調壓井施工過程中溜渣井塌方處理

吳彤 王晨玉 荊理 劉繼鵬

某工程調壓井型式采用阻抗水室式，豎井深度為120.38 m，豎井直徑為12 m，井口高程為1 225 m。調壓井邊坡開挖支護結束后，井口至井深6 m采取正向法開挖，即自上而下正向分層開挖、支護，開挖的石渣通過井口運出。井深6 m以下的調壓井采用導井法施工，至上而下的施工，采用溜渣井從井底的施工支洞出渣。具體的施工程序為：正導孔施工→反井鉆導井施工→導井反擴形成徑1.4 m溜渣井→正向開挖。在調壓井開挖至高程1 211 m，出現了溜渣井塌方。

1 調壓井工程地質

調壓井地層為泥盆系汗吉尕組（D2h2）凝灰質粉砂巖，粉細粒結構，以薄層狀、中厚層夾薄層狀構造為主，局部厚層夾薄層狀。巖石強度較高，飽和抗壓強度大于80 MPa，屬堅硬巖。受構造影響，節理裂隙發育，巖體結構以碎塊結構為主，局部碎裂結構。受附近區域性構造影響，基巖巖層產狀多變，總體走向NW280°～300°傾向SW，傾角65°～75°，淺部巖體風化及卸荷裂隙發育，巖體完整程度為破碎。高程1 225～1 180 m圍巖為V類；高程1 180～1 104.62 m圍巖以Ⅳ類為主，Ⅴ類次之。

2 溜渣井塌方

2.1 塌方情況說明

2018年11月25日17點，豎井開挖至1 211 m高程，豎井底部（溜渣井出口）出渣時，發現井內不斷有石渣落下，而此時豎井工作面的溜渣井井口封閉，并未溜渣。豎井底部繼續出渣大約80 m3，溜渣井內仍有石塊掉下，堵塞井口（溜渣井底部出口）。為保證安全，立即停止出渣。3 h后溜渣井底部出口已被渣料堵塞，初步判定溜渣井出現了塌方。

2.2 塌腔的規模及分布

為了查明溜渣井塌方出現的具體位置及塌方規模，現場進行了溜渣井錄像探測。

11月27日，井內錄像顯示溜渣井出現塌方高程在1 191.6～1 168 m，塌方深度23.6 m，塌方約354 m3。在高程1 191.6 m塌方部位長度3 m、寬度2 m，在1 181 m高程塌方部位長度6 m、寬度4 m，如圖1所示。溜渣井堵塞位置高程1 140.5 m。溜渣井高程1 140.5 m以下，由于渣料堵塞，塌方情況不明。如圖1所示。

圖1 溜渣井塌方示意圖

11月29日，繼續對溜渣井進行觀察，發現27日觀測到高程1 191.6 m塌方空腔升至高程1 194.2 m。繼續向井底觀測至高程1 188 m時發現錨筋束，由此推斷該高程處空腔徑向寬度約為10 m。

12月1日，再次對溜渣井塌方情況進行觀察，29日觀測到高程1 194.2 m塌方空腔升至高程1 196.4 m，高程1 188 m發現錨筋束處無明顯繼續垮塌跡象。

2.3 塌方的主要原因

溜渣井井壁巖體破碎是溜渣井發生塌方的主要原因。溜渣井井壁圍巖為泥盆系的凝灰質粉砂巖，受區域構造因素影響，巖體內裂隙密集，大部分巖石被切割成塊度小于5 cm的小巖塊，巖體破碎。巖體的結構特征導致溜渣井井壁的穩定性較差，可能在溜渣井造井過程中，就已經出現了一定范圍的塌方，只是塌方的量較小，未能及時發覺。

溜渣撞擊井壁是溜渣井發生塌方的誘因。溜渣井成井后，即開始的正向開挖施工，施工過程中從溜渣井溜渣。溜渣下落過程中不斷地撞擊井壁，導致井壁破碎巖體出現松動破壞。初始井壁塌落量較小，隨著不斷溜渣，不斷的撞擊，塌方范圍逐漸增大，即出現了大范圍的塌方。

