上塔馬克西項目豎井開挖施工技術(shù)及質(zhì)量控制

趙景飛

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

上塔馬克西項目是一項以發(fā)電為主的徑流引水式水電樞紐工程，無防洪調(diào)節(jié)庫容。主要樞紐建筑物有攔河閘壩、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、電站廠房、升壓開關(guān)站及送出工程等。其中引水系統(tǒng)出口為254.661 m 長的高壓引水道，由上平洞段、豎井段、下平洞段、壓力鋼管主管及支管段組成。

豎井屬于高壓管道一部分，設計直徑5.6 m，襯砌后直徑為4.6 m，井深100.20 m。

根據(jù)招標文件提供的相關(guān)地質(zhì)資料顯示，高壓管道跌水豎井和下平段為石英巖(Qu)，巖體以弱風化為主，巖性界線位于跌水豎井上彎段。云母片巖強度較低，屬較軟巖；石英巖具有較高的強度，屬堅硬巖。巖層走向N50°～70°W、NE∠20°～25°，對跌水豎井下游側(cè)壁的圍巖穩(wěn)定不利。

根據(jù)高壓管道圍巖的地層巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀態(tài)、鉆孔巖芯破碎程度及地下水情況等初步確定跌水豎井圍巖類別為Ⅲ類。

2 施工準備

2.1 施工用風

豎井施工用風量較小，擬由布置在引水隧洞2#支洞洞口的空壓機站供給，站內(nèi)配置27 m3/min 油動空壓機各2 臺。在井身內(nèi)選用?75 的鋼管作為主供風管，風管緊貼井壁布設并固定牢固，在距掌子面30 m 左右時采用高壓軟管連接，端頭設小型風包。

井內(nèi)通風：人員進入井內(nèi)進行擴挖施工時，導井已經(jīng)貫通，因此井內(nèi)通風采用自然通風法即可滿足要求，不再另外考慮通風設施。

2.2 施工用水

施工用水主要為反井鉆機鉆井、擴挖鉆孔及支護用水，用水量較小。反井鉆機施工期間，在井口附近設一10 m3的生產(chǎn)水池，水源取自引水隧洞（2#支洞控制段）供水系統(tǒng)。井身擴挖時，自2#支洞工作面的供水系統(tǒng)，敷設一道供水支管至壓力豎井用水工作面，供水管為?50 鋼管。

2.3 施工用電及道路

施工用電主要包括反井鉆機、空壓機、卷揚機、施工供水與照明等，施工用電擬由布置在引水隧洞2# 支洞洞口的2 臺350 kV·A 的柴油發(fā)電機組供給。

現(xiàn)2#支洞施工道路滿足施工需要，使用期間安排專人進行道路的養(yǎng)護。

3 施工規(guī)劃

3.1 豎井開挖

豎井開挖計劃采用導井法施工，先利用ZFY2.5/200 型反井鉆機自上而下鉆一直徑為250 mm 的導孔，再自下而上反擴形成直徑1.4 m 的導井，最后采用YT-28 型手風鉆自上而下分層鉆爆擴挖至設計開挖斷面，設計開挖輪廓線采用光面爆破技術(shù)進行控制。開挖石渣自導井溜至井底后，通過3#支洞進行出渣。

3.2 初期支護

根據(jù)提供的地質(zhì)條件進行分析，豎井段圍巖為III 類，視開挖后揭露的圍巖情況，可采用以下方式進行初期支護：

（1）素噴5 cm 厚C25 混凝土，根據(jù)需要局部布置隨機錨桿，錨桿規(guī)格Φ25，長度3 m。

（2）C25 混凝土錨噴支護，厚度10 cm，系統(tǒng)錨桿采用Φ22鋼筋，單根長度為2 m，間排距2 m，掛網(wǎng)鋼筋Φ6@200 mm×200 mm。

（3）局部不良地質(zhì)段采用鋼拱架支護：拱架采用I16 工字鋼，間距50 cm～100 cm；固定錨桿采用Φ25 鋼筋，長度3 m，間距1.5 m，沿拱架兩側(cè)交錯布置；鋼拱架外側(cè)（貼巖面?zhèn)龋?6@200 mm×200 mm 鋼筋網(wǎng)；噴混凝土標號C25。

4 施工技術(shù)

4.1 導井施工

4.1.1 施工流程

導井施工主要流程見圖1。

圖1 導井施工主要流程圖

4.1.2 導井施工技術(shù)

