位，之后開始鉆孔。鉆孔過程中需要控制鉆速，確保鉆孔精度。鉆孔過程如出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象則立即拔出鉆桿，重新鉆孔。

第三步：鉆孔貫通后，從跟管中間穿細(xì)鋼絲繩，鋼絲繩一端系于上部擴(kuò)挖段錨桿或插筋上，另一端放至豎井下平洞。

第四步：利用鋼絲繩牽引裝藥至堵塞段底部，由下至上分段爆破疏通。爆破前，人員設(shè)備撤離至安全區(qū)域。在人員設(shè)備撤離完成后，由專業(yè)人員引爆。

第五步：檢查及清渣。待導(dǎo)孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，進(jìn)行導(dǎo)井下部出渣。清渣排險(xiǎn)后對(duì)堵塞情況進(jìn)行核實(shí)，如仍未疏通，則重復(fù)第四和第五步。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可能需經(jīng)由多次爆破，最終確保豎井導(dǎo)井疏通成功。

處理結(jié)果：在鉆進(jìn)過程中，遇到了較完整的堅(jiān)硬的塊石，在跟進(jìn)套管時(shí)，因鉆頭為73mm，跟管為110mm，巖石堅(jiān)硬，導(dǎo)致套管無(wú)法跟進(jìn)，再加上上部70 多米的跟管處于懸空狀態(tài)，在上部受到錘擊力后，最下部絲口套接處擺動(dòng)幅度過大，發(fā)生套管斷裂，此方法被迫放棄。

（2）方法二：反井鉆機(jī)疏通法

第一步：施工準(zhǔn)備。一是將擴(kuò)挖掌子面所有工機(jī)具清理出井外。人工將場(chǎng)地進(jìn)行平整。二是在導(dǎo)井井口周圍使用3000Psi 混凝土對(duì)稱澆筑兩個(gè)墩柱形成反井鉆機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)，尺寸4m×1.0m×0.5m（長(zhǎng)×寬×高），墩柱中心距下鉆點(diǎn)2.0m。每個(gè)基礎(chǔ)下預(yù)埋鐵板凳和5 根φ25 插筋，長(zhǎng)度2.5m，間距0.9m，入巖2.0m，外露0.5m 焊接于預(yù)埋的鐵板凳上。

第二部：考慮到反井鉆機(jī)自重及鉆桿重量，鉆機(jī)平臺(tái)采用8 根30C 工字鋼制作而成，井口兩根間距30cm，其余工字鋼間距50cm。平臺(tái)除預(yù)定鉆孔孔口周圍100cm 外，其余地方需采用10mm 厚鋼板滿鋪，防止雜物掉落。

第三步：將驗(yàn)收合格反井鉆機(jī)平臺(tái)吊運(yùn)至掌子面平臺(tái)，將平臺(tái)與基礎(chǔ)預(yù)埋鐵板凳焊接。之后對(duì)鉆孔孔口周圍15cm 外采用10mm 厚鋼板滿鋪。反井鉆機(jī)安裝過程中測(cè)量人員需實(shí)時(shí)跟蹤，確保反井鉆機(jī)安裝精度。反井鉆機(jī)與井口平臺(tái)采用焊接方式固定。其水平精度與垂直精度誤差不得超過0.5%。

第四步：操作平臺(tái)、水箱、鉆桿等根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在合適位置進(jìn)行安裝。

第五步：堵塞體鉆孔施工。一是下放鉆頭至堵塞段。二是當(dāng)鉆頭到達(dá)堵塞段時(shí)，鉆頭先不旋轉(zhuǎn)，利用壓力下壓。反復(fù)下壓上提形成定位孔。開孔時(shí)，將反井鉆機(jī)供水管連接空壓機(jī)，利用高壓風(fēng)進(jìn)行吹渣。之后慢速開鉆，鉆進(jìn)過程使用清水，只起冷卻鉆頭和潤(rùn)滑作用，水量應(yīng)嚴(yán)格控制，不宜過大。鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，由于上部懸空鉆桿接長(zhǎng)過程較快，但到達(dá)堵井位置后，為防止上部鉆桿懸空甩段，必須放慢轉(zhuǎn)速，鉆機(jī)動(dòng)力頭基本不能加壓，依靠鉆桿自重，慢速研磨堵塞物，當(dāng)遇到較堅(jiān)硬巖石時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要可適當(dāng)調(diào)整鉆進(jìn)速度并適當(dāng)增壓不超過2MPa，鉆進(jìn)過程中應(yīng)隨時(shí)注意鉆桿穩(wěn)定情況，以免發(fā)生鉆桿偏斜或鉆桿斷裂。三是鉆進(jìn)過程中采用邊鉆進(jìn)邊掃孔的方式進(jìn)行，防止鉆桿發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，直至鉆桿鉆通堵塞體。四是反井鉆機(jī)鉆設(shè)前，豎井下部人員、設(shè)備必須撤離至安全部位，并將豎井下部安全欄桿關(guān)閉，避免人員設(shè)備進(jìn)入。

