雨量充沛地區土質圍巖豎井開挖技術研究

楊 玉 銀， 左 祥， 劉 志 輝， 張 健 鵬， 韓 靜， 袁 農 平， 王 先 浩

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內的卡爾揚東哥地區卡魯瑪村，距離烏干達首都坎帕拉270 km。所處區域3～11月份為雨季，雨量極充沛；12～次年2月份為旱季，雨量很少。

尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8 705.505 m，2#尾水洞長8 609.625 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，寬13.6～15.2 m，高13.45～15.05 m，圍巖主要為花崗片麻巖，以Ⅱ類圍巖為主，f=8～10。布置有8#、9#、10# 三條施工支洞，其中8#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)2+735.764，全長1 167.52 m，底坡坡比為9.5%；9#施工支洞與2#尾水洞相交于TRT(2)5+463.571，全長732.68 m，底坡坡比為10.42%。通過8#支洞在1#、2#兩條主洞間形成了8#支洞聯通洞；通過9#支洞在1#、2#兩條主洞間形成了9#支洞聯通洞。

為了解決主洞開挖期間的通風排煙問題，在8#聯通洞中間部位的頂部設置了4#通風豎井；9#聯通洞中間部位的頂部設置了5#通風豎井。4#通風豎井深95.78 m，其中上部土質圍巖厚度為35.2 m，設計開挖直徑為6.5 m；下部巖層厚度為60.58 m,設計開挖直徑為5.3 m。5#通風豎井深93.4 m，其中上部土質圍巖厚度為49.07 m，設計開挖直徑為6.5 m；下部巖層厚度為44.33 m,設計開挖直徑為5.3 m。土質圍巖段豎井采用型鋼圈梁結合錨、網、噴支護；下部基巖段豎井支護采用錨、網、噴支護。

2 問題的提出

土質圍巖通常是指包括土體、全風化巖、強風化巖等不需爆破、用反鏟等設備即能直接挖裝的圍巖。對于豎井開挖，目前國內已具有非常成熟的經驗，但在烏干達地區，雨季雨水極其充沛，地下水位很高，土體含水量幾乎處于飽和狀態，隨著開挖深度的增加，井底會出現大量積水，極易造成井壁的土體失穩破壞，進而給豎井開挖工作造成很大困難。此時最易想到的辦法是在豎井周圍采用井點降水，但由于烏干達地區土質圍巖地表覆蓋層較厚(可達30～60 m)且土體透水性很差，存在降水效果不理想與成本過高等問題，從而需要探索一種簡便易行、成本低廉、效果顯著的降水方法，使整個土質圍巖豎井開挖工作在無水條件下進行。

2015年5月，烏干達卡魯瑪水電站地下廠房通風豎井開始開挖，當時其下部通風兼安全洞已經開挖支護完畢，形成下部施工通道。豎井深90.2 m，土質圍巖段設計開挖直徑為5.3 m，附近通氣孔鉆孔顯示：土質圍巖厚度為34 m。當開挖至9.5 m深時井壁出現滲水；開挖至12 m深時，由于土層整體含水量大，井壁出現較大量的滲水，土體自穩能力變差，開挖后井壁坍塌嚴重；至13.4 m深時，井壁土層基本無自穩能力，開挖后井壁坍塌且向上延伸至已支護的井壁后形成空腔；至13.9 m深度時，井底出現向上的涌水且帶出大量的泥沙，井壁土層呈半液態、無自穩能力；繼續向下開挖至14.4 m深時，井壁流出的泥沙又充滿井底，導致無法進行開挖及支護施工。為了降低地下水位，盡快重新開始通風豎井的開挖，在井周采取了井點降水措施，但由于土層透水性差，降水效果不理想，開挖進度緩慢。

如何在不增加開挖成本的前提下實現地下水位的下降，保證井壁穩定并使開挖工作在無水的環境下進行成為通風豎井能否順利開挖的關鍵。

3 施工的特點、難點及處理思路

3.1 施工的特點

卡魯瑪水電站通風豎井具有以下特點：

(1)主要用于主體工程的通風排煙，下部均布置有出渣施工通道，即豎井底部與主體洞室聯通。

(2)豎井在雨季施工，且當地雨量極其充沛。

(3)地表平坦，土質覆蓋層厚。

(4)地表土壤含水量高，接近飽和狀態。

(5)土體滲透性不好，降水難度大。

3.2 開挖難點

(1)豎井開挖過程中，由于地表降雨、井壁和井底的地下水滲入，井內會出現較深的積水，井壁土質圍巖遇水容易軟化而造成井壁失穩、坍塌。

(2)土層滲透性不好，在豎井周圍采用井點降水效果不理想且井點降水成本很高。

3.3 處理思路

從以上分析不難看出，豎井開挖能否順利完成的關鍵在于能否有效降低地下水位，使豎井土質圍巖開挖工作在無水環境中進行。因此，設法有效降低地下水位就成為研究的主要內容。鑒于井點降水效果不理想，因此，不再考慮采用井點降水的措施。為了降低地下水位，考慮沿豎井中心軸線從地表向下鉆垂直中心排水導孔至下部施工通道(圖1)。通過中心排水導孔將地表與下部施工通道連通，在豎井開挖時，使井內的滲水、積水通過中心排水導孔流入下部施工通道，再由下部施工通道內的專用排水設施抽排到洞外，從而保證豎井的開挖工作在無水環境中進行，并按照常規豎井開挖方法進行開挖支護作業。

