坪頭水電站1#豎井的開挖與支護

劉全鵬,趙 寧,梁曉軍

(黃河水利委員會 黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

坪頭水電站1#豎井的開挖與支護

劉全鵬,趙 寧,梁曉軍

(黃河水利委員會 黃河勘測規劃設計有限公司,河南鄭州 450003)

坪頭水電站1#豎井總高度為102.2 m,開挖直徑為5.6m,所處地層為微風化至強風化的細晶白云巖,為Ⅲ～Ⅳ類圍巖,極易產生塌方、掉塊。通過對1#豎井這種復雜地質條件下開挖與支護施工的方法研究與實踐,探索了豎井的導井法施工、開挖前回填灌漿與開挖中的噴錨支護、鋼支撐加強支護,對塌方區域采取模噴、回填澆筑等處理方法,總結出對極其復雜地質條件下的豎井開挖與支護分別采取預固結灌漿、錨噴支護、鋼支撐加固以及模噴、回填澆筑的綜合施工方法。

豎井;開挖;支護;塌方處理

1 工程概述

坪頭水電站位于四川省涼山州美姑、昭覺、雷波三縣交界處,工程區位于夏炎冬寒的高山峽谷地帶,海拔高程600 m～1 400 m,是美姑河干流規劃五個梯級中最后一個梯級低閘引水式電站。引水系統沿美姑河左岸布置,包括引水隧洞、調壓室和壓力管道。1#豎井段是壓力管道的一部分,垂直高度102.2 m(EL852.2～EL750.0)。根據施工組織設計,1#豎井采用反井法施工,先打導井,然后自上而下進行井身擴挖施工。在擴挖施工過程中,當全斷面擴挖進行到39.1 m(即EL810)時,發現了下部有較大規模的塌方,塌方寬度以反導井為中心徑向最大半徑約9 m。經多次研究,最終決定先將井內塌空區用混凝土填滿,并預留溜渣通道(預埋PE管),然后再自上而下擴挖。經過艱難的探索施工,截至2010年2月9日,全面完成了1#豎井開挖與臨時支護。

2 豎井開挖

2.1 施工方案選擇

豎井施工方式通常可分為兩類,即正井法和反井法[1]。正井法是自上而下鑿井,最常用的辦法是采用手風鉆打眼、放炮,強制通風,人工裝巖或抓斗抓巖,吊桶出渣;其特點是對于復雜地質條件情況下,便于適時支護,確保安全。正井法開挖施工工藝落后,進度緩慢,且經濟效益較差,不滿足坪頭水電站工期要求。

反井法是先利用正井鉆機進行導孔施工,自上而下鉆出先導孔,再利用反井鉆機自下而上鉆出反導井,最后從上至下開挖,利用導井進行通風、排水和出渣。采用反井法施工,能充分利用反井鉆機施工小直徑鉆孔速度快、質量好和鉆眼爆破法破巖效率高,出渣快,節省通風和排水設備等特點,實現豎井快速施工。反井法具有較正井法人員投入少、機械化程度高、施工進度快、綜合經濟效益高等優點。

經對比論證,1#豎井選擇了反井法施工方案。

2.2 施工條件分析

1#豎井段開挖與支護是豎井段壓力管道部分的一道工序,垂直高度102.2 m。施工交通靠上下平洞,條件較差;圍巖條件差,施工困難。

2.2.1 豎井開挖存在的問題

(1)圍巖地質條件差

1#豎井段圍巖為灰白色中厚層狀細晶白云巖、灰色石灰巖,自上而下巖性依次為②、③、④和⑤層,巖性差別較大,地質條件變化較多,以強風化為主;巖體較破碎,裂隙發育,裂隙面見厚5 cm～10 cm、呈條帶狀的風化暈,局部充填有2 cm～5 cm厚的粉土;該段巖溶作用較強,“溶蝕”、“砂化”現象明顯,存在溶洞堆積物,其物質多為孤塊碎石土,架空現象明顯。綜合評價:1#豎井段巖體完整性差,呈薄層～互層狀結構,多為Ⅲ～Ⅳ類圍巖,以Ⅳ類為主,局部為Ⅴ類,極易產生塌方掉塊。

