蘭州市水源地建設項目665m超深豎井開挖施工技術研究

【摘要】蘭州市水源地建設項目通氣豎井深度達665m，開挖施工難度大，技術要求高.本文對該超深豎井開挖支護施工方案和垂直運輸方案的選擇以及豎井開挖支護過程中的技術難點進行了深入分析和研究，值得類似條件下的豎井施工借鑒.

【關鍵詞】蘭州市水源地建設；超深豎井；鑿巖鉆機；正挖施工

1、工程概況

1.1 工程概況

蘭州市水源地建設工程以劉家峽水庫作為引水水源向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調流調壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。

本工程為永久工程，主要是為防止引水主洞中的氣體可能帶來的局部及瞬時極端壓力對引水主洞造成破壞。另外，為盡量避免F8斷層對TBM施工的影響，通氣井位置的選擇還綜合考慮了兼做F8斷層的預處理施工豎井，對F8斷層及影響帶范圍提前進行鉆爆開挖，噴錨支護后，TBM滑行通過并安裝管片。

1.2 水文條件及地質條件水文、氣象條件

蘭州氣象站1951年建站，根據蘭州氣象站資料統計，年平均氣溫9.8℃，一月份平均氣溫最低，為-5.3℃，七月份平均氣溫最高為22.4℃。平均年降水量311.7mm，年蒸發量1446.4mm，最大風速17.0m/s，最大凍土深103cm。

1.3 地形、地質條件

本工程區為白堊系下統河口組泥質砂巖、粘土巖和砂礫巖，巖性較軟，流水沖蝕嚴重，風化作用較強，沿線最高山峰海拔2398m，位于腦和尚溝下游，最低海拔1973m，位于下莊村附近大峴子溝處，相對高程200～400m，沿線沖溝發育，溝底與分水嶺相對高差小于200m，地貌形態以低中山為主，地勢總體東高西低。沿線發育上灘溝、周家腦溝、茅茨溝、打柴溝、廟兒溝、腦和尚溝等6條沖溝，沖溝依地形發育，走向110°～125°，與線路交角40°～60°，沖溝切割較淺，最大切割深度約60m，溝內干涸，溝底普遍可見由青灰色、深灰色變質安山巖、變質玄武巖等洪積塊碎石。

