淺談超深豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)

王 智，賀 沖，胡偉成

（中國水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況及項(xiàng)目背景

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站水頭800 m，是國內(nèi)在建、已建水頭最高的抽水蓄能電站，工程為一等工程，工程規(guī)模為大（Ⅰ）型。引水上豎井連接上平洞和中平洞，上、下彎段長45.925 m，半徑30 m，直徑段長度290.088 m，上豎井全段共長381.938 m，開挖直徑8.7 m。

1.2 工程地質(zhì)

引水上豎井通過的巖性均為燕山三期（5）中粗粒花崗巖。高壓壓水試驗(yàn)結(jié)果大部分巖體在高壓水頭下滲透性弱，具有較好的抗?jié)B透性能。弱風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般60～100 MPa，平均83 MPa。微風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度一般100～130 MPa，平均114 MPa。

引水上豎井發(fā)育有1 條主要斷層f718。f718 斷層呈NE～NEE（近EW 向）組，從上豎井下部通過，剖面上與豎井交角約17°，主探洞揭露斷層帶寬度2～3 m，膠結(jié)較差，對上豎井下部圍巖影響較大。

1.3 施工難度

豎井開挖支護(hù)作業(yè)屬于有限作業(yè)空間，施工通道布置、材料運(yùn)輸困難；引水上豎井深度達(dá)400 m 級(jí)，堵井及施工安全風(fēng)險(xiǎn)高；斷層與豎井軸線夾角較小，反井鉆機(jī)導(dǎo)孔易隨斷層偏斜，精度控制困難；豎井開挖及支護(hù)工序交替進(jìn)行、施工通道布置困難，無法多工作面同時(shí)施工，且工期緊張。國內(nèi)傳統(tǒng)水電站豎井多集中在200.0 m 左右，超深豎井施工鮮見。

2 施工方案比選

傳統(tǒng)豎井施工多采用正井法或反井法開挖，導(dǎo)井開挖方法有反井鉆機(jī)、爬罐法、吊罐法，但傳統(tǒng)工藝施工周期長、堵井風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題突出。合理選擇施工工藝及施工設(shè)備能有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)及縮短施工工期，下面對常用的施工方法進(jìn)行比選。豎井開挖方法比選見表1。

表1 豎井開挖方法比選表

通過表1 對比分析，超深豎井中導(dǎo)洞采取反井鉆機(jī)+定向鉆機(jī)施工能有效降低卡鉆風(fēng)險(xiǎn)及避免導(dǎo)孔無法貫穿的風(fēng)險(xiǎn)，且分兩次擴(kuò)挖成型，能有效減低堵井及縮短工期。

本工程中導(dǎo)洞采用反井鉆機(jī)+定向鉆機(jī)施工，豎井分兩次擴(kuò)挖成型。

3 施工程序

本工程豎井施工程序?yàn)椋贺Q井上下彎段開挖支護(hù)（彎段至豎井邊墻）—→定向鉆機(jī)導(dǎo)孔施工—→反井鉆機(jī)導(dǎo)井?dāng)U孔（Φ1.4 m）—→提升系統(tǒng)施工—→溜渣井?dāng)U挖（即豎井一次擴(kuò)挖）—→上彎段剩余部分開挖支護(hù)—→豎井二次擴(kuò)挖支護(hù)—→下彎段剩余部分開挖支護(hù)。

4 提升系統(tǒng)

豎井開挖支護(hù)階段提升系統(tǒng)需要兼顧后續(xù)豎井混凝土澆筑和灌漿施工，因此，提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須高度重視，是豎井提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。

1）載人系統(tǒng)。豎井?dāng)U挖載人采取罐籠結(jié)構(gòu)，通過10 t 雙滾筒絞車提升。罐籠通過兩根防纏繞鋼絲繩同時(shí)提升，避免罐籠提升過程中鋼絲繩纏繞。載人罐籠增加防墜器，有效防止降低墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2）載物系統(tǒng)。豎井?dāng)U挖施工載物吊盤（兼井蓋）結(jié)構(gòu)，通過15 t 單滾筒卷揚(yáng)機(jī)提升。鋼絲繩與吊盤之間增加防旋轉(zhuǎn)吊鉤可以有效避免吊盤旋轉(zhuǎn)。