(2)安全問題突出

由于1#豎井段較差的圍巖條件,加之豎井高度大,工作人員必須進入井內工作面施工,安全問題突出。

(3)先導孔與反導井施工困難

由于1#豎井圍巖條件差,先導孔鉆孔精度較難控制,鉆機施工時容易產生卡鉆、掉鉆,因此豎井的先導孔鉆孔、反導井擴挖成為本工程的關鍵點和難點。

2.2.2 問題的應對措施

針對施工中可能遇到的突出問題,提出應對措施如下:

(1)對破碎巖體采取固結灌漿、錨噴支護、鋼支撐加固等措施。

(2)加強安全設施配置,具體包括:井口安全圍欄,安全防護罩;豎井內設安全鋼梯;加強安全用電系統管理;卷揚機設置安全防溜裝置;設置井內通訊設施;及時對開挖面進行噴錨支護。

具體措施還包括:制訂一整套完整的運行管理制度;統一井內外的信號系統,對進入井內作業人員事先進行教育、學習;控制爆破;持證上崗;對各井口三班倒運行管理人員采用定人、定崗、定責任的三定管理;制訂各種危險源分析和防范措施,對可能發生的事故制定相關的防范措施和應急措施,定期和不定期進行安全檢查。

(3)保證鉆機安裝精度,開孔時采用扶正器;在先導孔鉆進過程中及時采取糾偏措施,合理采用鉆壓和轉速、每鉆進10 m做孔斜檢測并進行糾偏等。對反導井施工和擴挖施工中可能遇到的問題亦制定相應的措施對策。

2.3 施工重點、難點分析

2.3.1 深豎井通風與除塵問題

1#豎井段處在山體內的上下平洞間,通風與除塵問題突出。因此施工中盡量使用自然通風與機械通風來進行通風與除塵,以改善施工環境。

2.3.2 深井施工的安全問題

在目前的開挖施工中常用的機械設備是手風鉆,工作人員在工作面打眼放炮,受有害氣體、塌方、落石、淋水的危害,安全很難保證,尤其豎井工作面狹窄,深井施工更是難以保證安全。因此,要建立健全運行管理制度;完善防范與應急措施,定期組織安全演練;定期和不定期進行安全檢查等。

2.3.3 導井施工困難

由于1#豎井圍巖條件較差且高度較大,導孔不易鉆進,鉆孔精度不易控制,反井鉆進容易卡鉆、掉鉆,因此豎井導井施工是本工程的關鍵。

2.4 豎井開挖與臨時支護施工工藝流程

在正常情況下,1#豎井采取反井法進行開挖,其施工工藝流程如圖1,開挖示意圖如圖2。

2.4.1 測量放線

測量放線是豎井施工的第一步。從洞外控制網經測量導線引控制點到井口附近,豎井擴挖時制作垂直移動控制點,用垂球把控制點引在開挖掌子面放線。

2.4.2 導井施工準備

反導井施工的施工準備包括風水電的布置、交通運輸系統布置、施工通訊系統、反井鉆機混凝土基礎澆筑、沉渣池和泥漿循環池、導井安全蓋等。

圖1 1#豎井開挖與臨時支護施工工藝流程圖

圖2 1#豎井開挖示意圖

導井施工時利用目前布置在閥室交通洞洞口的壓風站通風,擴挖利用導井通風;施工用水利用布置在上平洞中的供水管路就近引入工作面;施工用電利用在上平洞洞內的電力線接入工作面。工作面的積水主要是豎井導井開挖、地下滲水以及可能出現的集中涌水等,利用潛水泵分別匯集到排水泵站集中排除;閥室交通洞作為1#豎井的施工通道,中平洞及其施工支洞作為1#豎井的出渣通道。

