深豎井滑塌體開挖施工工法

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

1 前 言

豎井是工程施工中常遇到的類型。施工受地質情況制約較大，工程風險及施工風險較平洞開挖均高出許多。

溧陽抽水蓄能電站2號引水豎井井深172m，Ⅴ類圍巖設計半徑5.6m。所在區域地下水豐富，安山巖脈及斷層在不同位置切割豎井圍巖，豎井下部約50m范圍為蝕變安山巖脈，受上部巖屑石英砂巖透水的影響，巖脈吸水軟化，反井鉆機反拉施工完成后出現導井塌方，塌方區域隨后不斷向上及周邊擴展，超出開挖邊線的塌方高度為100m，已不具備反井法施工條件，最終豎井開挖方式變更為在滑塌體內以正井法開挖。

豎井滑塌體開挖施工要解決的首要問題是開挖中采取何種方式有效維持井壁堆渣穩定，不出現二次滑塌，避免井壁出現空腔；其次需要解決的是開挖后采用何種方式維持井壁穩定。經過多方咨詢，通過現場生產試驗，最終決定多種加固措施聯合運用，保證豎井塌滑體井壁穩定。

豎井滑塌體開挖利用該工法施工，過程中未發生井壁大范圍滑塌，整體開挖效果良好，滿足規范及設計要求。

2 工法特點

a.采用本工法最高月施工強度達到20m，平均月開挖強度15m，有效保證了工期。

b.檢測數據顯示，豎井未出現超出設計要求的變形，與其他方法比較，施工全過程安全、可靠，取得了良好的施工效果。

3 適用范圍

本工法適用于類似地質條件的豎井施工，對于其他復雜地質條件下豎井施工，具有較強的參考和指導意義。

4 工藝原理

本工法關鍵技術為滑塌體內超前小導管配合水泥固結灌漿，保證豎井開挖成型，成型后采用圈梁混凝土、錨筋樁、鋼拱架網架等加強支護形式穩定豎井，其工藝原理為：利用超前小導管灌注水泥凈漿膠結周邊巖石，使之與小導管共同形成薄壁殼體，滑塌體灌注水泥凈漿，利用水泥凈漿向下滲透，膠結下部滑塌體，形成第二道擋渣殼體，兩者結合，有效地攔擋滑塌體二次滑落，保證豎井在滑塌體內開挖成型；采用加密環向拱架，增加縱向連接槽鋼，兩者連接成整體，形成類似于鋼拱架網架的形式，提高支護的抗變形能力。同時增加環向鋼筋混凝土圈梁及錨筋樁，再次加強支護體的抗變形能力。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝流程

豎井滑塌體采用多種加固措施聯合運用，其工藝流程如圖1所示。

5.2 操作要點

以下結合溧陽抽水蓄能電站2號引水豎井滑塌體開挖敘述施工方法。

圖1 豎井塌滑體施工工藝流程

5.2.1 開挖施工

5.2.1.1 系統布置

引水豎井開挖方式變更后，為滿足開挖要求，在豎井井口布置了一套提升系統，滿足人員上下、施工平臺的需要。出渣采用布置在井口用于壓力鋼管安裝的100t龍門吊。

5.2.1.2 開挖、出渣

井內采用0.3m3的85小反鏟開挖，利用兩個6m3出渣桶出渣。出渣桶裝滿后，由龍門吊提升至上部出渣平臺的集料槽內卸料，集料槽底部自卸車裝渣運至渣場。

5.2.2 水泥灌漿

滑塌體內利用一定水灰比的水泥凈漿固結灌注范圍內松散堆積體，使之形成一道膠結成整體的擋渣帷幕，可以有效阻攔井壁堆積體隨開挖滑落，避免出現二次滑塌及井壁空腔。

豎井滑塌體由井壁剝落的巖體組成，巖體塊徑不一，極易因大塊徑巖塊阻礙超前小導管頂入，出現小導管長度不夠、注漿效果不理想等現象，造成部分井壁在開挖過程中塌滑，為防止此類情況發生，根據井壁堆渣體松散情況，進行滑塌體水泥灌漿。

2號引水豎井開挖施工中共進行了4次水泥灌漿，經過灌漿效果比較，淺層灌漿比深層灌漿更能夠有效將井壁松散體固結，形成擋渣帷幕，達到灌漿目的。

為防止過量水泥漿進入豎井開挖區域，固結井內松散體，增加施工難度，最終灌漿參數為間距1.5～2.0m，灌漿花管1.5m長，灌注0.6∶1純水泥漿，單孔灌漿3～5t，堆渣體內灌漿不起壓。

水泥灌漿與超前小導管相互補充有效地解決了井壁堆渣體穩定的難題。

5.2.3 超前小導管

滑塌體自身穩定性差，為防止開挖過程中出現大范圍二次滑塌，井壁出現空腔，影響施工及工程安全，在每開挖循環滑塌區域范圍增加φ42、間距0.3m、長度4.5m的豎向超前小導管，孔向外傾10°～15°，并通過向小導管內灌注純水泥漿固結周邊松散體，使之與小導管形成殼體，共同攔擋滑塌體內石渣，維持井壁穩定。

