漂卵礫石地層沉井法施工大型調壓井特殊情況處理及后續施工

姜凌宇

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局 成都 610066)

1 工程概況

喜兒溝水電站位于甘肅省甘南州舟曲縣境內的白龍江干流上，是尼什峽～沙川壩河段水電梯級開發規劃的第11 級電站，是一座混凝土閘壩擋水的一坡到底的長隧洞引水式電站。調壓井為阻抗式，頂部為敞開式，上部65m 漂卵礫石地層采用沉井法施工，開挖井壁最大直徑為25.8m，沉井內徑22m，沉井壁厚1.5m，大井12m，直徑18.0m，阻抗孔27m，直徑為6.0m，鉆爆法施工，全斷面錨噴支護，調壓井深102m，開挖斷面為254.5m2。

2 地質條件

調壓井井筒上段置于覆蓋層內，覆蓋層厚97m，中下段巖體破碎呈碎裂結構，上部為淡黃色粉土和塊碎石土，厚33.4m;下部為沖洪積含漂石砂卵礫石層，厚63.6m，漂石約占5%～8%，粒徑一般0.4～0.6m，最大可達1.5m，密實。在1565～1575m 高程段，存在一孤石層，孤石粒徑較大，一般2～3m，大的可達4～5m，巖性為灰巖，多呈渾圓狀，巖性較硬，井筒上部以沖積含漂石砂卵石為主，井筒中下部以灰綠～深灰色絹英千枚巖為主，屬Ⅳ～Ⅴ圍巖，地質條件復雜。

3 問題的產生

喜兒溝調壓井沉井從EL1586 高程開始，井內出現大量孤石，孤石量占沉井開挖量的70%～80%，尤其是刃腳處孤石較多且直徑較大，頻繁爆破嚴重影響刃腳和刃腳內混凝土的質量，并且會對沉井有較大的振動，此時沉井中心偏差0.17m、傾斜0°32'42″，由于刃腳處孤石較多導致處理難度增大，沉井刃腳踏面單點受力部位較多，以至于沉井井壁、刃腳受力分布及下沉速度不均勻導致沉井井壁出現多處裂縫，沉井刃腳變形，鋼板與混凝土脫空。

為確保沉井后續施工及沉井安全，必須對沉井施工方法作必要的調整及對變形刃腳作適當處理。由業主組織設計、監理和施工單位的技術專家共同對下沉開裂、刃角變形脫空進行探查，對后續施工方案進行專項論證。

3.1 現場情況描述展示

現場情況描述展示見圖1～圖3。

3.2 有限元數據模擬計算分析

根據上述圖片資料和現場施工情況，首先對采取“先軟后硬”施工程序條件下沉井的變形和應力狀況進行了數值模擬計算分析，見圖4。

根據計算結果，在不均勻地層條件下，如果采取“先軟后硬”施工程序，下沉過程中沉井由下部“硬巖”承擔，隨著深度的增加，沉井刃腳和井壁最大拉應力基本呈現增大趨勢，刃腳和井壁最大拉應力值超過混凝土設計強度，刃腳處混凝土在施工期容易產生拉裂破壞。

圖1 調壓井沉井下沉中心偏差和偏斜測量

圖2 調壓井沉井裂縫分布展開

圖3 沉井刃腳變形和裂縫情況

圖4 先軟基后硬基沉井井壁X 向應力分布計算結果(單位:Pa)

采取先硬基后軟基的開挖施工程序時，沉井井壁X 向應力分布計算結果如圖5 所示。

圖5 先硬基后軟基沉井井壁X 向應力分布計算結果(單位:Pa)

此時，沉井下沉初始階段，即10m 深度以上，刃腳X 向最大拉應力值略超過混凝土設計抗拉強度，刃腳部位有可能出現拉裂破壞;在10～56m 深度范圍內，當采取先硬基后軟基的開挖施工程序時，沉井各部位最大拉應力值均小于混凝土設計抗拉強度，計算得到的最大拉應力值為沉井下沉至56m 時井壁Y 向的1.20MPa;在56m 深度以下，當采取先硬基后軟基的開挖施工程序時，沉井各部位最大拉應力值急劇增大，超過混凝土設計抗拉強度，計算得到的最大拉應力值為沉井下沉至65m 時井壁Y 向的5.04MPa。

4 施工處理措施

根據有限元數值模擬計算分析結果，井壁裂縫、刃角變形成因主要是沉井刃腳和井壁集中受力，局部出現拉裂破壞，沉井開挖施工按照先中間后預留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點的順序進行，以確保沉井開挖、下沉對稱、勻速。

5 施工處理流程及施工方法

5.1 變形沉井處理程序

5.2 外壁空隙封堵

沉井下沉之前對井壁外側空隙(多位于沉井混凝土井壁外側靠近刃腳部位，距離刃腳踏面高度大約在2.0～3.5m 左右)做必要的填實處理，增大井壁的摩擦力，控制下沉速度。封堵過程中，首先將刃腳處縫隙封堵嚴實，待沉井下沉，將井壁外側已有砂礫料帶動下沉后繼續在上部填堵渣場回采砂礫料，以此增加井壁摩擦力和保持井壁受力均勻。