2.4.3 導井施工

導井法施工是完成先導孔鉆孔,利用反井鉆機進行導井的鉆挖:由電機帶動液壓馬達,利用液壓動力將扭矩傳遞給鉆具系統,帶動鉆具旋轉,并向上、下升降,采用鐮齒盤形滾刀破巖,滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動,從而對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用,使其破碎,形成溜渣、通風導井。

先導井鉆孔及反井鉆機擴孔工藝流程圖如圖3。

圖3 導井施工程序框圖

經過安全、技術、進度及經濟比較,1#豎井選型采用LM-200型反井鉆機,鉆孔直徑216 mm。在先導孔施工過程當中遇到不良地質情況時,首先采用泥漿護壁的施工方案進行處理,泥漿配比根據現場情況確定;特殊情況采用水泥漿或水泥砂漿進行預固結灌漿施工處理。

先導孔施工時采用泥漿泵將水(或泥漿)沿鉆桿內壁壓入孔內,作為排渣及冷卻鉆頭用水。石渣經排渣槽進入沉渣池,沉淀后人工撈至堆放位置。在施工過程中,如果出現塌孔、不返水等異常情況,則需要用泥漿護壁及堵塞溶洞和裂隙。必要時要暫停鉆進,取出鉆桿后用水泥漿或水泥砂漿進行固結灌漿。

先導孔的質量是整個豎井成型的關鍵,尤其是如何解決先導孔偏差問題。影響反井鉆機導孔施工精度的主要原因有:

(1)不良地質條件,如出現層間軟弱地層帶,抗壓強度差別大;

(2)開孔段、不良地質段與正常段的造孔速度差別大。

主要采取的糾偏措施為:安裝鉆機精度控制在0.15%以內;先導孔施工時,孔口30 m,用0.2 m/h～0.5 m/h的鉆進速度,并且必須做好護壁,合理加設穩定鉆桿架,并在開孔時采用扶正器等方法;安排特別有經驗的操作人員,合理采用鉆壓和轉速;施工中嚴格控制孔斜,每鉆10 m做一次孔斜檢測,發現偏差及時進行糾偏。

反導井擴挖:先導孔鉆透后,在下平洞用卸扣器將導孔鉆頭和異型鉆桿換下,大致修平下平洞頂拱的擴孔鉆進范圍。在豎井底部安裝φ 1.4 m擴孔鉆頭,再由下向上完成反導井擴孔。在反倒井擴孔鉆孔中,尤其要注意根據不同的地質條件,控制鉆進速度和提拔力,避免由于巖性變化大、鉆進速度快而卡鉆、掉鉆等現象。

2.4.4 開挖前的準備

在進行豎井下挖施工前,將導井施工時的混凝土基礎拆除,并做好下挖設備基礎和施工平臺。施工平臺采用反吊平臺,吊點錨桿采用Φ 25L=4.5 m,外露30 cm。豎井擴挖施工時,為了保證施工人員的安全,在第一次擴挖(包括上彎段)后的井口設置一井蓋,在每次造孔作業前,先用卷揚機將井蓋吊入井中將井口蓋好,再進行鉆孔作業。起爆前將井蓋吊至安全高度。其他風、水、電、通訊和安全措施的準備也提前做好。

2.4.5 鉆孔與爆破作業

炸藥采用乳化炸藥,雷管采用非電毫秒雷管,起爆采用火雷管引爆。

1#豎井上彎段在豎井擴挖時進行,下彎段底部與堆渣場一起開挖,剩余部分按豎井擴挖進行。1#豎井擴挖斷面直徑為5.6 m,井口以下20 m范圍內為爆破試驗段。爆破采用寬孔距微差擠壓爆破,崩塌孔間排距60 cm,周邊孔孔距40 cm,開挖進尺控制在2 m以內。施工時,爆破參數根據實際情況調整、優化。

