深大調壓井快速開挖支護技術研究

古顯奎，陳洪波，吳方明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

毛爾蓋水電站調壓井工程開挖直徑26.3 m，井身開挖高度171 m，內徑22 m，井筒采用鋼筋混凝土襯砌，厚2 m。調壓井井口以下0～30 m段為強卸荷巖體，巖體松弛，完整性差，呈碎裂結構及散體結構，圍巖極不穩定，圍巖類別為Ⅴ類;井口以下30～70 m段為弱風化巖體，巖體較破碎，呈鑲嵌-碎裂結構，圍巖不穩定，以Ⅳ類圍巖為主;井口以及70～171 m段為微新巖體，巖體完整性為中等，呈塊裂-鑲嵌結構，圍巖穩定性差，以Ⅲ-2類圍巖為主。調壓井以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，加之圍巖受“5.12”汶川地震及余震影響，地質條件惡化，巖面裂隙張開且存在擠壓破碎帶和軟弱夾層，其抗剪強度均較低，圍巖穩定性較差，從而對施工和圍巖穩定控制方法的要求高。

2 施工中遇到的主要技術難點

(1)破碎圍巖調壓井井周預固結灌漿及錨筋束加固技術。

(2)不良地質情況下的導井擴挖技術。

(3)破碎圍巖深大調壓井平面多分區短臺階擴挖施工技術。

(4)深井安全通道下井技術。

(5)深井混凝土直溜系統技術。

(6)破碎圍巖深大調壓井倒掛混凝土快速施工技術。

3 采用的主要施工方法與對策

針對毛爾蓋水電站調壓井工程施工質量要求高、地質條件復雜、安全問題突出、工期緊張等實際情況，通過認真研究，最終決定采用的具體方法與對策如下。

3.1 預加固技術

(1)后邊坡錨固技術。

毛爾蓋水電站調壓井后邊坡高100 m，設有二級馬道，采用錨噴支護+框格梁混凝土+預應力錨索聯合支護。通過現場檢測和驗收，調壓井工程的整個后邊坡支護工程被評定為優良工程。

(2)井口鎖口鋼筋混凝土加固技術。

為提高井周巖體的自穩能力，保證井體開挖施工安全，對井周進行了預固結灌漿并安設了錨筋樁。所采取的措施是在井體開挖線以外7 m范圍內先澆筑3.5 m厚的蓋重混凝土，并使之與鎖口混凝土形成整體(圖1)。

圖1 井臺加固結構示意圖

(3)井周預加固技術。

在井口周圈3.5 m范圍內布置了兩排深超前預固結灌漿孔，井壁外圍灌漿孔布置情況為:以調壓豎井中心為圓心，分別以14.5 m、16 m為半徑布置灌漿孔，孔距1.5 m。灌漿完成后在灌漿孔中安裝錨筋束，內圈為 2φ32，外圈為 1φ32，L=70～80 m。錨筋束的連接采用套筒連接方式。

3.2 不良地質情況下的導井擴挖技術

井周條件決定了調壓井工程只能采取自上而下的溜渣導井法開挖。選用反井鉆機進行導井施工，成井直徑為1.4 m。為進一步擴大溜渣能力，加快開挖進度，降低開挖成本，需擴挖溜渣導井。

(1)導井擴大前的準備工作。

先對導井周圍3.5 m直徑 范圍內進行預固結灌漿，使φ4 m范圍內巖體的強度提高，完整性增強，為導井創造了有利的成井條件。在完成φ1.4 m的導井開挖工作后拆除反井鉆機，安裝一臺起重力為3 t的卷揚機和一套上下全封閉的施工作業吊籠，形成人工擴大導井的施工條件。圖2為施工吊籠結構圖(注:制作吊籠的鋼筋只能用圓鋼而不能用螺紋鋼筋)。

圖2 施工吊籠結構圖

(2)開挖導井實施的安全措施。

由專人指揮，定時定點專項檢查。下井人員不能超過2人，采用雙保險作業。下井人員必須配戴安全勞動保護用品，同時，在井口上系好安全繩，采用程控電話加對講機雙系統指揮作業人員。

(3)導井鉆孔方式。

導井擴挖由下至上，采用1 m淺孔爆破。鉆孔采用YT28手風鉆，鉆孔角度與水平方向成60°夾角。毛爾蓋水電站調壓井171 m深的導井鉆孔一次性完成，采用“魚鱗背”形式的鉆孔方式。

(4)導井爆破方法。

爆破方式采用由下至上、分梯段爆破，每20 m作為一爆破梯段，爆破渣料可直接落入大井下部，方便除渣，循環時間很短，有利于大井的快速擴挖。

3.3 大井開挖施工的關鍵技術

(1)開挖方法及宗旨。

井身擴挖及支護原則:以“認識圍巖、保護圍巖、支護圍巖、監測圍巖”為宗旨。圍巖類別以地質雷達超聲波預報通知單為準。施工過程中采用立面分層、平面分區、現代215－7反鏟下臥扒渣、開挖、支護與圍巖監測及時跟進的綜合施工方法(圖3)。

圖3 調壓井井身擴挖示意圖

圖4 調壓井分區及爆破設計示意圖

(2)開挖分區及爆破設計。

開挖順序是保證開挖作業順利進行的一個關鍵環節，開挖順序系根據各豎井的具體地質情況確定。大井采用立面分層、平面分區的溜渣法自上而下開挖，每層分兩區四塊，鉆孔與扒渣輪流作業。周邊采用光面控制爆破技術，詳見調壓井分區及爆破設計示意圖(圖4)。