3 溜渣井塌方處理措施

3.1 處理方案的比選

通常對調壓井內溜渣井塌方處理方案主要有3種：方案1：封死出現塌方的溜渣井，在靠近山體側，重造溜渣井；方案2：封死塌方的溜渣井，采用正向開挖法從井口吊運出渣；方案3：套管護壁修復溜渣井。

方案1為重造溜渣井。調壓井內的圍巖破碎，導致現在的溜渣孔井壁不穩定，也不能保證重新布置施工的新溜渣井不會發生新的塌方。另外為了保障目前塌方不繼續發展，需保持溜渣井下部引水發電洞內渣體不動，將影響其他位置工程施工。

方案2為采用正向開挖法施工。該方案處理時間較短，但是在調壓井及上室的施工過程中將產生大量的渣體，都將從井口出渣，存在的主要問題是渣體運輸時間長，降低施工效率。地面操作不方便，運輸渣體過程中可能發生安全事故。

方案3為套管護壁修復溜渣井，現在溜渣井的直徑約1.4 m，在溜渣井內依次下入一定長度的直徑1.2 m鋼管，一直下到豎井底部，下完套管后再回填塌方及套管與溜渣井壁之間的縫隙。

考慮至處理用時、施工效果、處理費用等因素，綜合判定采用方案3更為適宜。

3.2 主要設備和材料的選擇

3.2.1 套管管材的選擇

根據溜渣井的深度，溜渣時對管材的沖擊力，套管安裝的設施的選擇等，選定的套管為DN1 200 mm鋼管材質為Q235，管壁厚度為10 mm，單根鋼管長度12 m。目前尚未施工的調壓井井深為108 m，需下套管9根。

3.2.2 鋼管運輸和卸車方式

采用15 m平板拖車進行鋼管的運輸；采用25 t汽車吊進行單根12 m鋼管卸車。

3.2.3 鋼管整體吊裝安裝汽車吊選擇

溜渣孔內鋼管安裝最大參數為：最大起吊重量為31.7 t；最大起升高度為20 m；最大站車幅度為12 m；最大伸桿長度為23 m。

根據起重量、作業半徑等參數，選擇采用130 t汽車吊配合Φ32 mm鋼絲繩進行溜渣洞內鋼管安裝作業。

3.2.4 吊裝鋼絲繩的選擇

吊裝方式采用2根單根6 m長的鋼絲繩繞成4根3 m鋼絲繩進行吊裝作業。鋼絲繩直徑選型主要考慮的因素有：（1）吊裝總重量為31.7 t；（2）每根鋼絲繩每根承擔質量為：31.7/4=7.925 t；（3）采用計算公式為：T=D2×52（T為質量，單位kg，D為鋼絲繩直徑，單位mm，52為倍數）；（4）安全系數取6倍；（5）計算公式：7925×6=D2×52，D=30.23mm。

依據計算結果鋼絲繩選用直徑為32 mm，6×7+1WS，進行吊裝。

3.3 套管護壁修復溜渣井

3.3.1 鋼管焊接施工平臺搭建

3.3.1.1 支撐平臺搭設

鋼管往溜渣井內下放過程中，需對管節進行焊接，并對已下放的管節進行臨時支撐。在調壓井已開挖工作面上鋪設型鋼平臺，作為臨時管節支撐平臺使用，如圖2所示。

圖2 調壓井內平臺搭設示意圖

3.3.1.2 平臺鋪設說明

（1）平臺主支撐材料選用200 mm H型鋼，型鋼鋪設時保證水平度的偏差不大于10 mm。

（2）單根H型鋼長度為12 m，兩兩拼裝組成箱型梁，增加抗折彎強度。

（3）H型鋼底部采用支撐材料墊實，增加其抗折彎強度。

（4）H型鋼布置位置按圖示進行，與開挖好的溜渣井邊緣預留300 mm空間，以便DN1200 mm鋼管能夠擔在H型鋼梁上。

（5）周圍布置鋼板作為操作平臺。

3.3.2 現場鋼管安裝方案

3.3.2.1 鋼管安裝方式

使用130 t汽車吊順著溜渣洞將12 m/根鋼管下放，垂直下放至調壓井支撐平臺時，利用支撐平臺鎖住鋼管口，再進行下一根12 m/根的鋼管下放作業，與先前放置在支撐平臺上的鋼管進行對接、焊接作業，將其連接成24 m長度鋼管，利用汽車吊吊起鋼管，取掉鎖定梁，繼續垂直下放，照此循環施工，直至108 m鋼管安裝完畢。

