CCS水電站600m深豎井反井鉆機施工塌孔分析

苗棟 魏斌 齊三紅

摘 要：豎井作為地下建筑物，地質條件復雜多變，對反井鉆機施工影響較大。CCS水電站布置兩條600 m級超深豎井，其中2#豎井在反井鉆機施工過程中出現塌孔事故，進而大量涌水并導致設備損壞。結合塌孔特征和附近已開挖建筑物工程地質條件對塌孔原因進行分析，初步推測應是下平段揭露的f46、f47斷層與R3流紋巖脈相交部位圍巖穩定性差，造成塌方，在高水頭作用下，陡傾巖體破碎帶形成了地下水徑流通道。針對塌腔發育情況和周邊工程地質條件利用鉆探、物探、激光掃描、地下水示蹤等手段開展補充勘測，從而進一步查明豎井區工程地質條件，證實塌孔原因，確定塌腔發育部位、規模和性狀等，據此確定新豎井孔位。在新孔位導孔施工過程中，根據鉆進參數、渣料、返水等情況對工程巖體條件進行分析判斷，及時對不良地質段進行灌漿加固，在導孔施工完成后采用全孔純壓式灌漿。在新豎井人工擴挖時，通過M9支洞對塌腔進行密實回填，頂部回填困難區域采用模袋混凝土填充，以減少塌腔對豎井運行安全造成的影響。

關鍵詞：豎井;反井鉆機;塌孔;涌水;CCS水電站

中圖分類號：TV62 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.025

Abstract：Geological conditions of the shaft as an underground building are complex and changeable， and have great influence to the construction of the raise boring machine. There are two 600 m superdeep shafts at CCS Hydropower Station. The shaft No.2 collapsed in the construction， which resulted in a large amount of water inrush and damage to the equipment. Combined with the characteristics of collapse hole and the engineering geological conditions of nearby excavated buildings， it was preliminarily speculated that the surrounding rock stability at the intersection of f46， f47 and R3 rhyolite veins should be poor. Furthermore， the broken zone of steep rock mass formed groundwater runoff channel under the high water press. We carried out supplementary survey using drilling， geophysical exploration， laser scanning， groundwater tracer and other means， so as to further find out the engineering geological conditions in shaft area furtherly， confirm the causes of collapse hole， and determine the development location， scale and characteristics of the collapse cavity. According to this， we chose the new hole position downstream of of the previous shaft about 50 m， and analyzed the rock mass conditions of new position according to the drilling parameters， slag material， return water and so on. The bad geological section was strengthened by grouting in time and the full hole was grouted completed after the completion of the guide hole. The collapse cavity was backfilled through M9 branch tunnel， and the difficult area at the top of the collapse cavity was filled with membrane bag concrete， in order to reduce the influence of collapse cavity to the safety of shaft operation.

Key words： shaft; raise boring machine; hole collapse; water burst; CCS Hydropower Station

在水電領域，豎井是一種重要的建筑物，目前主要的施工方法有正井法和反井鉆機施工法[1-4]。反井鉆機施工法于20世紀80年代從國外引進，可大幅度提高施工效率、改善作業環境，在工程建設中得到了越來越多的應用。但是，反井鉆機施工受地質條件影響較大，在復雜地質條件下施工深豎井時，常常發生涌水、塌孔、偏斜等問題，容易導致卡鉆、埋鉆，甚至形成廢井，給工程帶來損失。

厄瓜多爾Coca-Codo Sinclair水電站[5]（以下簡稱CCS水電站）布置兩條600 m級超深豎井，采用反井鉆機施工，其中2#豎井在施工過程中遇到塌孔事故，本文對塌孔事故原因進行分析，并對后續處理措施加以研究。

1 工程概況

CCS水電站位于厄瓜多爾NAPO省和SUCUMBIOS省交界處，距首都基多約130 km，工程任務主要為發電，電站總裝機容量1 500 MW，安裝8臺沖擊式水輪機組，是世界上規模最大的沖擊式機組水電站之一，電站年發電量88億kW·h，可滿足厄瓜多爾全國1/3人口的電力需求。主要建筑物包括首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道和地下廠房等。