5.3 刃腳受力點孤石分解處理

受力點孤石處理之前首先對各受力點分布情況進行分析，采用分部、分點、分層的方式進行，對孤石處理過程中的鉆孔、孔距、孔深、鉆孔方向、裝藥量以及爆破質量檢查實施全程監控，及時調整施工參數，保證沉井安全可控。受力點孤石處理采用“小藥量、弱爆破、低高度、勤觀測”的方式進行，把孤石單次處理高度控制在0.2～0.3m 之間，并且在鉆爆破孔之前首先鉆孤石粒徑探測孔確定孤石粒徑，指導爆破孔鉆孔深度，提高爆破質量，確保處理深度超出刃腳外壁0.15～0.20m。消除孤石處理面對沉井刃腳的摩擦力和損傷，在條件具備的受力點，孤石處理采取預裂爆破的方式處理，增加沉井下沉后刃腳踏面的受力面積。

5.4 變形刃腳處理

待沉井下沉平穩且刃腳踏面完全受力的條件下，將刃腳變形鋼板割開并將內部已破碎混凝土鑿除，在刃腳鋼板重新焊接加固完好后，從刃腳鋼板處的預留孔(0.3m×0.3m)人工重新回填C40 混凝土、φ60 插入式振搗器振搗密實，并預埋灌漿管(φ50 鋼管)，待混凝土達到設計強度后采用濃漿灌注填實，增加混凝土的密實度。刃腳加固采用厚20mm、寬0.20m 鋼板條處理。加強鋼板中對中間距0.5m，在條件具備的部位采用φ36鋼筋將刃腳鋼板與內部鋼筋進行焊接連接以加強刃腳的剛度，防止新焊接刃腳再次變形(見圖6～圖7)。

圖6 刃腳鋼板加固示意圖

圖7 變形刃腳處理

6 后續沉井施工漂卵礫石段開挖下沉方法和技術參數

沉井后續混凝土、開挖、下沉施工嚴格按照分節制作、分段下沉、制作與下沉交替進行的方法進行，開挖嚴格按照先中間后預留、先硬基后軟基、先其他部位后支撐點的順序進行，以確保沉井開挖、下沉對稱、勻速。砂礫料采用挖掘機開挖，塔機井內吊渣至EL1589 平臺臨時堆渣場，裝載機裝15t 自卸汽車運往5號棄渣場，刃腳以外孤石開挖采用手風鉆造孔，弱爆破解小后采用塔機集中吊運、井外集中出渣的方法。

在后續施工中刃腳底部孤石清理采取以液壓油錘為主，輔以手風鉆造孔小藥量爆破的方式施工，盡量避免爆破對沉井的振動及突然下沉，讓沉井下沉的速度、單次下沉高度在可控的范圍之內。孤石單次清理高度控制在0.20～0.30m 范圍內，在清理完已承重孤石之前禁止開挖刃腳底部的軟弱土層或砂礫料，盡量確保沉井在刃腳底部孤石清理完成后受力點均在軟弱土層或砂礫料上，并且刃腳靠沉井中心線一側必須有足夠厚度的未擾動巖層承受由于沉井自重產生的側向壓力。

圖8 漂卵礫石地層不同下沉深度開挖刃腳下方土體寬度計算結果

結合現有施工機具和圖8 不同下沉深度開挖刃角下方土體寬度數據圖，分析土體承重能力，在后續施工過程中刃腳內側土體必須預留寬2.0m的平臺，平臺開挖隨刃腳底部開挖同時進行，平臺與沉井中部開挖面高差控制在0.5～1.0m 范圍內。沉井開挖施工程序和方法見圖9。

圖9 沉井開挖施工程序和方法示意圖

7 沉井下沉測量控制與觀測方法

后續沉井施工中，在沉井外部地面及井壁頂部設置縱橫十字中心線和水準基點，井筒內作出垂直軸線的標記，各吊線墜逐個對準其下部的標板以控制垂直度，在沉井下沉時對其位置、垂直度及標高(沉降值)進行跟蹤觀測，并在沉井施工平臺布設下沉高度觀測水平管路(見圖10)，管路距離沉井外壁大于0.5m，環向主管路采用4 分PVC 管，觀測管采用透明塑料管，配合井壁監測墨線標尺(見圖11)實時監測沉井姿態，保證沉井安全、勻速、平穩下沉。

圖10 沉井下沉姿態觀測管路布置

圖11 沉井井壁監測墨線標尺

根據沉井下沉到設計高程后最終測量觀測成果，中心偏移為46.3cm、傾斜角度為0025'18″，均符合設計要求。

8 結 語

按照專家們的有限元模擬數據和后續技術要求，項目部加強和完善沉井監測方案和觀測方法，提高測量監測工作的頻率及效率，及時提供、上報沉井施工過程中的測量監測數據，準確掌握沉井下沉過程中的姿態，及時采取糾偏措施，調整施工方法及開挖下沉施工的先后順序，預留土體寬度，嚴格按照方案及相關規程、規范及圖紙要求施工、控制，保證了沉井安全、勻速、平穩下沉65m。

1 吳高見，姜凌宇，等.軟弱地質豎井中大型沉井施工方法:中國，201110426492·7［P］.2012-03-15.

2 全國水利水電工程施工技術信息網組.水利水電工程施工手冊第3 卷:混凝土工程［M］.北京:中國電力出版社，2002.