大傾角巖層地質條件下深豎井施工方案

□雷敬義 □雷春華（中國水利水電第十一工程局有限公司）

大傾角巖層地質條件下深豎井施工方案

□雷敬義 □雷春華（中國水利水電第十一工程局有限公司）

尼泊爾某水電站深豎井施工，剛開始采用傳統的反井鉆機先導孔鉆進施工方法，但由于本工程地質條件復雜，巖石堅硬且巖層傾角大，導致反井鉆機施工失敗。后經過研究，最終采用正井法和爬罐法完成施工。文章結合該工程案例，對復雜地質條件下深豎井施工不同的施工方法進行了總結，可為類似地質條件下深豎井的施工方法選擇提供參考。

豎井；大傾角巖層；反井鉆機；導井；正井法

0 引言

豎井是引水式水電站常見建筑物，例如引水系統中的豎井、調壓井、閘門井、出線井、通風井及交通井等。豎井施工具有工作面狹小、出渣困難、施工安全風險大等特點，是水電工程難點工程之一。

對于深度超過約50 m的深豎井，創造豎井底部出渣通道，采用反井鉆機開挖導井，進一步擴挖形成豎井是一種安全、快速、經濟的施工方法，已成為目前水電站豎井施工的首選方法。但在特殊地質條件下，可能導致反井鉆機應用失敗，采用正井法及爬罐法進行深豎井施工仍然是可能的可選方案。

尼泊爾某引水式水電站工程，裝機容量4.00x9.30 MW。其中引水系統壓力鋼管豎井高度378 m，直徑4.40 m，豎井圍巖為片麻巖，屬Ⅱ～Ⅲ類圍巖，巖石硬度較大，巖層傾角約70～85°。豎井施工采用反井鉆機施工過程中，先導孔鉆進失敗，最終采用正井法、爬罐法完成豎井開挖。

1 反井鉆機導孔鉆進過程

1.1 反井鉆機鉆進先導孔

本工程采用常州市立鼎煤礦機械有限公司生產的ZFY3. 50/120/400型反井鉆機施工，計劃導井直徑1.40m，先導孔直徑250 mm。在先導孔鉆進過程中嚴密監測機架垂直度，并采用CX-5C型測斜儀監測孔底鉆頭位置，先導孔正常鉆進速度約1 m/h，具體實施工藝不再贅述。

先導孔鉆進至36 m深度時，測斜儀監測數據顯示孔底偏移39 cm，偏向WS。因孔底偏移過大，停止鉆孔。

在對已鉆孔位進行混凝土回填后，對鉆桿、鉆頭等設備進行進一步矯正更新，在距離原孔位50 cm處重新開鉆先導孔。鉆進至53 m深度時，測斜儀監測數據顯示孔底偏移58.93 cm，偏向和首次鉆進同為WS;另外鉆孔反碴出現原孔回填混凝土材料，判斷和原孔位出現串孔，停止鉆孔。

1.2 加裝RVDS鉆進先導孔

1.2.1 RVDS智能糾偏設備

德國RVDS智能糾偏設備（Rotary Vertical Drilling System，即旋轉垂直鉆進系統），為德國Micon公司產品，曾成功應用于冰島兩條414 m深豎井施工，最終垂直度偏移量為0.05%～0.06%。該設備能夠實時監測導孔偏移，并實時對鉆頭方向進行調整，保證鉆進垂直度始終動態受控。該設備為獨立的系統，只需整體加裝在反井鉆機的鉆頭上，并與鉆桿連接，無需改變反井鉆機的結構。

1.2.2 加裝RVDS鉆進效果

加裝RVDS設備后，先后在兩個孔位進行先導孔鉆進。第一次先導孔鉆進至36 m時，RVDS反饋數據顯示孔底偏移40 cm，因偏移過大停止鉆孔；第二次先導孔鉆進至61 m時，孔底偏移29.90 cm，鉆進至70 m時，孔底偏移33.90 cm。兩次鉆進均因孔底偏移過大，停止鉆孔。兩次偏向均為WS。

1.3 引進較大功率反井鉆機并加裝RVDS鉆進先導孔

歷經四次先導孔鉆進失敗后，項目部引進一臺型號為250RBM的反井鉆機，并加裝RVDS設備進行先導孔鉆進，該鉆機曾被成功用于尼泊爾其他項目100 m深斜井反井施工，考慮到此前鉆孔均向WS方向偏斜，將開孔位置向EN方向偏移1.75 m。