（1）反井鉆機平臺

以豎井軸線為中心，開挖4 m×4 m×0.8 m(長×寬×深)的基礎，澆筑厚度1 m 的混凝土作為反井鉆機的基礎，基礎頂面高出施工平面0.2 m，C20 混凝土澆筑，澆筑前預埋鉆機固定地腳螺栓。鉆機在鉆進過程中產(chǎn)生大量的熱，需要在井口處布置一套冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)方式，主要由洗井泵、水池、排水溝組成。

（2）鉆機安裝、調(diào)試

鉆機安裝在豎井中心部位，主機起鉆孔口與井中心線延長線相吻合，操作車、泵車依次停放在一條直線上，操作車距起鉆孔口大約有2 m 的安全距離。鉆機由專業(yè)施工中隊在施工現(xiàn)場進行組裝，并調(diào)試。

（3）測量定位

鉆機安裝前進行定位，放出豎井中心線位置。鉆機安裝調(diào)試完成后，對鉆機安裝位置進行校核，再次檢查、準確定位，以保證導孔、導井準確布置在豎井中心線上。

（4）先導孔鉆孔

使用ZFY2.5/200 型反井鉆機自上而下鉆一直徑為250 mm 的導孔，開孔鉆進時，利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合，在孔深3 m 以內(nèi)慢速開孔正常鉆進時，鉆壓控制在8 MPa～10 MPa，導孔洗井液排渣采用正循環(huán)，每鉆完一根鉆桿認真洗井1 min～2 min，隨著鉆井深度加大，適當延長沖洗時間，以避免發(fā)生抱鉆、堵鉆事故。為有效控制偏斜率，鉆進中使用穩(wěn)定器。穩(wěn)定器在短接鉆桿后就要用一根，按開孔方案進行。

（5）導井擴孔鉆頭安裝、擴孔

當導孔按設計完成后，在下部平洞內(nèi)卸下?250 mm 的鉆頭，換上?1400 mm 的擴孔鉆頭，自下向上將?250 mm 的導孔擴大為?1400 mm 的導井。

在擴孔前應將孔周圍直徑范圍以內(nèi)的巖面找平，開始擴孔及終孔時宜采用低壓慢速提鉆，主泵壓力在4 MPa～7 MPa，副泵壓力在6 MPa～8 MPa；當擴孔器完全進入巖層后即可進行正常擴孔。根據(jù)巖石軟硬，主泵和副泵的壓力在10 MPa～18 MPa范圍內(nèi)匹配。擴孔中在刀刃接觸巖面時，嚴禁使馬達反轉(zhuǎn)。發(fā)生卡鉆時，應立即反向推進，使刀刃脫離巖面。

4.2 豎井擴挖施工技術(shù)

4.2.1 開挖

豎井擴挖擬采用YT-28 型手風鉆鉆孔自上而下分段進行爆破開挖，周邊輪廓線采用光面爆破技術(shù)進行控制。根據(jù)以往在類似工程中的施工經(jīng)驗，在實際豎井擴挖施工中，為避免爆破溜渣時將導井“堵死”，鉆爆擴挖時遵循“多鉆孔、均裝藥、高單耗、低單響、短進尺”的施工原則。在豎井開挖的初始階段制定合理的爆破參數(shù)，具體參數(shù)見表1。施工前在現(xiàn)場進行生產(chǎn)性爆破試驗，對爆破參數(shù)進行適當優(yōu)化以保證與工程實際相適應。在豎井開挖爆破過程中，還要根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件的不同，不斷調(diào)整爆破參數(shù)，用以取得經(jīng)濟合理安全的爆破參數(shù)，保證施工的順利進行。

表1 豎井擴挖初爆破參數(shù)表

豎井擴挖時工作面爆渣采用人工扒渣。為了提高人工扒渣效率，縮短工序時間，進而加快施工進度，每次擴挖鉆孔時，自周邊孔向豎井中心的每排炮孔孔底高程依次低于30 cm，以便爆破后向?qū)Ь较蛐纬尚逼旅妫员闳斯ぐ窃１坪蠖丛?jīng)人工扒渣通過導井溜至下方平洞后，再由裝載機配合自卸汽車運出洞外并棄運至指定渣場。

4.2.2 支護

（1）錨桿施工

1）采用“先注漿、后插錨桿”的施工工藝，工藝流程圖見圖2。

圖2 錨桿施工工藝流程圖

2）錨桿施工要點

在錨桿鉆孔施工過程中，要嚴格按照設計圖紙布置錨桿位置，錨桿采用Φ25 的精軋螺紋鋼筋，縱橫向間距為100 cm，孔深為300 cm，孔距偏差不大于15 cm，孔深偏差不大于5 cm，鉆孔軸線與設計軸線的偏差不大于3%。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和設計文件要求，選用YT-28 型手風鉆能夠滿足孔徑要求。

