水磨鉆開挖施工技術(shù)在小斷面豎井中的應(yīng)用

馬鵬鵬 卞昱霖 馬蒞茗

(1.北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102200；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

本文結(jié)合福州市江北城區(qū)山洪防治及生態(tài)補(bǔ)水工程?hào)|山截洪樞紐小斷面豎井水磨鉆開挖施工實(shí)踐，從導(dǎo)孔施工、鎖口混凝土澆筑、水磨鉆開挖、石方裂解、出渣等多方面施工工藝入手研究，采用水磨鉆“正井法”開挖豎井，通過水磨鉆開挖豎井周邊巖芯后，人工采用手風(fēng)鉆對(duì)剩余巖體鉆孔后插入鋼楔，再持續(xù)錘擊鋼楔使剩余巖體裂解后，人工配合卷揚(yáng)機(jī)采用吊桶從豎井上部出渣；本項(xiàng)技術(shù)具有施工操作方便、施工質(zhì)量優(yōu)良、安全性高、開挖速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，得到了業(yè)主及監(jiān)理單位的一致認(rèn)可。

1 工程概況

福州市江北城區(qū)山洪防治及生態(tài)補(bǔ)水工程?hào)|線工程，施工范圍為登云水庫南控制閘到魁岐出水口，施工線路長11.51km，主要施工內(nèi)容為隧洞11.25km及魁岐出口連接段258.87m，隧洞開挖洞徑7.0～9.2m。主要建筑物有：東線排洪補(bǔ)水主洞(登云水庫南控制閘至魁岐出水口)、登云水庫南進(jìn)水口、魁岐出水口、鱔溪控制閘；可溪、東山、鱔溪、埠興截洪樞紐及排洪支洞；東山補(bǔ)水管道及補(bǔ)水支洞；潭橋、東山、埠興、魁岐施工支洞及各進(jìn)出水口、截洪樞紐施工導(dǎo)流等臨時(shí)工程。該工程具有提高福州市江北城區(qū)的排澇標(biāo)準(zhǔn)、改善內(nèi)河水質(zhì)雙重效益。

東線工程沿排洪主隧洞沿線布置有登云進(jìn)水口、魁歧出水口及東山、埠興、可溪、鱔溪四個(gè)截洪樞紐等配套設(shè)施，進(jìn)水口及截洪樞紐工程均設(shè)計(jì)有排洪豎井、排氣豎井，與排洪隧洞連接，共計(jì)9個(gè)豎井；其中，排氣豎井直徑1.6～2.8m，排洪豎井直徑4.3～7.0m，均為圓形斷面。因周邊建筑物和現(xiàn)場(chǎng)地形條件影響，部分區(qū)域豎井開挖不具備爆破及反井鉆機(jī)施工，經(jīng)過施工工藝比選，決定采用水磨鉆“正井法”開挖施工工藝。

2 技術(shù)方法

小斷面豎井水磨鉆開挖施工技術(shù)主要包括導(dǎo)孔通風(fēng)排水工藝、水磨鉆開挖工藝、石方裂解出渣工藝三個(gè)方面：“一是豎井通風(fēng)排水：在豎井水磨鉆開挖之前采用潛孔鉆機(jī)在豎井圓心位置垂直鉆孔(直徑 10～20cm)至下部平洞”；“二是豎井巖石開挖：人工采用水磨鉆沿豎井周邊連續(xù)布置直徑150mm取芯點(diǎn)，芯芯相連，取芯圓應(yīng)與鎖口混凝土內(nèi)壁相切，依次鉆取外周巖芯，使剩余中心巖體四周分別形成環(huán)形臨空面”；“三是裂解出渣：沿豎井中心橫縱向分別采用手風(fēng)鉆鉆孔，為便于巖體裂解，鉆孔布置應(yīng)將剩余巖體等分，在手風(fēng)鉆孔道中插入鋼楔后人工采用大錘擊打直至巖石分裂，巖石裂解后人工裝吊桶采用卷揚(yáng)‘正井法’從豎井上部出渣?！?/p>

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程及材料設(shè)備

豎井導(dǎo)孔開挖→鎖口混凝土施工→卷揚(yáng)系統(tǒng)安裝→水磨鉆周邊鉆芯→中心石方裂解→石方卷揚(yáng)吊出→下一循環(huán)開挖施工。

本項(xiàng)施工技術(shù)操作簡單，需用以下材料設(shè)備：挖掘機(jī)(破碎錘)、潛孔鉆機(jī)、水磨鉆、手風(fēng)鉆、卷揚(yáng)機(jī)、吊桶等。

3.2 施工操作要點(diǎn)