4 排水導孔降水的基本原理

豎井開挖中心排水導孔的基本工作原理見圖1。從地表沿豎井中心線向下部施工通道(聯通洞)鉆中心排水導孔，孔徑為140～155 mm，孔內設透水套管，豎井開挖時井內的積水或施工用水通過中心排水導孔流入下部施工通道的集水坑內；同時，由于中心排水導孔內設透水套管，地下水在重力作用下產生傾斜流動，形成如圖1所示的降水曲線，使地下水位低于豎井開挖作業面，地下水匯聚于中心排水導孔內流入下部施工通道的集水坑內；集水坑內的地下水通過下部施工通道內的排水系統、經施工支洞抽排到洞外。

圖1 中心排水導孔工作原理示意圖

4.1 排水導孔

(1)導孔直徑D。排水導孔主要用于排除井內的積水并收集導孔周圍地下水的滲水，因此不宜選用過大的孔徑。在卡魯瑪項目的工程實踐中，豎井上部土質圍巖段取D=140 mm，下部基巖段取D=155 mm。

(2)導孔深度H。導孔深度即豎井中心位置地面到下部施工通道頂部的深度，也就是豎井的深度。

4.2 套 管

(1)材質。導孔內的套管主要用于土質圍巖段，選用PVC塑料透水套管。

(2)套管外徑d。套管外徑與導孔直徑相同。取d=140 mm。

(3)套管深度h。從地表到基巖范圍內，即土質圍巖豎井段均設置套管。

(4)套管參數：單節凈長度L=290 cm，外徑為140 mm，套管壁厚δ=7 mm，內絲長度、外絲長度均為66 mm。

(5)套管管壁透水縫隙參數：沿導管環向有4組縫隙，環向間距35 mm,單條縫隙長75 mm，縫寬1.5 mm，間距8.5 mm，如圖2所示。

圖2 套管管壁透水縫隙排列示意圖

5 排水導孔的施工

導孔結構如圖3所示。導孔施工采用車載式水井鉆機，具體施工程序如下：

圖3 中心排水導孔結構示意圖

5.1 探明土質圍巖厚度

采用φ152鉆具，從豎井中心線垂直向下鉆進、直至鉆至基巖為止，可從鉆進速度和返回的巖屑情況判斷其是否已鉆至基巖面。

5.2 擴孔并安裝臨時套管

φ152鉆具鉆到基巖后退到地面取下鉆具，換上φ228刮刀鉆頭，自上而下擴孔到基巖面，擴孔后孔徑達到250 mm。擴孔后安裝臨時套管，采用φ200PVC塑料管，壁厚9 mm。

5.3 貫穿基巖導孔

臨時套管完成后，重新換上φ152鉆具，從基巖面向下鉆進，直到與下部施工通道(聯通洞)貫通，從而形成φ155下部基巖排水導孔。

5.4 永久透水套管的安裝

土質圍巖段的永久導孔套管采用φ140 PVC塑料透水管，壁厚7 mm,管壁上設有如圖2所示的透水縫隙。第一節套管在放入導孔前，先將其底部加熱擴大管徑至φ165，然后逐節放入孔內，直至導孔內永久套管安裝完成。

5.5 充填料回填

導孔永久套管安裝完成后，永久套管外部采用充填料回填并拔出臨時套管。充填料的作用是濾除地下水中攜帶的泥土顆粒，防止永久套管縫隙堵塞。先在永久套管與臨時套管間填入1 m深的鉆孔巖屑和粒徑為5～10 mm的礫石，然后拔出臨時套管，再用鐵鍬慢慢填入粒徑為2～5 mm的砂礫。充填料填入時不宜過快，以防止套管與孔壁間的空隙堵塞。

6 豎井的開挖施工

豎井施工中，開挖工作分上、下兩部分進行。上部土質圍巖開挖采用0.11 m3小型挖掘機在井內直接挖裝1.2 m3吊籃，人工配合裝渣，龍門吊提升吊籃到地面，渣料運往棄渣場；采用型鋼圈梁結合錨、網、噴支護。下部基巖豎井的開挖采用反井鉆機施工φ1.4 m溜渣井作為溜渣通道；采用YT28手風鉆鉆垂直孔，光面爆破；渣料通過溜渣井進入下部聯通洞內，通過8#、9#施工支洞出渣，渣料運往棄渣場。