錨桿成孔后，要及時進行清孔。本工程中采用高壓風槍將浮塵吹去，再用高壓水槍進行清洗，直到鉆孔內(nèi)鉆渣浮塵清理干凈，得到監(jiān)理單位檢驗后方為合格。

根據(jù)試驗室出具的砂漿配合比報告在現(xiàn)場進行砂漿拌制，砂漿設計強度為M30，配合比為0.46。本工程采用容積為350 L 的強制式攪拌機拌制，水泥采用等同于P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥級別的當?shù)厮啵毤系淖畲罅讲怀^2.5 mm，保證每批使用前都進行過篩。砂漿配合比要在試驗室進行專門設計，進行驗證，以保證錨桿的拉拔強度滿足設計要求。在拌制過程中，嚴格計重投料，拌和時間滿足要求，攪拌均勻，隨伴隨用。

在注漿過程中，采用注漿機將拌制好的砂漿注入錨桿孔內(nèi)，注漿壓力為0.6 MPa，直至全孔注漿飽滿。盡量保證每個注漿孔都能連續(xù)進行。在注漿前或者中間間歇時間過長，要用稀水泥漿濕潤注漿機管路，保證管路通暢。

錨桿在進場后，需要按照相關(guān)規(guī)定進行力學性能抽檢，抽檢合格方可使用。在使用前，要檢查錨桿是否平直完整，并將表面進行除油除銹。注漿飽滿后，人工利用大錘把錨桿插入孔內(nèi)，錨桿的外露長度一定符合要求，錨桿內(nèi)端部距離孔底不應少于10 cm。錨桿施工過程中，在砂漿終凝之前不得對安裝好的錨桿進行敲擊碰撞，防止錨桿發(fā)生位移。錨桿全部安裝完成后，采用干硬性水泥砂漿進行孔口封堵。

待水泥砂漿養(yǎng)護28 天后，按照1%的抽檢頻率進行錨桿拉拔試驗，錨桿設計錨固力為150 kN,對錨桿施工質(zhì)量進行檢驗，抽檢不合格者在其所代表的范圍內(nèi)加密抽檢比例，并對檢測不合格的錨桿重新施工。

（2）噴射混凝土

本工程采用“濕噴法”施工工藝。

1）施工準備

噴射混凝土施工前，施工設備到位，施工實施質(zhì)量措施計劃完善。保證現(xiàn)場通水、通電、通風設備的正常運行，噴射設備及操作人員準備就位。在錨桿檢測合格后，利用高壓水槍將工作面清洗干凈，保證施工結(jié)合面的潔凈。

2）安裝鋼筋網(wǎng)

為保證豎井噴射混凝土的整體性和抗裂性，在其表面安裝一層Φ6@200 mm×200 mm 鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)現(xiàn)場人工綁扎，按間距1 m 左右布置Φ16 插筋，插筋長度50 cm，調(diào)整鋼筋網(wǎng)緊貼巖面，插筋入巖20 cm。

3）噴射混凝土施工

混凝土混合料在混凝土拌和站集中拌制后，再利用砼罐車運輸運至工作面后，卸入噴射機受料斗內(nèi)，由噴射機配帶的計量泵自動加入速凝劑。施工按照分片分層、自下而上、先凹后凸的順序進行，噴射時噴嘴與巖面大致垂直，距巖面距離控制在60 cm～120 cm。為減少回彈量，不斷調(diào)整氣壓，確保噴射混凝土與巖面緊貼。噴射混凝土采用分層噴射，每層控制厚度不大于5 cm，后一層在前一層混凝土終凝后立即進行。

4）噴射混凝土的養(yǎng)護

噴射混凝土終凝2 h 后，應噴水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不得少于7 天；氣溫低于+5℃時，不得噴水養(yǎng)護。當噴射混凝土周圍的空氣濕度達到或超過85%時，可自然養(yǎng)護。

（3）鋼拱架支護

每榀分為5 節(jié)加工，每節(jié)兩端設端板，用M16 的螺栓連接。鋼拱架擬在加工廠用自制工字鋼彎曲機，進行彎曲制作，制作前按1∶1 比例放樣、加工，運至現(xiàn)場用螺栓連接成榀，根據(jù)開挖分段安裝固定。

拱架使用錨桿固定，錨桿規(guī)格采用Φ25 鋼筋，長度3 m，間距1.5 m，沿拱架兩側(cè)交錯布置。鋼拱架之間使用Ф20@1 m 連接筋焊接連接。鋼拱架外側(cè)（貼巖面?zhèn)龋歃?@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)。噴混凝土標號C25。