由于1#豎井開挖高度大,地質條件復雜,采用全斷面一次擴挖,通過減小炮孔的間排距,控制渣料的最大粒徑、適當延長分段時間、控制單響爆破方量等措施來預防導井堵塞。

2.4.6 清危與出渣

在出渣前需要對開挖段進行危險巖體的清除工作,并在爆破后及時進行第一次噴混凝土支護,初噴厚度不小于5 cm,以保持圍巖自身穩定,保證在出渣時不會有井壁掉塊或塌方發生。簡單處理后,人工將工作面松渣全部扒下導井后,蓋好出渣導井井蓋,才能在下部出渣。出渣用裝載機配合自卸車出渣。

清危與出渣時加強觀察,確保安全。一旦發現堵塞,采取相應措施及時處理,處理完成后才能繼續出渣及下道工序作業。

2.4.7 臨時噴錨支護

因豎井內大型設備無法進入,所以錨桿造孔采用手風鉆進行造孔,人工安插錨桿,噴混凝土采用干噴機人工噴射。開挖后錨桿支護與開挖面距一排炮的距離同時跟進,噴混凝土支護控制在10 m內同時跟進。采取的措施包括:

(1)預固結灌漿

對巖石特別破碎的Ⅳ～Ⅴ類圍巖部位,經監理工程師和總包及施工單位三方研究,可以采用預固結灌漿對圍巖進行處理。固結灌漿施工采用XZ-30鉆機鉆孔,TTB200/12高壓灌漿泵進行灌漿;孔深L=9 m,水平間距1.0m,上下間距1.5m;漿液水灰比采用1.5∶1～0.5∶1;灌漿壓力:分兩序孔,Ⅰ序孔與Ⅱ序孔間隔布置。Ⅰ序孔間距2.0 m,采用0.1 MPa～0.3 MPa,Ⅱ序孔間距2.0 m,采用 0.3 MPa～0.6 MPa。

(2)Ⅲ～Ⅴ類圍巖噴錨及鋼格柵與型鋼支撐支護

施工中,錨桿支護與開挖面的距離不大于2 m,邊開挖邊支護;噴混凝土支護與開挖面距離控制在10 m內(二次噴護)邊開挖邊支護。錨桿施工與噴混凝土按常規方法進行。根據現場具體情況,按圍巖類別分別采取相應的支護:

Ⅲ類圍巖,僅采取噴混凝土支護:①噴C25混凝土(一般噴混凝土厚度大于8 cm時分兩次噴護,第一次在開挖完成并清渣后進行),②第二層在出渣完成后進行,厚度3 cm～5 cm。

Ⅳ類圍巖,采取掛網、砂漿錨桿加鋼格柵支護:①噴C25混凝土(一般噴混凝土厚度大于8 cm時分兩次噴護,第一次在開挖完成并清渣后進行),②安插 Φ 25,L=3.0 m沙漿錨桿,③掛Φ 3 mm,@5 cm×5 cm機編網;④加設斷面為20 cm×20 cm環形鋼格柵(擴挖時井壁外擴20 cm,保證凈空),鋼格柵用錨桿連接固定;⑤第二層噴混凝土在出渣、錨桿及鋼格柵安裝完成后進行,厚度5 cm～25 cm,保證鋼格柵不外露。

Ⅴ類圍巖及遇有圍巖破碎段、出現卡鉆、塌孔等現象時:除按Ⅳ類圍巖的①②③⑤支護外,將上述不能正常施工的砂漿錨桿改為自進式錨桿;⑥底部增設 Φ 25,L=4.5 m 超前錨桿(傾角大于15°);⑦布置主筋為Φ 25,間排距為0.8 m的鋼筋網;⑧將鋼格柵支護換成I14型鋼環形支撐(井壁擴挖14 cm,保證凈空),鋼支撐用錨桿連接固定,噴混凝土應保證型鋼不外露。

