超大異形斷面調壓井開挖施工技術研究

李佳

摘要：贊比亞下卡富峽水電站項目位于卡富埃河上，調壓井位于引水洞末端，阻抗式調壓井，開挖井深133.2m，開挖直徑36m，襯砌后直徑32m，為超大異形斷面調壓井。其整體地質情況較差，施工質量控制難度及安全風險較大，通過對現場施工順序、各不同施工部位爆破參數確認、提升系統的設計及現場安全監測研究，保證了施工進度、提高了現場施工質量，實現了施工期間安全生產零傷亡事故指標。

Abstract： The Lower Kafuxia Hydropower Project is located on the Kafue River of Zambia. The surge tank is located at the end of the diversion tunnel and is an impedance-type surge well. The excavation depth is 133.2m， the excavation diameter is 36m， and the diameter after lining is 32m， which is a super-large profile section surge shaft. The overall geological conditions are poor， the construction quality control difficulty and safety risks are large. Through the on-site construction sequence， the blasting parameters confirmation of different construction parts， the design of the lifting system and the on-site safety monitoring research， the construction progress is improved and the site construction quality is improved， realizing zero casualty accident during construction.

關鍵詞：超大異形斷面調壓井;開挖;施工技術;研究

Key words： super large profiled section surge shaft;excavation;construction technology;research

中圖分類號：TV554? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0147-03

1? 工程概況

1.1 項目簡介

贊比亞下卡富峽水電站項目位于卡富埃河上，上卡富峽電站下游17.3km處，距首都盧薩卡90km，裝機容量5×150MW共750MW。電站調壓井屬超大斷面調壓井，位于引水洞末端，阻抗式調壓井，開挖井深133.2m，開挖直徑36m，襯砌后直徑32m。

1.2 調壓井工程地質情況

調壓井段巖體整體呈塊狀～次塊狀，其兩側岸坡表部巖體卸荷拉裂，全風化巖體垂直厚度5m～10m，強風化巖體垂直厚度15～35m，弱風化垂直厚度20m～30m。山梁右側巖體風化、卸荷厚度較大，圍巖沿裂隙風化較深，為發育裂隙密集帶，裂隙多夾紅色泥質物;在528.75m～528.25m有一構造破碎帶，夾巖屑、巖粉及泥質，膠結差;調壓井上部（高程586m以上）巖體風化強烈，多呈碎塊狀、短柱狀，調壓井在575m～585m高程段為黑云母片巖分布。

調壓井高程570m以上井壁穩定性差，為Ⅳ類圍巖;506m～570m段井壁穩定性一般，圍巖為Ⅲ類，斷層破碎帶及裂隙密集帶段為Ⅳ類圍巖;調壓井開挖直徑大，開挖時需及時支護，采取錨固和混凝土襯砌等處理措施。

1.3 質量安全指標

質量指標：頂部40高度范圍內開挖超挖控制在20cm以內，其余部位超挖控制在15cm以內，不允許欠挖。

安全指標：確保超大異形斷面調壓井開挖施工全過程零傷亡事故。

2? 過程控制

2.1 超欠挖控制

2.1.1 井筒開挖方法

調壓井井筒采用導井法進行開挖，首先利用反井鉆進行導孔、導井施工，然后人工利用起吊設備對導井進行擴挖，形成溜渣井，最終對調壓井井筒整個斷面進行分區爆破開挖支護。

①底部開挖。

由交通洞開始開挖至調壓井底部，為反井鉆施工與出渣提供空間。

由交通洞向調壓井底部開挖，連通交通洞與引水隧洞，為反井鉆機提供操作空間，并由交通洞、引水隧洞將井筒開挖渣料運輸至渣場。

②導孔施工 。

導孔施工是導井法開挖的關鍵，在反井鉆機導孔施工過程中，前30m深度，反井鉆機需要給鉆頭提供向下的壓力，隨著深度增加，壓力逐步減小，壓力變化要均勻，當反井鉆下降30m以后，因為較長的鉆桿自身重力較大，需要反井鉆逐步提供向上拉力，以減緩反井鉆機向下鉆孔的速度。