該工程共布置兩條壓力管道，均包括上平段、豎井段和下平段三部分，如圖1所示。引水豎井井身段長度為537.9 m，開挖洞徑7.1 m，襯砌后直徑5.8 m，深度在世界水電工程中位居前列。

豎井工程區位于Coca河和Granadillas之間的高山峽谷區，地形起伏大，地勢總體呈西高東低的趨勢。區內河谷深切、岸坡高陡，以V形為主，相對高差700余m。兩岸各級支溝眾多，植被發育良好，岸坡整體較完整，地表自然坡度一般為30°～50°。工程區屬于Sinclair構造帶，發育多條小規模斷層，斷層走向大多130°～180°，傾向NE或SW，傾角60°～80°，斷層寬度普遍小于50 cm，一般5～10 cm，斷層充填物質普遍以角礫巖、巖屑夾泥為主。

2#豎井段地層主要由白堊系下統Hollin地層（Kh）和侏羅系—白堊系Misahualli地層（J-Km）兩部分組成，圍巖類型為Ⅲ～Ⅳ類。其中：1 126.500～1 168.889 m高程為Hollin地層，巖性為黑色頁巖及灰白色砂巖，呈互層狀，產狀近水平，總體傾向NE;631.065～1 126.500 m高程為Misahualli地層，巖石組成較復雜，主要有火山凝灰巖、流紋巖等。最大水平主應力的作用方向與管道軸線的夾角為7°～21°，最大主應力值為13.76 MPa，最小主應力值為6.30 MPa。地下水類型主要為HCO3--Ca2+型，少量為HCO3--Ca2+·Na+型，主要有Hollin地層及Misahualli地層的基巖裂隙水，主要接受大氣降水和側向徑流補給。南部山區向東北部Coca河的側向徑流對工程區的影響較大。

2 事故過程

2.1 施工方案

反井鉆機工法開挖共分正鉆導孔、反擴導井及人工擴挖一次成形三步。具體施工流程為在上下平洞開挖完成后，在上平段豎井位置使用反井鉆機自上而下進行導孔施工，孔徑為280 mm，鉆進至下平段露出鉆頭后，卸掉導孔牙輪鉆頭，更換為反拉擴挖鉆頭，自下而上進行反拉，擴孔直徑為2 134 mm。反擴導井完成后，從上部進行人工爆破開挖，開挖直徑7.1 m，利用導井溜渣。此方法出渣方便，可以大大提高施工效率，改善作業環境，尤其在富水地層中具有較大優勢。

CCS水電站豎井施工選擇芬蘭SANDVIK公司研制的RHINO 1088DC新型反井鉆機[6]，由主機、電氣液壓控制柜、電機、液壓系統、鉆具（鉆桿、鉆頭）等組成。其性能參數為：主機質量16 500 kg，最大推力400 kN，最大拉力4 000 kN，最大（反轉/正轉）扭矩100/737 kN·m，最大轉速60 r/min，最大行程1.97 m，總功率260 kW。

2.2 事故經過

2#豎井導孔于2013年3月27日開始施工，在導孔施工中部分洞段巖體破碎，鉆進困難，為避免埋鉆，使后續施工順利，對孔內破碎洞段進行灌漿（見表1），歷時70 d，導孔于6月5日貫通，更換鉆頭后開始向上反拉進行導井施工。在導井施工至6月11日時，導井內突然發生大規模涌水塌方，并于6月12日中午形成第一次堵井，此時擴挖導井192 m。6月19日在下井口采用小藥量爆破后，導井疏通，擴挖反井恢復施工。本次塌方體經估算折合自然方約2 866 m3。當恢復施工至6月28日時，導井在擴挖過程中因鉆進異常而再次停機，此時完成擴挖268 m。

在停機期間，井內發生多次塌方，其中兩次有大量塌方體從井內涌出，并再次形成堵井。7月21日，在水壓力和塌方體自身重力作用下，豎井自行疏通。反拉刀盤在豎井塌方中受到沖擊損壞，7月22日開始下放刀盤，擬更換刀盤后重新反擴，23日在下放過程中受井內塌方沖擊，刀盤和部分鉆桿脫落，遺留井內成為障礙。在采取了一系列措施后，井內鉆具仍然無法脫困提出，確認反井鉆機施工受阻。