2.施工準備

2.1 施工前期準備

（1）工業廣場平整

根據工業廣場布置要求，平場時需要開挖周邊部分山體以具備施工條件。場區高程低于井口標高500mm，工業廣場長約130m，寬約45m。

（2）供電

豎井井筒施工電源采用10KV架空線路供電電源，10KV永久供電線路已形成。

（3）供水

施工用水施工現場內供水管路供水，在宿舍區設置150m3磚砌蓄水池蓄水，采用無塔供水器向廠區內供水，埋設供水管路長約400m。

（4）地面排水

豎井施工期間，在場地沿山邊設置排洪溝，井下水及施工廢水經排洪溝排出工業廣場連接原天然沖溝。豎井工業廣場沿西北側布置一條排水溝連接原沖溝。

（5）道路

在施工場地期間，將黃土路面鋪設成泥結碎石路面。

（6）臨建設施

根據施工需要在豎井附近布置生活區、生產區臨時設施。

（7）通訊

地面通訊采用移動電話聯系，井下與地面通訊采用電話聯系。

2.2 測量

根據建設方提供的控制基點，布置近井測量點和井筒十字樁坐標資料，并負責使用和保護。

（1）井口十字中心線的測設

井口中心以甲方提供的中心樁為準。若只提供近井點資料和井筒中心設計坐標，則應先標定井中位置，使用全站儀按地面一級導線精度要求測定。

（2）提升設備安裝測量

1）提升設備安裝測量，必須保證設備本身及其有關建構筑物的相對幾何關系正確，測設與標定測量的精度必須與設備安裝要求的限差相適應。

2）絞車已安裝好而基座未灌漿前，應配合施工對絞車安裝的準確性進行測量，求出實際與設計之差。

（3）井筒掘砌測量

井筒施工給向采用垂線法，中心垂線采用2mm的碳素細鋼絲繩，井筒中心位置偏差不得超過5mm，否則應進行更正。

2.3施工設備、設施的安裝

（1）鑿井懸吊設施的安裝

1）天輪平臺的安裝

井筒采用鑿井ⅣG型井架，根據《天輪平臺平面布置圖》，50t吊車將天輪平臺的各梁及天輪進行就位、安裝。

2）翻渣系統的安裝

翻渣平臺的安裝采用整體組裝、整體起吊的方法安裝。即在地面上將組成翻渣平臺的各梁及鋪板組裝成一體，利用已安裝好的用于懸吊吊盤的3臺穩車或50t吊車將翻渣平臺整體起吊到設計位置，將其與井架腿通過支座利用螺栓連接固定。

（2）變電站的安裝

通過吊車直接將配電盤吊起放至變電所門口，人工移動到放至變電安裝位置并找平找正，進行固定，然后進行配線進線、接地系統、照明、監控系統的安裝。

（3）礦井提升機的安裝

井筒施工采用一臺JKZ-3.0/20及一臺JKZ-3.0/15.5礦井提升機進行兩套單鉤提升。

（4）壓風機的安裝

根據井筒施工用壓風量選用開山壓風機10m31臺、20m31臺、30m31臺、40m31臺。壓風機安裝的主要內容有：壓風機、配電柜、壓風管路等。

（5）鑿井絞車的安裝

鑿井懸吊設備全部采用JZ、2JZ系列鑿井絞車，井口集中控制。在進行提升機安裝的同時，當鑿井絞車的基礎施工完畢并經驗收且其強度達到70%以后，即可進行鑿井絞車的安裝。

（6）二盤吊掛的安裝

為滿足二盤吊掛的安裝需要，應先掘砌井筒28m，以便二盤吊掛的安裝。

2.4 施工供電、照明、通訊、信號、爆破、接地、防雷

本工程施工永久用電采用10KV架空線路供電電源，臨時用電就近從原有供電系統取電。井底工作面照明選用2臺投光燈，置于下層盤。吊盤上用KB-100傘燈做輔助照明。吊盤至井口、井口至絞車房采用電話通訊。信號系統采用井底工作面（或吊盤）→井口→絞車房逐級傳遞。放炮電纜選用MY3×25+1×10型，專用穩車懸吊，懸吊天輪與井架絕緣，防止漏電。井架頂部應設置高度不小于6m的避雷針，根部采用-50×5mm鍍鋅扁鐵，并聯后引至地面主接地極。