3.3.2.2 鋼管安裝吊點設置方式

DN1200mm鋼管材質為Q235，管壁厚度為10mm，每米質量為293.46 kg，總吊裝質量為31.7 t，若采用焊接吊耳形式，因管節質量過大，必然會導致吊點變形和撕裂，存在較大的安全風險。因而采用在鋼管上預制起吊孔穿鎖定梁的方式進行管節的吊裝。

鋼管上吊孔制作說明：

（1）預制尺寸為240 mm（寬）×220 mm（高），并對其最后放置的第7、8、9節吊孔貼板加固，防止最后組成大節時吊裝過程吊孔變形。

（2）鎖定梁采用2根2.4 m 200工字鋼合并成200 mm×200 mm箱型梁，完全滿足抗折彎力矩要求。

3.3.3 溜渣井鋼管安裝的施工步驟

溜渣孔內鋼管安裝主要施工步驟如下：

（1）130 t吊車站車位置場地整理（長度為15 m，寬度為10 m）。

（2）進行12 m第1節鋼管吊裝至溜渣井內，使用吊裝梁鎖定在溜渣井口。

（3）進行12 m第2節鋼管吊裝與第1大節在溜渣井口進行組對焊接。

（4）使用130 t汽車吊進行24 m管節下放至溜渣井口并使用鎖定梁鎖定。

（5）進行12 m第3節鋼管與第2節在溜渣井口進行組對焊接。

（6）使用130 t汽車吊進行36 m管節下放至溜渣井口并使用鎖定梁鎖定。

（7）進行12 m第4節鋼管與第3節在溜渣井口進行組對焊接。

（8）使用130 t汽車吊進行48 m管節下放至溜渣井口并使用鎖定梁鎖定。

（9）進行12 m第5節鋼管與第4節在溜渣井口進行組對焊接。

按照上述鋼管安裝順序依次進行，直至所有管節安裝就位，到第7、8、9節管節下放安裝時，需注意對接焊縫焊接必須牢固可靠，并加拉板進行連接，拉板不少于4組，長度不短于600 mm。

第9節鋼管安裝完成后，安裝總長度為108 m，完成鋼管護壁。

3.3.4 底部加固及回填

3.3.4.1 底部加固

當鋼管放置到調壓井底部與開挖底板面坐實后，進行鋼管的加固，加固方式采用H200型鋼組成200 mm×200 mm箱型梁作為支撐材料進行鋼管加固，加固完畢后對溜渣孔與鋼管外壁進行接觸灌漿處理，并對底部拱頂周圍巖層進行固結灌漿處理。

3.3.4.2 回填措施

鋼管安裝完畢后，在高程1 191 m處鋼筒切割一個1.2 m×1 m的方孔，進行鋼管與井壁之間空腔回填，回填渣料采用調壓室上室開挖料。回填完畢，在鋼筒開口處進行灌漿處理。灌漿完成后，溜渣井底部采用裝載機配合自卸車出渣。待溜渣井內石渣全部處理完成，即可正常施工，詳情如圖3所示。

圖3 鋼管底部加固及拱頂灌漿方式

說明：（1）鋼管下放至調壓井底部開挖面渣土堆上可靠接觸后進行加固處理。（2）鋼管與溜渣井之間的間隙采用接觸灌漿方式進行，可從上至下進行，保證接觸灌漿密實。（3）調壓井底部拱頂周圍需進行固結灌漿，防止開挖過程中發生坍塌。（4）采用H型鋼制作成結構架進行鋼管的加固，預留出出渣空間。（5）上述工作完成及灌漿混凝土終凝后才可進行調壓井開挖施工作業。

4 處理效果

隨著護壁鋼管的安裝到位，井底鋼管加固完成、井壁與管壁間回填處理結束，即已基本完成了對調壓井溜渣井塌方的處理。

通過套管護壁對溜渣井修復，即防止了溜渣井附近的塌方的持續擴散惡化，也保證了調壓井導井法施工的繼續進行。