第六步：如果鉆桿鉆通后仍有堵塞體未掉落，根據(jù)實(shí)際情況，一是將鉆頭下放至井底，安裝反拉刀盤，按照每班8m 的速度，拉通堵塞段。二是通過鉆桿下放鋼絲繩，吊炸藥反向分段爆破疏通。

第七步：當(dāng)堵塞體全部清理完之后，利用門機(jī)將反井鉆機(jī)及施工平臺(tái)拆除，之后恢復(fù)正常擴(kuò)挖。

處理結(jié)果：采用此方法，歷經(jīng)2 個(gè)月，堵塞體成功疏通。其中導(dǎo)孔鉆穿后，采用反拉刀盤的方式疏通所有堵塞體。主要是考慮到一旦分段爆破，可能會(huì)造成二次垮塌后堵井或者鉆桿抱死。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

綜上所述，此次堵井處理的主要經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

一是堅(jiān)決避免出現(xiàn)嚴(yán)重堵井。每次進(jìn)行井內(nèi)溜渣前和溜渣過程中，安排專人在下平洞安全距離外，持對(duì)講機(jī)和掌子面扒渣人員保持通訊暢通，一旦導(dǎo)井下口堆渣高度與導(dǎo)井下口距離小于1m，或者上部溜渣時(shí)，下部無(wú)渣，應(yīng)及時(shí)叫停扒渣作業(yè)，避免發(fā)生嚴(yán)重堵井。

二是及時(shí)清理擴(kuò)挖噴護(hù)料。噴射混凝土施工時(shí)，需采取少量多次的噴護(hù)方式，盡可能地減少回彈料，同時(shí)，噴護(hù)作業(yè)完成后，應(yīng)及時(shí)清理散落的噴護(hù)料，禁止同渣料一起扒入導(dǎo)井內(nèi)，從而造成板結(jié)堵井。

三是優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。擴(kuò)挖爆破網(wǎng)絡(luò)連結(jié)時(shí)，每一圈爆破孔分2～3 段爆破，每段間隔50ms；同時(shí)，合理布置炮孔密度，合理裝藥，盡量使爆破后的石渣直徑不大于30cm；預(yù)防大塊石堵井和對(duì)井壁的沖擊。

四是充分發(fā)揮地質(zhì)預(yù)判。根據(jù)前期井內(nèi)的攝像和地質(zhì)揭露情況，對(duì)接近斷層和破碎帶的洞段，擴(kuò)挖處理需按實(shí)際及時(shí)調(diào)整。

五是扒渣處理需觀察細(xì)致。扒渣工人需時(shí)刻關(guān)注導(dǎo)井內(nèi)風(fēng)向及氣流情況，一旦突變，應(yīng)馬上停止扒渣，避免發(fā)生嚴(yán)重的堵井。

六是現(xiàn)場(chǎng)管理需精細(xì)組織。尤其是上下聯(lián)動(dòng)和及時(shí)出渣。

七是處理措施需科學(xué)精準(zhǔn)。堵井處理方案需因地制宜，對(duì)癥下藥，既要保證安全，又要兼顧進(jìn)度。

6 結(jié)束語(yǔ)

此次堵井處理耗時(shí)數(shù)月，對(duì)總體進(jìn)度有較大影響。這既是一次深刻的教訓(xùn)，也是一次經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。同時(shí)，就上述處理方法，可為其他項(xiàng)目在應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件下豎井堵井處理方面，提供了一些借鑒的經(jīng)驗(yàn)。