6.1 上部土質圍巖的開挖施工

(1)測量放線。 場地平整完畢，施工用風水電準備結束后即可進行設計開挖線的測量放線。

(2)開挖方法。土質圍巖的開挖采用斗容為0.11 m3的日立ZX35U-5A型挖掘機，在井內挖裝1.2 m3吊籃、采用5 t龍門吊提升吊籃到地面；人工進行井壁修整。

(3)支護施工。根據井壁穩定情況，每開挖進尺1～1.5 m進行一次井周臨時支護：先初噴5 cm厚C25混凝土；再施工φ25砂漿錨桿，L=4.5 m，間排距均為1.5 m；掛φ6.5鋼筋網，網格尺寸為20 cm×20 cm；然后安設I16工字鋼圈梁，間距50 cm；最后噴20 cm厚C25混凝土。

(4)混凝土襯砌。開挖支護到基巖面后，開始進行上部土質圍巖混凝土襯砌，襯砌采用50 cm厚C25鋼筋混凝土。

6.2 下部基巖的開挖施工

(1)反井鉆機安裝空間的擴挖。土質圍巖襯砌結束后，繼續向下進行豎井開挖4.5 m，然后在井周選擇圍巖穩定性較好的部位向兩側擴挖，擴挖斷面呈矩形，寬4 m、高2.5 m,一側擴挖1.5 m,另一側擴挖4 m，形成一個長10.08 m、寬4 m、高2.5 m的空間，用于反井鉆機的安裝。擴挖段采用HW175×175型鋼支撐，結合錨、網、噴支護：鋼支撐間距為50 cm；φ25砂漿錨桿，L=3 m，間距1 m、排距50 cm；掛φ6.5鋼筋網，網格尺寸為20 cm×20 cm；噴C25混凝土，厚25 cm。

(2)反井鉆機的安裝。采用國產立鼎牌反井鉆機，鉆機型號：ZFY1.4/300(LM-300)，最大鉆孔深度300 m、導孔直徑250 mm、擴孔直徑1.4 m。按照反井鉆機說明書要求澆筑鉆機混凝土基礎、進行反井鉆機安裝并布置好相應的輔助設施，包括配電箱、泵站、油箱、循環水池等。

(3)溜渣井的開挖。采用反井鉆機在豎井中心線附近先自上而下鉆φ250導孔至聯通洞頂部，然后在聯通洞內換上擴孔專用鉆具，再自下而上擴孔至φ1.4 m導井，形成溜渣井。

(4)豎井擴挖。采用YT28手風鉆鉆垂直孔，光面爆破，嚴格控制爆破后巖塊的最大塊度在60 cm以內，防止溜渣井堵塞。單循環進尺采用2 m；采用垂直楔形掏槽，掏槽孔距選用30～40 cm，單孔藥量1.6 kg；崩落孔孔距70～80 cm，排距80 cm,單孔藥量1.4 kg；周邊孔孔距50～55 cm，最小抵抗線選用45～50 cm，單孔藥量采用200 g/m。爆破后采用人工將渣料扒入溜渣井、落入聯通洞內，采用3 m3裝載機裝25 t自卸車通過施工支洞，將爆破渣料運往棄渣場。

(5)井壁支護。每循環出渣完畢均須進行錨、網、噴支護：先施工φ22砂漿錨桿，L=3 m，間排距均為1.5 m；然后掛φ6.5鋼筋網，網格尺寸為20 cm×20 cm；最后噴15 cm厚C25混凝土。

7 適用條件及注意事項

7.1 適用條件

卡魯瑪水電站尾水隧洞通風豎井土質圍巖段開挖應用的實踐證明：在雨水豐沛地區土質圍巖豎井開挖中，中心排水導孔降水技術非常實用、有效。具體的適用條件為：

(1)豎井上部土質圍巖覆蓋層較厚，不具備明挖條件。

(2)豎井所在地區降水量充沛或地下水位較高，土體內含水量較大。

(3)上覆土體透水性較差，井點降水效果不理想。

(4)豎井具有下部施工通道且已經開挖完畢投入使用。

7.2 注意事項

(1)在中心排水導孔鉆孔施工中，應嚴格控制鉆孔的偏斜度，確保其不偏離至豎井開挖范圍以外并鉆入下部施工通道內。

(2)在回填永久透水套管與孔壁土體間的空隙時，應嚴格控制巖屑和礫石、砂子的粒徑并緩慢填入，防止堵塞，以確保填充物質量，從而確保填充物濾除滲水攜帶的泥土，防止泥土堵塞永久透水套管上的縫隙。

8 結 語

通過采用中心排水導孔降水，使豎井土質圍巖段開挖得以順利進行，井內的開挖工作面可在無水狀態下施工，開挖支護期間井壁土體穩定。2016年3月，該項技術在烏干達卡魯瑪水電站其他通風豎井土質圍巖段開挖中得到了推廣應用，再次證明了該項技術的實用性、可靠性，確保了其他通風豎井的順利完工。