鋼拱架裝設在設計斷面以外，鋼拱架外側(cè)超挖部分，使用同等級的噴砼回填。

5 井內(nèi)交通布置

豎井內(nèi)的施工交通主要考慮采用爬梯，爬梯沿著井壁布置，梯步使用Φ20 鋼筋，植入巖體內(nèi)50 cm，梯步寬度50 cm，間距30 cm；護欄使用Φ12 鋼筋焊接而成；爬梯每間隔10 m設置一個休息平臺，休息平臺尺寸1 m×1 m，用Φ12 螺紋鋼間排距10 cm 進行網(wǎng)格焊接制作面層，與爬梯連接處焊接牢固，外側(cè)防護欄及平臺加固鋼筋均利用Φ25 鋼筋，間距30 cm布置一道Φ12 連接筋，并掛安全網(wǎng)。

6 重要工序質(zhì)量控制措施

6.1 導井堵塞預防措施

根據(jù)以往類似工程的成功經(jīng)驗，預防導井堵塞的最有效措施是控制爆破粒徑和延長微差爆破各段別的間隔時間。

（1）嚴格控制爆破粒徑，確保豎井擴挖爆破后的最大石渣粒徑小于導井直徑的1/3，即47 cm。

（2）豎井擴挖時遵循“多鉆孔、均裝藥、高單耗、低單響、短進尺”的施工原則，嚴格控制爆破規(guī)模和爆渣粒徑，具體參數(shù)見豎井擴挖爆破參數(shù)設計部分。

（3）嚴格控制豎井擴挖微差爆破時各段別的間隔時間，確保相鄰段別間的微差時間不小于50 ms，必要時每圈爆破孔再細分為2 個～3 個段別微差起爆。

（4）一旦發(fā)生導井堵塞時，應立即封鎖豎井下部通道，并指派專人值班，暫停豎井工作面的一切施工作業(yè)，查明堵塞部位及原因。

（5）導井堵塞處理時，宜采用灌水沖刷法、裸露爆破法；一般情況下不得采用鉆孔爆破法，若不得不采取時，必須經(jīng)過安全論證，并采取可靠的安全防護措施。

6.2 質(zhì)量保證措施

（1）在豎井開挖施工前，必須按設計要求完成周邊排水系統(tǒng)、井口鎖口施工。井口地面應設置擋水設施，防止引水平洞內(nèi)水流入井內(nèi)。距離井口約50 cm 處設置高度不小于1.2 m 的防護欄桿，欄桿底部30 cm 設置擋腳板。井內(nèi)利用井蓋對導孔進行封閉，井蓋主框架用I12 工字鋼，間距50 cm，頂部采用Φ25鋼筋焊接成鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為20 cm，在鋼筋網(wǎng)上滿鋪一層馬道板，用鐵絲拉緊捆牢。

（2）在擴挖開始前，利用全站儀、線錘等手段進行井頂、井壁的位移和沉降觀測。豎井口布置4 個觀測點，進行位移和沉降觀測；井身段間隔5 m 布置一環(huán)觀測點，每環(huán)四個，進行垂直度觀測，直到混凝土襯砌無任何變化時為止。整個施工過程中，通過加大對井身段的安全觀測，指導現(xiàn)場支護施工；如果有異常時能及時發(fā)現(xiàn)，便于各方及時制定處理措施和應急處理。

（3）嚴格控制孔深、孔的傾斜角度，尤其是光爆孔更應嚴加控制，做到“準、齊、平、直”，對于主爆孔應均勻地布設在爆破區(qū)域內(nèi)，控制好孔底高程，保證爆破后開挖成型規(guī)則。

（4）錨桿鉆孔、注漿及安裝過程中，技術(shù)人員必須全過程監(jiān)督旁站，確保每一根錨桿的位置、埋置深度、注漿飽滿度滿足要求；加強錨桿拉拔試驗檢測，確保錨桿施工質(zhì)量。

（5）噴射混凝土施工過程中要隨時檢查噴層厚度、脫空及富水區(qū)分布情況，發(fā)現(xiàn)問題及時上報予以解決。

7 結(jié)語

本工程水電站豎井開挖于2016 年6 月開工，至2017 年9月完工，共計完成開挖工程量共計2500 m3,混凝土澆筑3000 m3。技術(shù)人員從導井施工、豎井開挖、錨桿支護安裝、噴射混凝土及井內(nèi)交通組織布置進行精心部署，在重點工序進行預防控制，保證了豎井開挖的施工質(zhì)量，取得了預期的效果，也為同類工程的開展提供借鑒的經(jīng)驗。