3）井架。豎井施工井架分一次擴(kuò)挖井架和二次擴(kuò)挖井架。一次擴(kuò)挖井架各桿件之間采用高強(qiáng)螺栓連接可拆卸式井架，后續(xù)可為其他豎井一次擴(kuò)挖施工時(shí)使用。二次擴(kuò)挖井架后續(xù)作為混凝土、灌漿施工用井架，需按最大荷載及施工工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，本工程井架跨度大采用巖壁梁+桁架結(jié)構(gòu)體系，具備承受荷載大、節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)。

4）防過卷裝置。避免絞車及卷揚(yáng)機(jī)提升罐籠、吊盤時(shí)過卷，造成鋼絲繩斷繩。距井架0.5 m、1.0 m位置安裝重錘限位器，并與絞車、卷揚(yáng)機(jī)操作系統(tǒng)連接，當(dāng)限位器動(dòng)作時(shí)絞車或卷揚(yáng)機(jī)停止提升并自動(dòng)剎車。

5）安全通道。豎井?dāng)U挖施工過程中沿洞壁安裝豎直鋼爬梯，每隔6.0 m 錯(cuò)位布置，同時(shí)設(shè)置休息平臺(tái)。若在施工過程中提升系統(tǒng)長時(shí)間無法升降，絞車故障無法確定或排除，施工人員可從罐籠或作業(yè)面，通過鋼梯爬至井口。

5 豎井開挖

5.1 導(dǎo)井施工

1）設(shè)備選型。超深豎井導(dǎo)孔精度將決定豎井施工成敗，特別是陡傾角軟弱斷層復(fù)雜地質(zhì)條件下傳統(tǒng)反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工時(shí)經(jīng)常無法與下平洞貫通情況。本工程采用定向鉆機(jī)+MWD、RMRS 隨鉆測斜糾偏技術(shù)進(jìn)行超深豎井導(dǎo)孔施工。

定向鉆機(jī)采用DL450T 型鉆機(jī)，可以在井巷內(nèi)施工55°～90°定向孔，全液壓控制系統(tǒng)，維護(hù)操作便捷，履帶式底盤具備自行走功能。定向鉆機(jī)參數(shù)見表2。

表2 DL450T 定向鉆機(jī)參數(shù)表

根據(jù)鉆孔深度、鉆孔直徑、巖石抗壓強(qiáng)度，選擇相應(yīng)的反井鉆機(jī)，使用ZFY3.5/150/400E 型反井鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔Φ1.4 m。反井鉆機(jī)參數(shù)表見表3。

表3 反井鉆機(jī)參數(shù)表

2）導(dǎo)孔施工。定向井鉆井全程采用復(fù)合鉆進(jìn)的方式。鉆具組合為定向鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)鉆具組合。在正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)和螺桿鉆具同時(shí)旋轉(zhuǎn)，提供較高的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)；在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調(diào)整至滑動(dòng)鉆進(jìn)，從而對鉆井軌跡進(jìn)行控制，以使孔偏斜降低。圖1 為巖層軟硬、硬軟交替引起井孔偏斜示意圖。

圖1 巖層軟硬、硬軟交替引起井孔偏斜

3）導(dǎo)孔擴(kuò)孔。先導(dǎo)孔直徑169 mm，導(dǎo)孔鉆進(jìn)與下平洞貫通后，再反擴(kuò)295 mm 導(dǎo)孔，最后拆除定向鉆機(jī)，安裝反井鉆機(jī)，下放鉆桿后安裝直徑1.4 m 擴(kuò)孔鉆頭。

導(dǎo)孔反擴(kuò)開始降低鉆速及鉆壓，為正常施工鉆壓30%，直至鉆頭全部進(jìn)入巖體。當(dāng)鉆頭擴(kuò)孔至距井口2.5 m 時(shí)，降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，直至鉆頭露出地面。

5.2 溜渣井施工

溜渣井開挖利用絞車+一次擴(kuò)挖井架作為提升系統(tǒng)，懸掛吊籠作為開挖施工平臺(tái)。溜渣井開挖采用自下往上由人工手風(fēng)鉆造水平輻射孔，自下而上分段爆破，溜渣井開挖后直徑3.5 m。

溜渣井開挖一次完成全部造孔，然后再分段裝藥爆破，一次爆破長度8～10 m。因?qū)Ь睆剑é?.4 m）較小，為了方便鉆孔作業(yè)，提前對手風(fēng)鉆氣腿進(jìn)行適當(dāng)改造。開挖爆破參數(shù)見表4。