3.施工方案

3.1 施工重難點及對策

豎井施工防止高空墜物、高空墜落是施工安全的重點及難點

豎井施工工作面狹窄，深度深，一旦發生高空墜物，高空墜落事故時極易造成傷害，因此高空墜物、高空墜落是豎井施工中的安全防護重點、難點。

3.2 施工方案

本豎井施工采用正井法施工，主要機械化配套方案為：

井架、三盤兩臺：采用ⅥG型井架，井架上布置天輪平臺及翻渣平臺；地面井口采用封口盤；井下大盤采用雙層大盤，上層為保護盤，下層為工作盤；

提升：選用兩套單鉤提升系統，主提采用JKZ-3.0/15.5型絞車，提升5m3吊桶，副提采用JKZ-3.0/15.5型絞車，提升3m3吊桶；

打眼放炮：采用風動傘鉆打眼，非電雷管配合乳化炸藥起爆爆破；放炮電纜采用專用穩車懸吊；

出渣：采用HZ-6B中心回轉式抓巖機配合吊桶；

通風：采用壓入式通風，地面布置軸流通風機配合阻燃膠質風筒向作業面供風，風筒靠井幫固定；

排水：在上層盤上布置集水箱，工作面到吊盤采用風泵排水，吊盤到地面采用臥泵作為排水系統。

信號、通訊：井上下采用電鈴作為上下信號，統一信號：一停二上三下四上人；采用電話作為井上下通訊工具。

混凝土：采用商品混凝土，由混凝土罐車運輸到井口，經溜灰管下放至工作面，同時在工業廣場內建造拌合系統備用。

3.3 施工方法

（1）鎖口段施工

在井架及提升系統形成后，采用挖掘機直接開挖，邊開挖邊進行混凝土襯砌，襯砌采用段高4.5m組合大鋼模板。

混凝土待強后，將模板上提，澆筑上端混凝土鎖口。施工中，為防止發生片幫，采取如下措施：

加快施工速度，縮短暴露時間。先挖掘井筒凈徑部位，再挖井幫四周土層，確保開挖安全、減少片幫。根據土幫情況，采取土釘加鋼筋網臨時支護（或增設噴射混凝土臨時支護）。

本工程表土層為雙層雙向鋼筋，內側保護層厚度50mm，外側保護層厚度50mm混凝土強度C40。環形鋼筋采用搭接連接，搭接長度35d（d為鋼筋直徑），豎向鋼筋采用套筒鏈接。鋼筋綁扎完成后進行混凝土襯砌，采用高4.5m組合大模板支模。

（2）基巖段施工

根據井筒技術特征及設備配備，確定采用ⅣG型鋼管井架、機械化配套裝備：傘鉆打眼、中心回轉式抓巖機裝巖兩套單鉤提升。進行短段掘砌單行作業的施工方案。采用SJZ6.7型風動傘鉆打眼，中心回轉式抓巖機裝渣，采用吊桶出渣。井架設雙側溜渣倉，地面排渣采用鏟車裝汽車將渣石運到指定的排渣場。

a.掘進施工

采用SJZ6.7型風動傘鉆打眼，配合使用B25×3500mm六角中空合金鋼釬，配Φ50mm十字型合金鉆頭。

采用光面、光底、弱震、弱沖深孔爆破技術，選用乳化炸藥，規格為Φ40mm×500mm×500g，非電毫秒延期雷管，腳線長度10m，全斷面一次起爆。施工時應根據巖性及時合理調整爆破參數，周邊孔采用光爆藥卷并用導爆索間隔裝藥，嚴格控制裝藥量以便達到最佳爆破效果。

選用交流電為起爆電源，在距井口50m以外安設起爆箱，箱內設雙級刀閘式開關，放炮電源平時不接通，僅在放炮時接在刀閘上，放炮后立即拆除上鎖。利用穩車下放一根放炮電纜，其規格MY3×16+1×10。

b.出渣

采用中心回轉抓巖機裝吊桶出渣，渣石上井后經溜渣槽落地后，再由鏟車裝自卸汽車排至指定卸渣場。

抓巖的順序為：抓出水窩，抓出兩個桶窩，抓井筒渣石，最后清底。

c.隨機支護

出渣完成后，根據井壁圍巖穩定情況，搭設隨機錨桿，規格為Φ25mm，L=3000mm，間距1500mm。

掘砌作業循環

井筒正常掘進施工實行一掘一支正規循環作業方式，將施工循環分為鉆眼爆破、出渣清底、混凝土砌筑三大工序，相應成立三個專業班組，實行“滾班”制作業。

（3）過地質構造帶施工

引水主洞在過地質構造帶時，由于巖層的穩定性差，容易發生片幫冒頂等事故，為保證施工安全，必須采取“短掘短支”，加強臨時支護，及時封閉圍巖，減少圍巖暴露時間。采取錨網噴時，縮小一次施工段高，必要時采用超前支護等措施，并且編制專項措施進行審批后方可實施，確保施工安全。

（4）防治水

本工程地質資料較為粗略，施工中需加強對地質情況的預測預報，施工中應做好排水設備和設施的管理工作，加強對涌水量的探測和治理工作。 施工期間落實“有疑必探，先探后掘，不探不進”的方針。探水距為60m，掘進距為48m，超前距為12m。井筒探水時，鉆孔布置在井筒的四個方向，共布置4個探水鉆孔，終孔位置距井壁不少于10m；引水主洞探水時，布置1個水平鉆孔。鑿孔設備采用液壓鉆機，鉆孔直徑為?75mm，在探水前，必須先安裝套管，套管長度不少于10m。如果含水層涌水量大于10m3/h或單孔涌水量達到3m3/h及其以上，采取工作面預注漿堵水措施。井筒在掘砌之后，隨吊盤升降對井壁有出水點的部位進行壁后注漿加固措施。在井壁沒有注漿之前，井壁淋水采取安裝截水槽等措施，以減少井壁漏水對施工的影響。