2.4.8 控制與判斷

(1)測量控制:保證測量控制網和控制點的精度;豎直向搞好測量的過程控制,防止豎井出現欠挖。

(2)施工質量過程控制:通過原材料、成品和半成品的質量控制,搞好過程中的每個工序的控制,保證質量與安全。

(3)根據開挖后的地質資料、支護效果等,判別開挖爆破參數與支護參數的合理性。合理,進行下一循環開挖;不合理,根據現場實際情況及效果,修改鉆孔與爆破參數、支護參數后,進行下一循環作業。

當出現大的塌方、巖爆,或則出現溶洞、涌水等特殊情況,暫停施工,修改施工方案后再進行施工。

2.4.9 開挖結束

當開挖完豎井段后,應從下至上逐段清理豎井中下一工序(鋼襯與混凝土回填)中不需要的噴混凝土管等臨時設施,做好鋼襯施工前的驗收,確保下一階段的施工安全。

3 塌方處理

3.1 塌方狀況

1#豎井自導井形成后,豎井底段圍巖坍塌現象持續不斷。當豎井擴挖到39.1 m(至810.3 m高程)時,發現坍塌區域自EL765高程不斷向上延伸,隨著擴挖掌子面向下進行,豎井內巖石坍塌規模有增強趨勢,常伴有2 m3～3 m3大粒徑巖塊塌落。

根據現場已開挖的導井及已擴挖段揭示的地質條件顯示,1#豎井剩余洞段地質條件極差,在導井井壁圍巖自擴挖撐子面(EL810.3)以下約20 m,目測發現巖體呈破碎架空狀,導井井壁圍巖參差不齊,受溶蝕、風化影響,“砂化”現象嚴重,自穩能力極差,如果不采取有效措施,有產生大塌方甚至塌井的可能。

3.2 塌方處理方案

根據1#豎井洞段開挖現狀,為確保后續施工安全,提出三個塌方處理方案進行比選。

方案一:采用回填碎石后進行固結灌漿,然后按正井開挖方法施工,優點是能夠穩妥、安全,且質量有保障。但由于正井開挖方法施工進度慢,預計工期為18.5個月。

方案二:豎井底部806 m高程以下回填C15素混凝土,中間預留2 m×2 m的通道(立鋼模板)處理,預留通道作為后續豎井擴挖時的溜渣通道。在塌方段進行完混凝土回填后,仍然按照原來的開挖順序進行開挖和支護。

方案三:灌漿處理加回填混凝土方案。施工工序如下:①在806 m高程以上6 m范圍內進行固結灌漿,孔深6 m,間排距2.0 m×2.0 m(梅花型布置);②錨筋樁支護,采用 3Φ 25錨筋樁,孔深12 m,間排距1 m×1 m(梅花型布置)。③對于井壁坍塌段(806 m高程以下范圍),采用C20二級配泵送混凝土進行回填,中間預埋 PE管(直徑 φ 1500,壁厚 4 cm)作為后續豎井開挖的溜渣通道。

綜合比選結果:對于本工程,工期要求較緊迫,方案一不滿足工期要求;方案二需要在回填前進行塌方段的立模作業,工作非常危險,不能保證安全;方案三,對工期有利,且能保證施工質量,在進行相應的安全措施后也可以保證施工安全;最終按方案三完成了1#豎井的回填素凝土,并按正常開挖方法完成了剩余段的開挖與支護。

3.3 塌方處理工序

1#豎井的塌方處理按以下流程進行:EL806以上固結灌漿→EL806以上錨筋樁施工→混凝土溜管布設→EL806以下PE埋管吊裝→豎井底部處理→回填混凝土澆筑。

4 施工質量控制

4.1 施工質量控制

對豎井開挖與支護的質量控制主要包括:

