淺談不良地質條件下的豎井開挖及支護施工工藝

沈波

摘 要：巴基斯坦NJ水電站項目的豎井深353.20 m，且地質條件差，屬于典型的不良地質條件下的長深度豎井施工，施工過程中，安全和質量控制難度大。文章從施工工藝選擇、不良地質條件下的施工原則和施工程序等方面，對NJ水電站項目豎井開挖施工實施過程進行了介紹，供類似工程借鑒。

關鍵詞：不良地質 豎井 開挖 施工工藝

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0035-02

1 工程概況

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電站（N-J水電站）是一座位于巴控克什米爾地區尼魯姆河上的長隧洞引水式水電站，總裝機容量為969 MW。

項目的調壓豎井上部與引水調壓洞相連，下部與引水洞以一條55 m長的下調壓平洞相連。豎井設計開挖斷面為圓形，開挖直徑10.70 m，上井口高程950.00 m，下井口高程596.80 m，豎井深353.20 m，后期鋼筋混凝土全斷面襯砌。

豎井圍巖絕大部分為砂巖、泥質砂巖和頁巖，內含石英石脈，巖層傾向為NW320-350°，傾角為NE45-86°；砂巖一般比較堅硬和新鮮；小規模的斷層和層間過渡的泥化夾層較發育，且伴有豐富的地下水。圍巖中Ⅱ～Ⅲ類圍巖占45%，Ⅳ～Ⅴ類圍巖占55%，整體穩定性較差。

2 施工工藝選擇

豎井開挖一般采用的方式是先開挖導井，后擴挖至設計斷面。主要的導井開挖方法有反井鉆機法、爬罐法、吊罐法和普通法等[1]。

由于該項目的圍巖整體穩定性較差，豎井斷面較大，且豎井深度較大，施工難度大，采用一般施工方式安全隱患較大，經綜合考慮該豎井的施工特點及施工要求，決定采用反井鉆機法施工導井，選用BMC400型反井鉆機，配380 m鉆桿，先開挖直徑為φ1.65 m的導井，再采用鉆爆法自上而下分層將導井擴挖至設計開挖斷面，最后采用滑膜自下而上澆注豎井混凝土。

3 開挖支護施工

3.1 不良地質條件下的施工原則

（1）導孔施工過程中，及時采用固壁措施，避免由于巖體破碎塌孔。若遇到100%沖洗水損失時，可能遇到較大的裂隙或斷層，及時采用灌漿處理。

（2）為預防塌方，按照“短進尺、弱爆破和強支護”的原則施工，嚴格控制擴挖循環進尺尺寸，每循環擴挖后必須跟進相應的噴錨支護。

（3）避免爆破出現的大塊石堵塞導井，爆破嚴格遵循“多打孔、少裝藥和周邊光爆”的原則施工，并根據爆破效果及時優化和完善爆破參數，控制爆炸粒徑。

3.2 施工程序

該項目豎井施工分3階段進行：首先采用反井鉆機在豎井中心線上開挖一個直徑φ1.65 m的導井；再采用鉆爆法自上而下分層將導井擴挖至10.70 m設計開挖斷面；最后采用滑膜自上而下澆注豎井混凝土。詳細施工程序如下。

豎井開挖施工準備→反井鉆機基礎混凝土施工→反井鉆機安裝調試→反井鉆機施工φ270 mm導孔→反井鉆機反擴φ1.65 m導井→豎井擴挖→擴挖提升設備安裝→豎井終斷面分層擴挖支護施工→豎井施工結束。

（1）豎井開挖施工準備。

豎井開挖前完成調壓隧洞下段開挖支護和引水調壓連接洞的開挖支護工作；對上井口附近的調壓隧洞進行適當擴大并加強支護，對下井口附近的引水調壓連接洞圍巖采取加強支護；做好調壓隧洞的排水工作，在距離豎井50 m左右，設置一個12 m3的集水井；將風、水、電等管線接至豎井上井口附近。