3 原因分析

豎井反井鉆機導孔和擴井過程中，無法對圍巖進行地質編錄，確定工程地質條件。主要根據掘進參數的變化、巖渣和返水情況，并結合上下平洞已開挖揭露情況綜合對豎井工程地質條件進行評價。

垮落巖渣主要巖性為肉紅色流紋巖、灰黑色凝灰巖及少量火山角礫巖，其中流紋巖占較大比例。由此推斷，塌方段主要分布在流紋巖地段。根據導孔的施工記錄，2#豎井內流紋巖主要發育在1 022.3～999.3、844.3～833.3、813.3～698.3 m三個高程區段內，而且根據鉆進記錄顯示，在高程775.3～826.3 m范圍內，鉆進推力為110～130 kN，鉆機振動劇烈，反渣顆粒粗細不均，局部夾泥，推測該段圍巖破碎。

上平段開挖高程為1 169.0～1 207.0 m，全部位于白堊系下統Hollin地層（Kh）內，巖性為黑色頁巖及灰白色砂巖，開挖揭露15條斷層，規模較小，地下水不發育。下平段開挖高程611.0～630.0 m，出露的地層巖性主要為青灰色Misahualli地層（JKm）的火山凝灰巖，共揭露了14條斷層和2條流紋巖巖脈。而從下平段揭露流紋巖脈發育情況來看，其巖體堅硬、完整，與凝灰巖接觸帶部位較完整。

根據斷層和流紋巖脈發育產狀組合與塌方位置的關系，推測應是下平段揭露的f46、f47斷層與R3流紋巖脈相交，控制高程為751.5～785.0 m，同時與f46、f47斷層平行發育的節理密集帶大部分傾角較陡，對豎井段的巖體影響比較明顯，最終導致在該處施工受阻。

在下平段設置量水堰，對涌水量的監測顯示，在不堵塞的情況下，豎井涌水量為400～800 m3/h，最高達1 200 m3/h。涌水量變化隨著時間的推移沒有明顯趨勢，因此可以排除巖體內局部富水帶的影響，推測應為豎井井壁塌方后，在高水頭作用下陡傾巖體破碎帶形成了地下水徑流通道，受外水補給。

根據以上分析，建立三維地質模型[7]，典型斷面如圖2所示。

4 補充勘測

CCS水電站兩條豎井水平距離約78 m，運行水頭近600 m，塌方體空腔的存在會影響工程建設和運行，因此為了確定處理方案，針對性地采用鉆探、物探、激光掃描等多種手段對塌方體的發育規模、位置和特點進行補充勘測。

4.1 鉆 探

為充分了解2#豎井的地層巖性分布情況和不良地質體的發育情況，同時滿足下步方案決策的需求，在上平段豎井附近布置3個鉆孔S1、S2、S3（見圖3）。S1布置于原2#豎井位置，樁號0+741，為斜孔，傾角70°，傾向下游，孔深100 m;S2在S1鉆孔下游35 m位置，即樁號0+776，孔深150 m;S3（擬定的新井位）在S1鉆孔下游50 m，即樁號0+791，由反井鉆機施工，孔深530 m。

通過對1#豎井、2#豎井老孔、S2、S3以及前期鉆孔等地質情況的綜合分析可知，流紋巖的分布并不一定是呈類似于放射狀分布的，常與凝灰巖、角礫巖等相間分布，同時確定S3鉆孔位置適宜作為新豎井位置。

4.2 物 探

考慮到2#豎井塌方體的范圍和規模，根據現場地質條件，分別采用大地電磁法在2#豎井地面和面波勘探法從1#豎井孔壁進行探測。

大地電磁法測線布置在2#豎井周圍，共6條，點距10 m，豎井正上方附近重點區域加密測點，采用5 m點距，總長度約1 054.1 m，物理點數110個。按電阻率值展布在三維空間中，可以看出，在探測區域內，因地下建筑物眾多，隧洞、金屬結構密布，故電阻率值呈現不規律的橫向變化，總體呈低阻特征，在1#豎井及部分地下隧洞部位表現為明顯高阻異常。由三維切片圖可以看到，在老2#豎井的西南方向高程770.0～800.0 m范圍內有一明顯異常高阻體，推測為塌方體。

