土質圍巖大直徑調壓井施工安全支護設計思路與施工技術

徐　迪 修仁義

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130000）

土質圍巖大直徑調壓井施工安全支護設計思路與施工技術

徐迪 修仁義

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130000）

在全風化圍巖及土質圍巖中施工大直徑深調壓井，施工安全支護難度及風險均較大，本文通過成功地設計與施工方案實例來討論其施工安全支護的設計與施工思路。

土質圍巖；調壓井；安全支護

一、工程概況

剛果（金）ZONGOⅡ水電站位于剛果（金）下剛果省境內，水電站由攔河壩、泄洪沖沙閘、電站進水口、引水隧洞、調壓井、壓力管道、廠房及開關站等主要建筑物組成。水電站設計水頭105.0m，總裝機3臺，單機容量50MW，總容量為150MW。

二、土質圍巖調壓井施工安全支護方案的設計思路

本工程調壓井為阻抗式調壓井，主井內徑18m，外徑21m，設計壁厚1.5m，高74.3m，原設計調壓井結構方案如圖1所示。

1.在調壓井上游附近設施工支洞，后期兼作永久交通支洞。在主井開挖前，施工支洞及調壓井下部隧洞段開挖完成，并在調壓井中心先期形成出渣導井。

2.從鉆孔地質條件及附近已開挖項目揭露的圍巖情況分析，調壓井井口處黏土覆蓋層較薄，開挖面直立性較好；下部全風化砂巖層強度低但不松散，相對致密，開挖面直立性也較好，但在全風化與強風化分界處巖石較為破碎、裂隙較多，因此存在地下水影響的可能性較大，即巖土分界處的圍巖自身穩定性較差，在水的作用下強度較低的圍巖臨空面可能會產生局部崩塌；強風化層巖石強度低，完整性差；弱風化層巖石強度較高、完整性相對較好。調壓井圍巖情況見表1。

3.調壓井土質圍巖開挖支護方式

經過對沉井法與逆作法的方案對比后，考慮到沉井法在斜向巖土分界處附近的處理難度、下部爆破開挖對上部懸空井壁穩定的影響，因此，采用逆作法分層開挖、分層澆筑混凝土的方式進行土質圍巖開挖與支護，然后再采用常規巖石井挖的方式利用正作法施工剩余部分的巖石井壁。

考慮到調壓井臨近的已開挖項目全風化土質圍巖在開挖后直立性較好的具體情況，因此，調壓井周邊圍巖的固結灌漿將在調壓井完成后進行。

4.調壓井土質圍巖逆作法的施工支護分析

（1）土質圍巖逆作法施工時，圍巖混凝土安全支護厚度的選擇

土質圍巖施工安全支護厚度在任何情況下，應使其長細比不得超過下列數值：

對圓形平面井壁的混凝土結構：

對圓形平面井壁的鋼筋混凝土：

式中：h—井壁支護厚度；Lb—圓環的換算長度，Lb=1.82r；其中：r—井壁半徑。

調壓井外半徑r=10.5m，采用鋼筋混凝土支護，最小厚度：h≥0.637m。考慮永臨結合，永久井壁分兩次施工，第一次施工厚度為0.75m，第二次為0.75m，其中，第一次壁厚作為臨時支護厚度在后期并入永久井壁厚度中，剩余井壁結構采用滑模施工方案至井口，以保證調壓井結構的整體性及外觀質量不受影響。

（2）調壓井土質圍巖逆作法井壁支護豎向穩定分析

如果使井壁施工支護結構體不產生下滑，井壁與土質圍巖間的摩阻力必須大于井壁自重，則應滿足：

其中：fk—單位摩阻力（kPa），h—井壁支護高度（m），u—井壁外周長（m），Gk—井壁支護結構重力（kN），K—穩定系數，應大于1.2。

參考相關規范摩阻力經驗值見表2。本工程井壁上部黏性土層單位摩阻力取fk=15，下部全風化砂巖層單位摩阻力取fk=12。

當沿井深向下土層為多種類別時，單位摩阻力可取各土層單位摩阻力標準值的加權平均值，該值按下式計算：

其中：fk—多土層單位摩阻力標準值的加權平均值（kPa）；fki—第i層土的單位摩阻力標準值（kPa）；hsi—第i層土的厚度（m）；N—沿井深度不同類別土層的層數。

根據公式（4），調壓井井壁與土層間的綜合單位摩阻力fk=12.17kPa。

在土質圍巖中采用逆作法施工調壓井時，向下每開挖一層，就要澆筑一層支護體混凝土，調壓井井壁支護體下端經常處于懸空狀態，直到支護到穩定的巖石層后，再采用正作法由下向上澆筑混凝土。