（2）測量放樣。

采用全站儀由專業測量人員進行測量，包括豎井中心線、井底高程、設計輪廓線、鉆孔孔位和終斷面測量等。隨著豎井開挖支護深度增加，在井壁每隔20 m設一樁號標志。另通過在豎井上方安裝激光準直儀聯合重錘控制豎井開挖的中心偏差，擴挖期間用卷尺測量和控制開挖輪廓線。

（3）反井鉆機安裝調試。

清理豎井上井口的松動巖石后，在井口中心澆注一個長5.4 m、寬2.5 m、厚0.5 m的B級混凝土基礎，并預埋固定基座的螺栓?；A混凝土達到一定強度后，安裝反井鉆機及其附屬設施。反井鉆機的安裝必須確保水平精度，以確保導井精度誤差控制在1%以內。

（4）導孔鉆進施工。

鉆機安裝調試就位后，即開始自上而下鉆進φ270 mm的導孔。開孔時采用“短鉆桿、低軸壓、低鉆速和間斷推進”的方式，配合使用扶桿器扶住鉆桿和接入穩定器保證導向精度。距第一個穩定器7～8 m時接入第二個穩定器，隨后每隔15～20 m裝一個穩定器[2]。鉆孔深度達到50 m時開始啟用液壓減壓鉆進系統，隨鉆孔深度的增加，加大減壓壓力，將施加在鉆頭上的軸壓維持在一個理想值，保持上述方法鉆進，直至貫穿連接洞頂拱。

導孔鉆進過程中配備滿足導井施工精度要求的測斜儀進行測斜，按照反井鉆機使用說明中的措施糾偏。

（5）導井施工。

導孔鉆通后，換好φ1.65 m擴孔刀頭，將擴孔刀頭提至欲擴巖面，反復采用“小軸壓、低轉速和間斷推進”方式，直至巖面全部刮平，即所有滾刀均接觸巖面后，則按正常拉力擴孔。對導井上口的反井鉆機基座混凝土，刀具無法擴挖時，再拆除反井鉆機后改用爆破法挖除。

反擴期間落在連接洞底板上的石渣采用3.0 m3側卸裝載機挖裝，15 t自卸汽車運輸至洞外渣場堆放。

（6）豎井擴挖。

導井開挖支護完成后，將豎井擴挖支護至設計開挖斷面。擴挖以導井為中心，采用鉆爆法自上而下分層實施：上井口4.5 m深度范圍內分3層，每層高度1.5 m；中間段分層，每層高度為2.0 m；距離下井口4～5 m范圍內只分1層。擴挖1層必須跟進支護1層。

采用YT28型氣腿鉆造爆破孔和錨桿孔，孔徑為φ42 mm。豎井鉆孔爆破遵循“多打孔、少裝藥和周邊光爆”原則，降低大塊巖石的產生和保證井壁成型質量。

（7）鎖口及提升系統安裝。

在豎井擴挖至6～8m深度時，暫停豎井擴挖，對豎井井口澆筑一圈鋼筋混凝土進行鎖口，避免井口圍巖因沒有壓重而產生松動和滑落。鎖口混凝土高度為2.4 m，厚度0.45 m，混凝土等級為C級。

施工材料和機具上下豎井的提升系統在反井鉆機拆除后安裝，擴挖期間豎井內材料和機具采用集裝箱運輸。在施工鎖口混凝土及等待強度期間，安裝人員提升的有軌電梯和人行爬梯。

（8）出渣。

每循環爆破后，豎井內作業平臺上的石渣采用0.5 m3反鏟扒渣，石渣通過導井落入下部的連接洞內。待豎井內扒渣工作完成，蓋上導井井蓋，再連接洞內出渣，出渣采用3 m3裝載機挖裝，15T自卸汽車運輸至洞外渣場棄料或有用料場存放。