(3)開挖與支護及時跟進。

爆破后先撬除松動巖塊，再進行臨時支護加倒掛混凝土施工，每向下擴挖一層，先跟進臨時支護，再進行倒掛混凝土襯砌支護，全圓分塊(平面上將井圈分為4倉，每周圈作一次錯縫施工)，混凝土襯砌滯后開挖約0.5～1 m，開挖一層，及時支護一層，支護順序為1→2→3→4(上部70 m井筒進行倒掛混凝土襯砌支護)。

(4)導井安全防護措施。

嚴禁直接將超徑塊石推入導井。將最大尺寸為導井直徑1/2～2/3的塊石分別下溜，對于大于2/3導井直徑的則留在臺階上，待下茬炮破解后下溜;控制溜渣速度;在導井進口處設鋼筋網防護罩，防止人機墜入。

(5)快速扒渣技術。

采用從井口開始，直接讓反鏟駛進井內、設置防護罩下臥的方式進行快速扒渣，隨大井開挖下臥，最后從井底安全出井。

3.4 支護技術

(1)Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護。

Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護:采用設計方案中的永久支護錨桿+掛鋼筋網+噴C20混凝土厚10 cm+倒掛0.8 m混凝土聯合支護，水平固結灌漿孔采用φ60鋼管預埋跟進的施工方法。

(2)Ⅲ類圍巖支護。

支護順序為:設計錨桿+噴混凝土厚15 cm+超前小導管+局部3×φ28，L=9 m的錨筋束聯合永久支護的方法組織施工，以確保調壓井開挖期間的安全。聯合支護順序為1→2→3→4與開挖順序同步組織施工，施工期間作好井壁變形觀測。

(3)圍巖加固技術。

巖體陡傾結構發育，與調壓井中心線夾角較小。由于層面與裂隙的不利組合，具有易產生“楔”型塊體失穩及滑移破壞的特點，開挖時易造成大塌方，加之圍巖受“5.12”汶川地震及余震影響，地質條件惡化，巖面裂隙張開，整體穩定性差等特點，施工時利用局部增加的錨筋束孔及超前小導管孔對開挖區井壁進行了預加固灌漿，灌漿壓力控制在0.5 MPa范圍以內。

(4)支護優化。

通過反復論證及分析，施工中將調壓井下部設計的L=9 m錨桿φ32@1.5 m×1.5 m 永久錨桿優化為間排距3 m×3 m φ32 L=9 m錨桿噴錨支護，節省了9 m長 錨 桿1000根，減 少 造 孔9000 m，毛爾蓋水電站調壓井月開挖強度達到20 m的創新記錄。

3.5 施工安全通道技術

運用施工現場自制的“旋轉樓梯”下井，采用可回收的鋼筋制作旋轉樓梯，按俯角40°下臥，利用預埋鋼筋和錨桿加固焊接完成，跟進倒掛混凝土及開挖支護同步作業完成。樓梯寬度設為0.8 m，護欄高1.2 m，護欄外側與樓梯底面均采用鋼筋網加安全網封閉。在倒掛混凝土中預埋φ32鋼筋并外露0.8 m為樓梯架力筋，無倒掛混凝土部分直接使用系統錨桿為架立筋，旋轉樓梯每一周圈設置一個休息平臺，詳見旋轉樓梯布置圖(圖5)。

3.6 混凝土快速入倉技術

根據毛爾蓋水電站調壓井工程的特點，在經過多次試驗并取得成功后，采用了從井邊布置一臺(套)HZS60拌合站、8 m3混凝土罐車運輸車沿井圈水平運輸混凝土至受料斗、經過多個套接式混凝土溜管緩沖器(直徑為200 mm鋼管)形成直溜系統入倉的方式。混凝土直溜系統由進料系統、溜送系統、分料系統組成。為了控制混凝土的溜送速度，確保直溜混凝土速度受控、不離析，施工中經過反復試驗，研制開發了套接式混凝土溜管緩沖器。

4 結語

圖5 旋轉樓梯布置圖

毛爾蓋水電站調壓井工程開挖空間尺寸巨大，容積為63862.3 m3。根據成都勘測設計研究院設計報告及四川省科學技術信息研究所查新資料表明:毛爾蓋水電站調壓井是目前施工中容積最大的“亞洲第一井”。依托該工程，開展了毛爾蓋水電站深大調壓井快速開挖、支護施工技術研討，采用了先進的技術手段和理論分析方法，成功地運用了井周預加固技術、導井擴大開挖技術、旋轉樓梯下井技術、平面多分區短臺階擴挖施工技術、快速扒渣技術、圍巖加固技術、超高落距混凝土直溜系統、套接式混凝土溜管緩沖器技術，從而保證了施工安全和施工質量，取得了良好的社會、經濟和環保效益，同時加快了施工進度，井筒開挖完成時間比合同工期提前了263 d，比要求的控制工期提前了139 d，預計工程建設工期為965 d，工期將縮短110 d。該調壓井的快速施工，為毛爾蓋水電站工程汛前蓄水奠定了基礎，預計將取得4435萬元的提前發電效益，減少施工成本99.5萬元。3臺機組提前發電將多產生出清潔電力14784萬kW·h，相當于減少標準煤用量1.9萬t，取得了巨大的環保效益。因此，開展破碎圍巖深大調壓井快速施工技術研究是十分必要的，具有現實指導意義。