調壓井井壁與土層間的綜合單位摩阻力沿井壁高度分布情況，按傳統計算模型如圖2所示。

根據圖2中單位摩阻力模式及上述的已知條件，計算摩阻力與井壁重力的關系見表3。

根據表3分析，井壁沿豎向全長為直線型時，不能滿足施工支護豎向穩定安全要求，主要原因是調壓井直徑大、支護壁厚大，井壁支護結構重力大于外壁與土體間的摩阻力。

三、調壓井井壁設計結構形式的調整

逆作法施工井壁的情況下，當施工支護的井壁不能滿足自身抗滑穩定條件時，必須采取井壁抗滑或井口鎖定的安全措施，以保證施工支護的安全。具體方案分析如下：

1.井壁外側增加根鍵方案

經計算，如果在調壓井每2m施工層的支護結構外側均增加外凸的環形根鍵，則除第一層井壁支護體豎向穩定系數K＜1不能滿足豎向穩定外，從向下第二層開始，支護體豎向穩定系數K＞1.1，從井口向下6m深時，整體豎向穩定系數K＞2，自身豎向穩定能夠滿足要求。

2.井口井盤方案

如果在調壓井井口設置井盤，如圖3所示，則井壁支護體的下滑力由井盤和井壁的摩阻力共同承擔。當單位摩阻力不能確定或單位摩阻力較小時，出于安全考慮，可由井盤單獨承受逆作法施工時井壁支護體的全部拉力，而摩阻力可作為因地質偏差造成的土質層超深、井壁超厚而引起結構重力加大的安全儲備。

3.井壁根鍵方案和井口井盤方案對比

（1）根鍵方案需要在井口處采取加固措施，保證第一層井壁支護體不下滑。每層支護體需要在土質圍巖立面上挖環向土槽，人工工作量較大，而且受井壁豎向鋼筋的影響，施工難度較大，工期較長。

（2）井盤方案施工方便，可應對調壓井下部不良地質情況，但鋼筋用量略有增加。

結合本工程地質條件及調壓井直徑較大的實際特點，經技術與經濟對比，井壁支護體采用井口井盤方案，其中，井壁施工支護厚度0.75m，如圖3所示。

四、土質圍巖調壓井施工方案設計

1.出渣導井的施工方案設計

（1）出渣導井位于調壓井中心，總深度65m，其中，在弱風化巖層中約25m，在強風化巖層中約8m，在黏土及全風化土層中約32m。考慮通風、操作、出渣等因素，導井外徑按2.1m設置。

弱風化層的導井，圍巖條件較好，采用由下向上爆破開挖的方案，其余部分的導井采用自上而下的人工土方開挖、部分爆破開挖的方案。上、下井在開挖臨近接頭處，預留一次爆破成型的巖塞厚度。

（2）土質圍巖的導井設計

土質圍巖的導井擬采用直壁型混凝土襯砌，并采用逆作法施工至強風化層。

根據公式（1），計算導井襯砌最小厚度為9.5cm，取15cm厚。井壁豎向穩定計算分析見表4。

根據豎向穩定計算結果，需要在導井井口處設小型井盤，同時在井口向下3m范圍內配置豎向鋼筋，從3m～32m范圍內不需要井盤拉力，豎向自身穩定。

（3）導井構造要求，

對于圓形導井平面尺寸，凈空應不少于φ1.2m，混凝土強度等級不低于C15。水平環筋直徑不宜小于φ10mm，間距不大于250mm；豎向鋼筋每米不少于3根，直徑不小于φ8mm。

2.調壓井開挖與井壁施工

（1）設一臺反鏟挖掘機從井口開始向下開挖，渣土由導井排至下部的隧洞內，由裝載機裝自卸汽車外運。至主井下部巖石爆破開挖時，對反鏟挖掘機進行安全防護。開挖至阻抗孔上部井底后，由70t汽車吊吊出反鏟挖掘機。

土質圍巖一次開挖深度為2m，視圍巖土質情況，最大不超過3m。

（2）調壓井主井井壁分外壁和內壁兩次施工，第一次采用逆作法施工外壁支護部分，第二次采用滑模方案施工內壁部分。

（3）除井圈附近外，第一次支護的井壁內圈可不設鋼筋，但所有的外圈豎向鋼筋接頭必須全部焊接。

（4）土質圍巖外壁支護結構從上至下每次施工的混凝土層高為2m，根據圍巖土質直立性情況，最高不超過3m。為保證下層混凝土有效排氣，施工縫必須設傾斜面，坡度不緩于1∶2。為便于混凝土入倉，每層立面模板的上口應超出上一層混凝土底部寬度10cm，即每層混凝土上口寬度為80cm，下口寬度為70cm，井壁平均厚度為75cm。

每層外井壁模板拆除后，必須進行表面鑿毛處理。

（5）遇有地下水時，應在圍巖面漏水處鉆孔設排水管，并將水有組織地排到井壁混凝土外，并視下部井壁支護體施工時地下水情況或管內無水時再適時封堵。

（6）其他按常規施工方法及相關規范進行施工。

結論

（1）土質圍巖調壓井設計與施工重點在于前期地質勘測以及施工安全支護方案的選擇。（2）土質圍巖調壓井宜設置在山脊處，因受地下水影響相對較小，有利于施工安全支護，并宜于旱季施工土質圍巖的井壁支護體。（3）土質圍巖情況下，無論是調壓井主井還是施工導井均應設置井盤。（4）當導井下部地質情況不明時，導井上部井壁應設置環形根鍵。

［1］胡志英.復合式支護技術在大型土質調壓井中的研究與應用［J］.中國農村水利水電，2014（12）：143-144.

TU74

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