（9）支護。

清理完開挖面浮石、石渣或堆積物，用高壓風水沖洗受噴面后，采用混凝土噴射機對豎井開挖面噴一層5～6 cm厚的混凝土作為初始支護。

豎井擴挖支護錨桿全部采用L=5 m的全注漿非脹殼式錨桿，環向間距為1.2 m，豎向間距為1 m。非脹殼式錨桿施工采用“先注漿后插桿”的施工程序。

在開挖過程中，如遇到較大的裂隙、斷層和較大滲水時，及時采用灌漿處理。

（10）混凝土襯砌。

對于豎井下部井身（高度80 m左右）的混凝土襯砌，利用下方的連接洞作為施工通道，采用豎井滑膜配高壓砼輸送泵機澆筑；對于豎井中上部井身（高度為80 m以上部分）的混凝土襯砌，則利用A8支洞和引水調壓洞下段作為施工通道，采用豎井滑模配BOX管澆筑。

4 質量、安全及環保措施

4.1 質量保證措施

（1）嚴格按設計圖紙、設計修改通知及相關技術規范進行施工。

（2）采用先進的測量儀器和科學的測量控制手段，提高測量精度，每次爆破后均進行開挖掘進細部放樣。

（3）在開挖過程中，根據圍巖變化情況及修正爆破參數，在不良地質豎井段，采用小藥量爆破，以確保圍巖的穩定。

（4）鉆孔嚴格按照設計鉆爆圖施工，各鉆手分區、分部位定人定位鉆孔，每排炮按“平、直、齊”的要求進行檢查。

（5）施工過程中及時測繪開挖斷面，必要時進行復測，每循環進行測量放樣時，均對上一循環開挖斷面進行規格檢查，并將超欠挖情況及時通知鉆爆人員，以便對鉆孔角度進行調整，減少超挖，對欠挖部位及時進行處理，確保洞室的開挖尺寸和規格滿足設計要求。

（6）支護作業嚴格按照有關的施工規范、規程進行。錨桿的安裝方法，包括鉆孔、錨桿固定和注漿工藝，均須經過現場質量人員的檢查。

4.2 安全保證措施

（1）為防止洞室坍塌，開挖不良地質段時，按照“先超前支護、短進尺（L≤2.0 m）開挖、弱爆破和一掘一支護”的原則施工，盡量減少對圍巖的擾動。

（2）在不良地質豎井段開挖支護施工過程中，必須加強井內作業面的燈光照明。

（3）施工期間，對各部分支護進行定期檢查，一旦發現圍巖或支護變形異常，及時通知人員設備撤離危險區并及時報告。噴射混凝土層的異常裂縫作為主要安全檢查項目，經常進行觀察與檢查，并作為施工危險信號引起高度警惕。

（4）加強施工現場火工材料管理，嚴格按規程規范要求從事爆破作業。

（5）定期檢查和維護提升機具和設備，確保運行安全可靠。

4.3 環保措施

（1）施工期間，保證施工設備停放整齊有序，施工材料堆放合理，設備性能安全可靠；固體廢棄物設置固定堆放點，并安排專人管理；操作人員證件齊全，規范操作。

（2）施工期間，對施工現場道路勤灑水，防止揚塵。

（3）爆破后，確保洞內通風質量，防止各種粉塵、廢氣等污染施工環境，并采取有效措施減低噪聲、振動等污染環境和促進施工人員的身心健康。

5 結語

近年來，隨著國內外長隧洞引水式水電站項目的逐步開發建設，豎井的施工也越來越多，其施工工藝也日益成熟，但不良地質情況下的長深度的豎井施工仍是一個難點。隨著當前科學技術的日益發達，將現代化科技、高科技含量的施工工藝和施工設備運用到豎井施工中，也是解決不良地質條件下長深度豎井施工的有效方法。

參考文獻

[1] 余景波.不良地質條件下反井鉆機在豎井開挖中的應用[J].河南水利與南北水調，2015（16）：32-34.

[2] 宋海亮.引水隧洞豎井開挖及支護施工方案[J].技術與市場，2015（12）：165-166.