①測量控制:保證測量控制網和控制點的精度,搞好測量的過程控制;現場加強抽檢測量,防止出現欠挖等。

②施工質量過程控制:主要通過對原材料、成品和半成品的質量控制,搞好過程中的每個工序的控制。

③要求施工單位加強“作業人員自檢”、“班組檢驗”和“專職檢查員檢驗”相結合的“三檢制”。

4.2 預防堵井措施及堵井處理方法

利用導井作為溜渣通道,經常發生堵井現象。堵井一般容易發生在導井的上部和下部。導井上口堵井多是由爆破產生的大塊石造成,堵井發生在導井下部,一般是由于出渣不及時或堆渣空間不夠而產生的。

4.2.1 預防堵井措施

為防止擴挖過程中巖塊過大和石渣集中下溜堵塞溜渣井,施工中采取了如下措施:

①用非電毫秒延期雷管合理分段位延期爆破,避免爆炮后石渣集中擠壓造成堵井;

②堆渣距下井口距離小于2 m時應及時出渣,避免堆渣堵井;

③人工在井內扒渣時,注意觀察導井內風向及氣流情況,防止堵井后繼續溜渣,致使導井全部堵死,無法處理;

④對豎井下部集渣區作擴挖處理,加大集渣容量,以多堆渣為宜,減少出渣次數,以加快施工進度。

4.2.2 堵井處理方法

上部發生堵井時,可用人工系安全帶將松渣清理一部分,盡可能找出堵井大石塊,打眼后埋炸藥包,進行爆破處理。下部發生堵井時,待底部出渣到露出導井后,用長桿舉炸藥包固定在堵塞部位起爆,利用爆破沖擊波震動使其下落。但該工作危險性較大,必須將洞底人行通道進行安全處理,從洞口一側向上爬,以防石渣突然下落,造成事故。

5 結 語

通過坪頭水電站1#豎井的開挖與支護施工實踐,反井法施工技術取得了良好的效果,確保了工程的施工安全,加快了施工進度,提高了工效,具有較強優勢。豎井開挖過程中的支護是保證開挖正常進行的關鍵,合理有效的支護措施會給整個豎井開挖及以后的混凝土施工提供安全的施工環境。

塌方處理實踐告訴我們,各種復雜地質條件下出現不可預見的工程事故在所難免。一個好的方案應具備安全可靠的特性,同時還應滿足工期和質量要求,具有較好的經濟效益。

對1#豎井施工中塌方事故的反思是:如果加強了前期勘探工作,摸清了工程地質情況,在先導孔施工階段進行好豎井下部區段固結灌漿,必將可以有效的預防塌方發生,減少經濟損失。

[1]中華人民共和國水利部.SL303-2004.水利水電工程施工組織設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2004:35-39.

Excavation and Support of Shaft No.1 in Pingtou Hydropower Station

LIU Quan-peng,ZHAO Ning,LIANG Xiao-jun
(Yellow River Investigation and Planning and Design Co.,Ltd.,Yellow River Water Conservancy Commission,Zhengzhou,He'nan450003,China)

Shaft No.1 of Pingtou Hydropower Station is 102.2 m in height,its excavation diameter is 5.6 m,and it is located at the stratum that is consisted of the fine grain dolomite being silkily weathered to highly weathered,which belongs toⅢ～Ⅳsurrounding rock,and the occurrences of collapses and drops are highly possible.By researching and practising the excavating and supporting methods under the complicated geological conditions of Shaft No.1,such treating methods as pilot shaft construction,backfilling concrete before excavation,shotcrete and rock bolt supporting in excavation,steel bracing to strengthen the support,aswell as shotcreting after formwork and backfill concreting in collapsed areasetc.are explored here in detail.For the excavation and support of shaft under extremely complicated geological conditions,it's concluded that the comprehensive construction methods of pre-consolidation grouting,shotcrete and rock bolt supporting,steel brace strengthening,formwork-shotcreting and backfill concreting should be taken respectively.

shaft;excavation;support;collapse treatment

TV732+.51

A

1672—1144(2012)01—0025—06

2011-10-31

2011-12-15

劉全鵬(1961—),男(漢族),河南項城人,高級工程師,主要從事水利水電工程設計及監理工作。