在反井鉆機向下鉆孔過程中，遇到巖石軟硬不一，因此需要及時調整反井鉆提升或者下壓力度，使鉆機均勻下鉆，確保導孔偏移在規范要求的范圍內。

③導井施工。

當導孔施工完成后，更換反井鉆機鉆頭至1.4m，開始提升，將導孔擴挖成1.4m導井。

④溜渣井擴挖。

溜渣井擴挖之前，需要對導井頂部進行混凝土鎖口處理，鎖口混凝土高出周圍20cm，防止石渣跌落至導井內。然后采用由下而上鉆水平孔爆破方式，將1.4m直徑導井擴挖至3.5m溜渣井。

⑤大井擴挖。

將大井分為三個區域，按照每層3m深度進行開挖，爆破后石渣采用挖掘機甩入溜渣井，采用裝載機在調壓井底部出渣。每層開挖完成后，需要支護跟進。

⑥？犖513.7m以下擴挖段開挖。

調壓井？犖513.7m以下，要設置應急檢修廊道，因此該部位以下開挖最大跨度達到50.8m，相對于上部，需要擴挖7.3m。

2.1.2 井筒爆破設計

①分區原則。

按照鉆孔、出渣、支護三個施工程序進行分區，其中I區爆破的同時，II區出渣，III區進行邊墻支護。

I區約480平方米，II約450平方米，III區約580平方米。

在現場實際施工過程中，原則上按照上圖進行分區開挖支護，但由于井內設備防護棚占用部分空間，通常會在具備鉆孔作業面后立即進行鉆孔作業，分區將不嚴格按照上圖進行分區。

②支護形式。

按照設計圖紙，調壓井支護包含錨桿安裝、鋼筋掛網、噴混凝土，考慮到頂部圍巖等級較差，頂部3.2m范圍內增加50cm厚度C30混凝土襯砌井圈，調壓井頂部10m深度，井圈以外布置兩圈灌漿孔，間排距為3m×3m。

③爆破設計。

因調壓井斷面較大，每區如進行一次爆破，III區單次爆破藥量將超過1噸，容易對井壁穩定性產生較大影響，因此每個區分為兩次爆破，對每區溜渣井中心向外10m范圍內進行爆破，然后在對剩余區域進行爆破（爆破設計中首先對各區I序區域鉆孔爆破，然后再對II序區域鉆孔爆破），以此來降低單次爆破藥量。

經統計調壓井頂部40m平均超挖量為17cm，其余部位平均超挖為13.4cm，超挖量控制較好。

由圖2可看出，在調壓井向下開挖過程中，隨著巖石等級提高，且爆破經驗增加，超挖控制量逐步得到提升。頂部40m范圍及其他部位平均超挖量有效控制在技術要求范圍之內。

2.2 安全控制研究成果

2.2.1 混凝土鎖口

①井口開挖。

因調壓井斷面尺寸較大，井口明挖采用兩步爆破的方式進行，首先進行中心掏槽，形成臨空面，臨空面形成后二次擴挖完成。

調壓井井口明挖出渣隨開挖也分兩次進行，第一次掏心爆爆破完成后出渣形成臨空面，二次擴挖后井內修筑一斜坡道，用于進內出渣，最后采用邊推行邊開挖的方式將斜坡道開挖完畢。

②混凝土襯砌設計。

為保障調壓井整個施工期間的施工安全，需在井口部位設置鎖口混凝土，沿開挖輪廓線布置雙層鋼筋，混凝土強度為C25，厚50cm、高3.5m，混凝土頂部高出井口50cm，高程為▽615.2m。

