大傾角巖層地質(zhì)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(zhì)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(tǒng)的反井鉆機先導(dǎo)孔鉆進施工方法，但由于本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石堅硬且?guī)r層傾角大，導(dǎo)致反井鉆機施工失敗。后經(jīng)過研究，最終采用正井法和爬罐法完成施工。文章結(jié)合該工程案例，對復(fù)雜地質(zhì)條件下深豎井施工不同的施工方法進行了總結(jié)，可為類似地質(zhì)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(dǎo)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(tǒng)中的豎井、調(diào)壓井、閘門井、出線井、通風(fēng)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(fēng)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(chuàng)造豎井底部出渣通道，采用反井鉆機開挖導(dǎo)井，進一步擴挖形成豎井是一種安全、快速、經(jīng)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(zhì)條件下，可能導(dǎo)致反井鉆機應(yīng)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(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)孔鉆進過程

1.1 反井鉆機鉆進先導(dǎo)孔

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

先導(dǎo)孔鉆進至36 m深度時，測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shè)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(dǎo)孔。鉆進至53 m深度時，測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)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(xiàn)原孔回填混凝土材料，判斷和原孔位出現(xiàn)串孔，停止鉆孔。

1.2 加裝RVDS鉆進先導(dǎo)孔

1.2.1 RVDS智能糾偏設(shè)備

德國RVDS智能糾偏設(shè)備（Rotary Vertical Drilling System，即旋轉(zhuǎn)垂直鉆進系統(tǒng)），為德國Micon公司產(chǎn)品，曾成功應(yīng)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(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測導(dǎo)孔偏移，并實時對鉆頭方向進行調(diào)整，保證鉆進垂直度始終動態(tài)受控。該設(shè)備為獨立的系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)。

1.2.2 加裝RVDS鉆進效果

加裝RVDS設(shè)備后，先后在兩個孔位進行先導(dǎo)孔鉆進。第一次先導(dǎo)孔鉆進至36 m時，RVDS反饋數(shù)據(jù)顯示孔底偏移40 cm，因偏移過大停止鉆孔；第二次先導(dǎo)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(dǎo)孔

歷經(jīng)四次先導(dǎo)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(shè)備進行先導(dǎo)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(dǎo)孔鉆進至27 m時，RVDS監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示孔底偏移17.40 cm；第二次先導(dǎo)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(xiàn)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(zhì)條件較為復(fù)雜。

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

2 反井鉆機先導(dǎo)孔鉆進失敗原因分析

反井鉆機先導(dǎo)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(fù)雜地質(zhì)條件所致，為進一步驗證地質(zhì)條件，使用地質(zhì)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(jié)果

對豎井50 m深度內(nèi)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(jié)果見表1。

表1 巖芯試樣抗壓強度表

2.2 反井鉆機先導(dǎo)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(dǎo)孔鉆進過程中，均因孔底偏移過大而導(dǎo)致失敗結(jié)果分析，認(rèn)為本工程圍巖70～85°大傾角斜紋巖體構(gòu)造是反井先導(dǎo)孔偏移無法控制的主要原因。在先導(dǎo)孔鉆進過程中，巖體在鉆頭沖擊作用下，極易產(chǎn)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(dǎo)致鉆頭沿斜紋破壞方向滑移，即使采用RVDS設(shè)備也無法克服鉆進偏移，實際結(jié)果證明在大傾角片麻巖層地質(zhì)條件下，反井鉆機先導(dǎo)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(dǎo)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(huán)作業(yè)類似，每循環(huán)開挖支護高度2.50 m，每開挖支護循環(huán)作業(yè)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(tǒng)和安全防護系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)配置的合理性是施工成敗的關(guān)鍵因素，其他開挖支護所需風(fēng)水電供應(yīng)、排水系統(tǒng)配置和隧洞鉆爆作業(yè)類似。材料垂直輸送和安全防護系統(tǒng)裝置具有很強的專業(yè)性和實踐性，本文不做說明。

3.2 爬罐法導(dǎo)井施工

爬罐法是利用可沿軌道爬升的爬罐設(shè)備作為鉆爆工作平臺，自下而上進行導(dǎo)井鉆爆開挖，導(dǎo)井貫通后再自上而下擴挖成井。本工程采用Alimar公司生產(chǎn)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(fēng)排煙困難，特別是隨著導(dǎo)井高度增加，作業(yè)效率降低。由于爬罐法必須使用專業(yè)爬罐設(shè)備，目前應(yīng)用日趨減少。

4 三種開挖方式經(jīng)濟效益

通過本工程豎井施工成本統(tǒng)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(jié)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(yè)面的情況下，反井鉆機具有無可比擬的進度、安全和成本優(yōu)勢；但對于大傾角層狀堅硬巖石，先導(dǎo)孔鉆進時，鉆進方向會產(chǎn)生沿巖層結(jié)構(gòu)面方向偏移，可能導(dǎo)致無法成功實施，同時，對于非常破碎且地下水發(fā)育的惡劣地質(zhì)條件，也曾有導(dǎo)井貫通后發(fā)生大面積坍塌導(dǎo)致導(dǎo)井廢棄的先例。因此，采用反井鉆機方案前，應(yīng)對圍巖地質(zhì)條件予以評估，以確定反井鉆機的適應(yīng)性。

正井全斷面開挖豎井，經(jīng)濟性差，且須配置較為復(fù)雜的垂直提升系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)設(shè)施，但適應(yīng)于各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，且無需豎井底部作業(yè)面，仍然是復(fù)雜地質(zhì)條件下廣泛使用的作業(yè)方案。

爬罐法適用于僅有底部作業(yè)面的豎井開挖，經(jīng)濟性介于上述兩者之間，對地質(zhì)條件的適應(yīng)性廣泛，但需要專業(yè)的爬罐設(shè)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(zhì)條件下，應(yīng)注意通過超前探孔判斷掌子面不良地質(zhì)條件狀況，必要時采取超前灌漿等措施改良地質(zhì)條件，預(yù)防出現(xiàn)頂部掌子面坍塌。

（責(zé)任編輯：趙 鑫）

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2016-08-08