表4 溜渣井開挖爆破參數(shù)

5.3 豎井?dāng)U挖

1）測量放樣。豎井開挖放樣采用全站儀配合激光自動(dòng)補(bǔ)償天底儀，進(jìn)行豎井?dāng)U挖放樣，利用天底儀激光線進(jìn)行天底投點(diǎn)測量。儀器有自動(dòng)補(bǔ)償傾斜誤差的功能，保證了測量的精度。

2）豎井?dāng)U挖。豎井?dāng)U挖施工自上而下進(jìn)行，人工扒渣通過溜渣井至下彎段部位，裝載機(jī)配合20 t 自卸汽車出渣。

為減少人工扒渣工作量，靠近溜渣井兩環(huán)爆破孔超深30～50 cm，爆破后形成漏斗狀，渣料大部分通過溜渣井掉落至下彎段。

豎井周邊孔采用鉆垂直孔光面爆破成型，周邊孔間距0.5 m，抵抗線0.85 m，孔深3.0 m；崩落孔間距0.65～0.81 m，抵抗線0.65～1.1 m，孔深3.5 m。非電毫秒管分段爆破成型，周邊孔采用竹片+導(dǎo)爆索方式爆破。豎井?dāng)U挖爆破設(shè)計(jì)見圖2，開挖爆破參數(shù)見表5。

圖2 豎井?dāng)U挖爆破設(shè)計(jì)

表5 溜渣井開挖爆破參數(shù)

6 施工難點(diǎn)及對策

1）提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)及布置。提升系統(tǒng)是超深豎井施工中重要的設(shè)施，將直接決定豎井施工作業(yè)安全及保障工期。

本工程采用雙卷筒絞車、防墜系統(tǒng)能有效避免提升過程中罐籠纏繞問題及提高安全保護(hù)系數(shù)。提升系統(tǒng)布置需兼顧豎井后續(xù)混凝土、灌漿施工提升需要，避免重復(fù)進(jìn)行井架拆裝施工。安全系數(shù)高、便于檢查且天輪布置靈活可靠。

2）導(dǎo)孔精度。豎井導(dǎo)孔精度將決定豎井施工成敗，特別是超深豎井導(dǎo)孔施工過程中經(jīng)常發(fā)生導(dǎo)孔無法貫通的情況，造成廢孔。耽誤工期的同時(shí)還增加工程建設(shè)成本，有必要選擇新工藝及設(shè)備克服傳統(tǒng)反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔施工精度低問題。

本工程采用定向鉆機(jī)+MWD、RMRS 隨鉆測斜糾偏技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)孔施工，顯著提高導(dǎo)孔精度。

3）斷層部位施工。豎井?dāng)鄬硬课煌嬖谳^大的地下水及軟弱夾層情況，對反井鉆機(jī)、定向鉆機(jī)導(dǎo)孔施工造成卡鉆及豎井?dāng)U挖過程中施工干擾。

反井鉆機(jī)、定向鉆機(jī)導(dǎo)孔施工過程中遇斷層部位需降低鉆壓和鉆速，必要時(shí)采用水泥漿液臨時(shí)封堵鉆孔重復(fù)鉆孔。

7 結(jié) 語

在本次陽江抽水蓄能電站引水上豎井導(dǎo)孔施工過程中采用定向鉆機(jī)+MWD、RMRS 隨鉆測斜技術(shù)保證導(dǎo)孔順利貫通。引水上豎井導(dǎo)孔偏差0.25 m，偏斜率0.7‰，遠(yuǎn)低于《水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范》DL/T 5407-2009 規(guī)定偏斜率。創(chuàng)新提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)+礦用絞車在水電工程的應(yīng)用，徹底改變了超深豎井施工工程中安全風(fēng)險(xiǎn)，并能快速優(yōu)質(zhì)完成豎井施工。

超深豎井施工選擇二次擴(kuò)挖工藝能有效降低超深豎井?dāng)U挖過程中堵井風(fēng)險(xiǎn)，并同時(shí)能降低豎井人工扒渣工程量，加快豎井施工進(jìn)度。

本工程超深豎井施工相關(guān)技術(shù)成果可為后續(xù)水利、礦山、交通等多個(gè)領(lǐng)域類似工程提供重要的參考，具有廣闊的應(yīng)用前景及較大的利用價(jià)值。