混凝土井圈需要在頂部開挖結束才進行，且待強28天后，井內才能允許有新的爆破作業。

2.2.2 井口灌漿

鎖口混凝土施工完成后，襯砌混凝土以下仍然存在破碎巖石帶，因此鎖口混凝土完成后需要對井口進行固結灌漿。沿井口位置布置兩圈灌漿孔，第一圈距離鎖口混凝土1m，第二圈固結灌漿孔距離第一圈灌漿孔3m，孔間距均為3m，孔深度10m。

本次固結灌漿采取鉆孔完成一個，灌漿一個的方式進行。上一個灌漿孔沒有完成灌漿時，不得進行下一個灌漿孔的鉆孔。對于成孔較好的灌漿孔，灌漿采用一段灌漿，灌漿塞阻塞在距孔口0.5m處。對于成孔困難的部位，采用兩級灌漿法，第一級造孔3m進行灌漿，待初凝后繼續向下造孔7m。

固結灌漿結束條件為：在該灌漿段最大設計壓力0.2MPa下，當注入率不大于1L/min后，繼續灌注30min，可結束灌漿;當某級漿液注入量已達300L以上，或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應改濃一級水灰比。

2.3 變形監測及控制研究成果

2.3.1 井筒監測設計

為了監測調壓井開挖后的巖壁的變形情況，在調壓井開挖后的巖壁上布設變形觀測孔，孔深30cm，孔徑90mm，水平鑿孔，同一高程均勻布置8個孔位，相對的兩個孔內布置一組激光測距儀，每層總計布置4組激光測距儀。

2.3.2 井筒變形監測結果

通過第一層監測設備提取數據分析，單日變形量不超過3cm，分析認為監測數據受到爆破影響較大產生，井壁無明顯偏移，處于穩定狀態。

調壓井井壁變形趨勢需要待開挖結束后，進行長系列觀測并提取有效數據，才能得出井壁變形結論。

2.3.3 鎖口混凝土沉降監測

由于右側門槽鎖口混凝土底部巖石破碎，雖經過過充分論證，采用工程技術手段進行鎖口混凝土加固處理，但為了安全起見，需要在該部位鎖口混凝土頂部設置6個觀測點，進行鎖口混凝土沉降監測。

在長達164天觀測過程中，累計沉降量為8.5mm，處于穩定狀態。

2.4 提升系統設計

龍門吊設計：

調壓井直徑較大，井口門槽部位最大跨度達到50m，開挖與澆筑持續接近兩年時間，人員與材料吊裝頻繁，且最大起吊高度超過133.5m，經多方論證，選用一臺雙梁門式起重機進行調壓井出入及材料吊裝工作，門機軌道跨度40m，軌道長52.9m，主梁長48m。

龍門吊安裝完成后，采用吊裝40噸工字鋼對龍門吊進行靜載、動載實驗，均符合要求。

3? 實施效果驗證

通過對贊比亞下凱富峽水電站調壓井施工進行開挖過程中的超欠挖控制、安全控制、起吊設備安裝及使用研究、大斷面變形監測及控制技術研究，現場成果如下：

①調壓井頂部40m平均超挖控制在17cm，下部超挖控制在13.7cm，達到預期效果。

②成功安裝并使用軌道夸大為40m的龍門吊，在本單位尚屬首例，為以后類似項目龍門吊安裝及使用提供技術支持。

③大斷面變形監測與控制，使本項目調壓井處于安全范圍之內，有力保障井內作業人員安全，施工期間未出現井壁嚴重變形及人員傷亡事故。

④井圈鎖口混凝土、頂部灌漿等安全控制技術研究，為以后類似項目提供技術支持。

本項目調壓井為非洲最大調壓井，通過對該超大異形斷面調壓井開挖施工技術研究，現場施工進度可控，質量、安全指標完全達標，受到當地政府部門、業主單位、咨詢單位的表揚，極大的提高了中國施工企業在贊比亞的影響力。

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