在1#豎井孔壁780.0～835.0 m高程段采用瞬態面波勘探法測試，總測試長度55 m，測試結果如圖4所示。

由圖4可以看出，在淺部0～4 m橫波速度普遍偏低，為1.4～2.0 km/s，推測是表面裂隙發育所致，深部新鮮巖體橫波速度在2.2 km/s以上。在豎井高程782.0～796.0 m、深度8～11 m的橫波速度低于2.0 km/s，為速度異常偏低區，推測此處為低速破碎帶區域。

4.3 孔內掃描

物探方法只能查明塌方體的大致位置，無法對其規模進行精確探測。因此，為了查明塌方井內空腔的分布及規模，對老2#豎井進行了激光掃描探測。

本次探測采用英國MDL公司生產的機器人激光勘查系統，全稱為“空腔自動掃描激光系統（CavityAuto scanning Laser System，C-ALS）”。該系統能夠通過孔洞插入到塌方體空腔內部，快速而安全地勘查塌方體內部情況。探測成果如圖5～6所示。經探測，空腔主要位于高程804.0～834.0 m，整個空腔呈現南北方向展布，整體滑動方向由西向東，上下兩端面積較小，中間位置面積較大，空腔最大直徑約為18 m，形狀較為復雜，整個空腔體積約4 136 m3。

4.4 地下水示蹤試驗

為了查明地下水的補給來源，在部分地段進行了地下水示蹤試驗。試驗結果顯示，孔內涌水與調蓄水庫沒有水力聯系，推測孔內富水帶補給區與豎井區域之間的距離較遠。根據區域地形，推測地下水補給來源方向為壓力管道西南側高山區。

5 處理措施

2#豎井老孔導孔發生涌水塌方后，在其內部產生了一個巨大的空腔，塌方體由SW向NE滑塌，其造成的空腔總體積約4 136 m3，對工程的安全運行將造成很大影響，對其采取了如下處理措施。

（1）綜合考慮已查明地質條件，盡量避開不良地質體，將新井位選擇在原2#豎井下游，原2#豎井充當排水通道，便于新井位施工。

（2）在S3導孔施工過程中，及時記錄鉆機推進力、扭矩、返渣、回水情況，并據此分析工程地質條件，對工程地質條件較差洞段進行固結灌漿。在擴井前對S3鉆孔進行全孔純壓式灌漿。

（3）在新豎井人工擴挖過程中，在豎井906.00 m高程開挖與2#老豎井連接的平洞M9支洞，通過M9支洞對老豎井回填自密實混凝土，對頂部回填困難區域采用模袋混凝土填充，以保證空腔回填飽滿密實。

（4）豎井固結灌漿采用高壓固結灌漿，灌漿孔深度5～6 m，每環孔數11個，灌漿圈排距均為2.5 m。

（5）在新豎井內布置監測儀器對洞內圍巖穩定性和滲流場變化情況進行監測。

6 結 語

CCS水電站2#豎井塌孔事故主要受斷層發育和高壓水頭影響。在反井鉆機施工遭遇塌孔事故后，對造成塌孔事故的原因及時分析研判，并采取了多種手段查明空腔發育情況、周邊工程地質條件，制定了相應的處理方案。CCS水電站2#豎井經過處理后，各項監測數據穩定，目前已實現通水發電，運行良好。

豎井作為地下建筑物，地質條件復雜多變，在正向導孔施工過程中，要密切關注掘進參數、返出巖渣等的變化，及時評判圍巖條件，對不良地質洞段提前采取措施進行處理，避免工程地質條件進一步惡化。同時，對豎井附近建筑物已開挖洞段的詳細地質編錄有助于分析豎井工程地質條件。

參考文獻：

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[7] 張卓元，王士天，王蘭生，等.工程地質分析原理[M].北京：地質出版社，1994：410-412.

【責任編輯 張華巖】