首次先導孔鉆進至27 m時，RVDS監測數據顯示孔底偏移17.40 cm；第二次先導孔鉆進至25 m時，孔底偏移8 cm，鉆進至50 m時，孔底偏移76.28 cm，偏向均為WS。兩次鉆進均因孔底偏移過大，停止鉆孔。現場鉆進過程顯示，鉆進超過25 m時，鉆機震動明顯，偏移量加大，反映出地質條件較為復雜。

CT組CT檢查損傷總診斷率為70.83%，關節鏡診斷率為91.67%，兩種診斷方式診斷結果有顯著差異（P＜0.05），見表2。

2 反井鉆機先導孔鉆進失敗原因分析

反井鉆機先導孔鉆進多次嘗試失敗，基本證明了采用反井鉆機無法成功實施本項目豎井施工，初步判斷為復雜地質條件所致，為進一步驗證地質條件，使用地質鉆機對該豎井位置進行了50 m深度取芯實驗。

2.1 巖芯分析結果

對豎井50 m深度內巖石取芯，并對不同深度的3組巖芯做抗壓強度試驗。測試結果見表1。

表1 巖芯試樣抗壓強度表

2.2 反井鉆機先導孔鉆進失敗原因

通過巖芯破壞測試，以及6次反井鉆機先導孔鉆進過程中，均因孔底偏移過大而導致失敗結果分析，認為本工程圍巖70～85°大傾角斜紋巖體構造是反井先導孔偏移無法控制的主要原因。在先導孔鉆進過程中，巖體在鉆頭沖擊作用下，極易產生沿巖體天然斜紋方向破壞，同時因巖體硬度較大，需要較大的垂直鉆進壓力，導致鉆頭沿斜紋破壞方向滑移，即使采用RVDS設備也無法克服鉆進偏移，實際結果證明在大傾角片麻巖層地質條件下，反井鉆機先導孔鉆進方向難以控制。

3 正井法全斷面開挖豎井和爬罐法開挖導井法施工

3.1 正井法全斷面開挖豎井

正井法全斷面開挖與一般隧洞鉆爆開挖循環作業類似，每循環開挖支護高度2.50 m，每開挖支護循環作業時間約24 h。正井法全斷面開挖方案的要點是配置合理可靠的材料垂直輸送系統和安全防護系統裝置，該系統配置的合理性是施工成敗的關鍵因素，其他開挖支護所需風水電供應、排水系統配置和隧洞鉆爆作業類似。材料垂直輸送和安全防護系統裝置具有很強的專業性和實踐性，本文不做說明。

3.2 爬罐法導井施工

爬罐法是利用可沿軌道爬升的爬罐設備作為鉆爆工作平臺，自下而上進行導井鉆爆開挖，導井貫通后再自上而下擴挖成井。本工程采用Alimar公司生產的STH-5EE型電動爬罐，與正井法相比較，爬罐法施工效率較低，通風排煙困難，特別是隨著導井高度增加，作業效率降低。由于爬罐法必須使用專業爬罐設備，目前應用日趨減少。

4 三種開挖方式經濟效益

通過本工程豎井施工成本統計和測算，正井法施工成本約為爬罐法施工成本的1.40～1.60倍，爬罐法的施工成本約為反井鉆機法的1.50～2.00倍。

5 結語

對于一般水電站工程深豎井工程，在具備豎井頂部和底部作業面的情況下，反井鉆機具有無可比擬的進度、安全和成本優勢；但對于大傾角層狀堅硬巖石，先導孔鉆進時，鉆進方向會產生沿巖層結構面方向偏移，可能導致無法成功實施，同時，對于非常破碎且地下水發育的惡劣地質條件，也曾有導井貫通后發生大面積坍塌導致導井廢棄的先例。因此，采用反井鉆機方案前，應對圍巖地質條件予以評估，以確定反井鉆機的適應性。

正井全斷面開挖豎井，經濟性差，且須配置較為復雜的垂直提升系統和安全防護系統設施，但適應于各種復雜的地質條件，且無需豎井底部作業面，仍然是復雜地質條件下廣泛使用的作業方案。

爬罐法適用于僅有底部作業面的豎井開挖，經濟性介于上述兩者之間，對地質條件的適應性廣泛，但需要專業的爬罐設備，施工進度劣于正井法開挖。在非常破碎或富含地下水的地質條件下，應注意通過超前探孔判斷掌子面不良地質條件狀況，必要時采取超前灌漿等措施改良地質條件，預防出現頂部掌子面坍塌。

（責任編輯：趙 鑫）

TU 455.4

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1673-8853（2016）11-0033-02

2016-08-08