3.2.1 豎井導(dǎo)孔開挖

為防止后期豎井開挖過程中井內(nèi)發(fā)生積水及井內(nèi)通風(fēng)困難的情況，在豎井中心采用潛孔鉆機(jī)鉆10～20cm孔至下部平洞。潛孔鉆機(jī)一般采用履帶式，為方便潛孔鉆機(jī)開往豎井處并順利鉆孔，鉆孔前應(yīng)采用挖掘機(jī)平整豎井處場(chǎng)地。待潛孔鉆機(jī)到位后，將鉆具鉆桿安裝完成，并將鉆機(jī)與空壓機(jī)連接后，安排測(cè)量人員對(duì)放樣出的導(dǎo)孔孔位再次進(jìn)行檢查確認(rèn)，確認(rèn)導(dǎo)孔位置無誤后方可進(jìn)行后續(xù)施工。一切準(zhǔn)備就緒后，開始進(jìn)行潛孔鉆機(jī)鉆孔施工，鉆孔過程中應(yīng)確保施工場(chǎng)地平整，潛孔鉆機(jī)機(jī)身穩(wěn)定無晃動(dòng)，并安排專人指揮。

3.2.2 鎖口混凝土施工

為防止豎井施工中后期井口發(fā)生坍塌等情況，豎井水磨鉆開挖前先進(jìn)行井口破碎開挖及鎖口混凝土澆筑施工，以達(dá)到井口加固作用。豎井井口開挖主要為鎖口圈梁結(jié)構(gòu)位置開挖，利用液壓破碎錘配合反鏟直接開挖，豎井井身開挖2.0m后，進(jìn)行鎖口圈梁混凝土的施工。鎖口混凝土施工前先進(jìn)行鎖口錨桿位置測(cè)量放點(diǎn)，利用YT-28手風(fēng)鉆進(jìn)行鎖口錨桿的鉆孔施工。鎖口錨桿安裝完成后，即可進(jìn)行鎖口混凝土的澆筑施工。混凝土澆筑完成后，結(jié)合氣溫情況對(duì)混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，待強(qiáng)度達(dá)到70%以上，就可進(jìn)行鎖口混凝土以下豎井水磨鉆開挖。

3.2.3 卷揚(yáng)系統(tǒng)安裝

卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)采用雙筒卷揚(yáng)機(jī)或同型號(hào)兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)提升一個(gè)吊籠，兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)使用時(shí)應(yīng)同步使鋼絲繩受力均衡。為保證卷揚(yáng)機(jī)吊裝時(shí)的穩(wěn)定安全，豎井吊裝用卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置的最大提升速度不宜超過40m/min。卷揚(yáng)機(jī)安裝位置的地基應(yīng)堅(jiān)固，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離、避開危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域，并選擇土質(zhì)堅(jiān)固的地方埋設(shè)地錨，用鋼絲繩與卷揚(yáng)機(jī)底座鎖牢，防止卷揚(yáng)機(jī)發(fā)生移動(dòng)和傾覆。卷揚(yáng)機(jī)機(jī)身安裝后應(yīng)平直，機(jī)身無受力彎曲或腐蝕現(xiàn)象。卷揚(yáng)機(jī)井架安裝時(shí)應(yīng)安排專人指揮，確保無作業(yè)人員在吊物下方。

3.2.4 水磨鉆開挖

沿豎井周邊布置水磨鉆取芯點(diǎn)，水磨鉆取芯直徑為15cm，周邊取芯圓均與鎖口混凝土內(nèi)壁相切；依次按照布置的點(diǎn)位鉆取豎井周邊巖芯，單次鉆取巖芯高度為70cm，待豎井周邊巖芯取完后，豎井中心剩余巖體外圍便形成一個(gè)圓形的臨空面。

中間巖石鉆孔：順著巖石中心線采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，分別在縱橫向垂直鉆孔，鉆孔完成后將中間巖石均勻分成四等份，以便于后期巖體裂解。在已鉆好的所有手風(fēng)鉆孔內(nèi)插入鋼楔，待鋼楔插入后人工采用大錘持續(xù)擊打，使巖體受到?jīng)_擊力后全部裂解。

3.2.5 出渣

豎井周邊巖體采用水磨鉆取芯完成后，將水磨鉆鉆出的巖體裂解后采用吊桶出渣，出渣應(yīng)從豎井一側(cè)進(jìn)行，利用預(yù)先布置好的卷揚(yáng)機(jī)將吊桶吊出豎井內(nèi)部。

出渣時(shí)吊桶上部應(yīng)密封，因巖體較重，為確保吊裝安全，采用的吊桶容積宜控制在1m3內(nèi)，且吊桶的最大裝渣量不宜超過總?cè)莘e量的2/3。豎井開挖前期，出渣時(shí)井內(nèi)人員通過設(shè)置的安全爬梯先出豎井，再進(jìn)行出渣；待開挖至豎井中部后為加快施工進(jìn)度，可在豎井內(nèi)開挖一個(gè)人員避險(xiǎn)洞，待出渣時(shí)，井下人員可直接進(jìn)洞避險(xiǎn)，再安排出渣作業(yè)。

3.2.6 下一循環(huán)開挖

沿豎井周邊采用水磨鉆鉆孔取芯，孔孔相連，按照自上而下依次分層鉆孔、破裂、取芯體的循環(huán)工序開挖，取出的巖芯利用卷揚(yáng)機(jī)吊出豎井內(nèi)部，較大巖體在豎井中分解后裝吊桶吊出。

豎井在每層開挖完成后要測(cè)量檢查底部偏位情況并及時(shí)糾偏，同時(shí)標(biāo)記出下一個(gè)循環(huán)外周水磨鉆鉆孔取芯位置后即可進(jìn)入下一循環(huán)施工。

4 質(zhì)量控制措施

建立崗位責(zé)任制，依此類推至各工序負(fù)責(zé)人及具體施工者，做到責(zé)任明確；嚴(yán)格控制各工序質(zhì)量，施工過程中嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)交底、質(zhì)量檢查及驗(yàn)收管理辦法，切實(shí)保證標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)質(zhì)量；安排專職質(zhì)檢員負(fù)責(zé)豎井水磨鉆開挖過程中的監(jiān)控管理，對(duì)施工過程中不符合施工工藝要求的地方及時(shí)指正，確保水磨鉆開挖施工質(zhì)量優(yōu)良；嚴(yán)格落實(shí)三檢制度，有效控制工程質(zhì)量；所有測(cè)量儀器必須經(jīng)過檢驗(yàn)合格才能使用，豎井開挖施工測(cè)量儀器主要采用全站儀，豎井開挖施工前由專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行精確定位，開挖平面位置必須嚴(yán)格控制；豎井開挖過程中不應(yīng)欠挖，且盡量減少超挖，由測(cè)量人員定期檢測(cè)豎井中心線的定線誤差，發(fā)現(xiàn)開挖偏差應(yīng)及時(shí)調(diào)整，確保豎井開挖的位置和尺寸準(zhǔn)確，控制在規(guī)范偏差范圍內(nèi)；在豎井出渣過程中，卷揚(yáng)機(jī)使用的提升鋼絲繩應(yīng)慎重選用，有磨損、斷絲情形的不可使用，且應(yīng)時(shí)常對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢查。

5 應(yīng)用結(jié)果

本項(xiàng)技術(shù)在福州市江北城區(qū)山洪防治及生態(tài)補(bǔ)水工程的東山截洪樞紐小斷面豎井開挖過程中成功應(yīng)用，有效解決了非爆破區(qū)小斷面豎井施工存在的問題，在保證施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度的前提下，降低了豎井開挖的施工成本，圓滿完成了施工任務(wù)；并且在導(dǎo)孔施工、鎖口混凝土澆筑、水磨鉆開挖、石方裂解、出渣等方面總結(jié)和提煉出一套系統(tǒng)、成熟可靠的小斷面豎井開挖施工工藝技術(shù)，使得工程質(zhì)量不僅滿足設(shè)計(jì)要求，而且經(jīng)濟(jì)效果顯著。

6 施工特點(diǎn)

通過以上分析得出，水磨鉆“正井法”開挖小斷面豎井施工技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是本項(xiàng)技術(shù)采用潛孔鉆機(jī)鉆孔后能夠加強(qiáng)豎井內(nèi)通風(fēng)，豎井內(nèi)水流自導(dǎo)孔下流至平洞，豎井內(nèi)無排水壓力，不受下雨及通風(fēng)設(shè)備影響。二是本項(xiàng)技術(shù)采用水磨鉆依次鉆取豎井外周巖芯，取芯位置易控制、偏差小，巖壁外觀質(zhì)量高。三是本項(xiàng)技術(shù)對(duì)豎井中心石方用手風(fēng)鉆鉆孔后，在孔道中插入鋼楔，大錘擊打巖體裂解，人工裝吊桶后采用卷揚(yáng)機(jī)“正井法”出渣，操作簡單，安全性高。四是本項(xiàng)技術(shù)適用于非爆破及爆破區(qū)的小斷面豎井開挖施工，也可應(yīng)用于各類大型斷面豎井的導(dǎo)井(溜渣井)開挖。

7 結(jié) 論

通過東山截洪樞紐豎井開挖實(shí)踐，總結(jié)和提煉出一套系統(tǒng)、成熟可靠的小斷面豎井水磨鉆開挖施工技術(shù)。小斷面豎井水磨鉆開挖技術(shù)可操作性強(qiáng)，既能保證豎井巖體的開挖質(zhì)量，又加快了豎井開挖進(jìn)度，解決了小斷面豎井因工程區(qū)域周邊環(huán)境影響無法采用爆破法及反井鉆機(jī)的技術(shù)難題，可供小斷面豎井及大斷面豎井導(dǎo)井(溜渣井)施工，為小斷面豎井水磨鉆開挖起到了積極的推廣作用，為后續(xù)水磨鉆豎井開挖施工建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。