經過灌漿效果對比，水灰比0.6∶1的純水泥漿在堆渣體內固結效果優于其他水灰比。水灰比大于0.6∶1的水泥漿擴散性強，但易使水泥漿滲入井內，造成工作面內的石渣固結，增加施工難度，同時水泥用量增大，灌注時間過長，嚴重影響工程進度；水灰比小于0.6∶1的水泥漿擴散性弱，易出現擴散半徑小、固結效果差、堆渣體松散和不同程度的二次塌滑。

5.2.4 支護

為加強豎井拱架的承載能力及抗變形能力，拱架間距加密至50cm，并在原有環向拱架的基礎上增加縱向連接[14槽鋼，間距1.5m，將環向拱架利用縱向槽鋼連接成整體，縱向槽鋼按照一個開挖循環一安裝的原則，縱向槽鋼與環向拱架交接處兩側焊縫滿焊處理，上下兩個循環的槽鋼交錯布置，接頭處滿焊。塌方區范圍內無法施工普通砂漿錨桿，更改為自進式錨桿，未塌方區域仍施工砂漿錨桿。

5.2.5 混凝土圈梁與錨筋樁

為防止塌滑區域開挖使未塌方區域受力情況變化，而出現井壁變形、失穩，在滑塌范圍上部澆筑鋼筋混凝土圈梁，并施工錨筋樁，形成“鎖口”結構，維持未塌方區豎井穩定。

塌滑體內每隔15m澆筑一次30cm鋼筋混凝土圈梁，圈梁高度不小于2m。鋼筋與模板通過井口布置的龍門吊吊運入井，安裝模板時，預留6個進料口，同時在工作面中間挖容量為4～5m3的存料坑，放置吊運入井的混凝土料，采用0.3m3小反鏟配合澆筑混凝土。

安裝模板時，按照設計要求在圈梁上預埋φ100@300cm×300cm鋼管，以便在混凝土圈梁拆模后進行錨筋樁鉆孔施工。

混凝土圈梁拆模后，吊運潛孔鉆入井施工錨筋樁，完成一孔后人工配合安插9.0m錨筋樁。

6 材料與設備

本工法采用的主要設備見表1。

表1 滑塌體施工設備

7 質量控制

7.1 工程質量控制標準

本工法以《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》《水電水利工程斜井豎井施工規范》為依據進行施工與質量控制。

7.2 質量保證措施

a.每1～2個循環由測量人員進行一次軸線偏差與井壁超欠挖復核，同時復核豎井頂拱的激光指向儀。

b.錨桿孔位、孔深、數量嚴格按照規范要求及設計圖紙要去施工，偏差數不得大于要求。

c.超前小導管需保證頂入長度，嚴禁隨意切割；灌注的水泥漿必須按照攪拌時間、水灰比的要求攪拌到位，單管注漿量滿足設計量要求，保證水泥漿擴散半徑達到15～20cm。

d.混凝土圈梁澆筑過程中嚴禁擅自加水。

e.水泥灌漿嚴格控制水灰比，灌注過程中依照規范要求，使用比重計定量檢查水灰比，并做好記錄備查。

f.增加的縱向連接槽鋼，必須保證與環向拱架滿焊，嚴禁出現點焊；上下連接槽鋼上下交錯，交接處滿焊。

g.噴錨過程嚴格按照規范要求作業，保證噴錨厚度。

8 安全措施

a.本工法以《水利水電工程施工安全防護設施技術規范》《水利水電工程施工通用安全技術規程》為依據進行安全控制。

b.本工法為井下作業，安全問題突出。作業前與作業中的安全技術交底必須按要求執行。

c.提升系統必須每日檢查，并詳細填寫檢查記錄，對發現的問題及時處理。

d.井壁堆渣體出現塌方，及時采用超前小導管將滑塌處封閉，如需要可進行水泥灌漿。

e.作業人員入井作業前，必須由管理人員認真檢查各類防護用品的佩戴情況，嚴禁不佩戴、佩戴不合格人員下井作業。

f.由于作業面狹小，空氣不流通，施工過程中井內空氣污染嚴重，除加強通風外，作業人員必須戴特定口罩，并在作業面工作盤內放置氧氣袋。

9 環保與資源節約

a.成立施工環境衛生整治機構，在工程施工過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章，加強對施工燃油、工程材料、設備、廢水、生產生活垃圾、棄渣的控制和治理，遵守有關防火及廢棄物處理的規章制度。

b.施工場地合理布置各種醒目標識，做到標牌清楚、齊全，場地整潔文明。

c.將施工廢水、廢漿集中排至系統排污溝內，引排至洞口三級污水沉積池內，集中處理，廢水按環境衛生指標進行處理達標后，在當地環保部門要求的指定地點排放，做到無污染排放。

d.定期清理排污溝、污水沉積池，做好棄渣及其他工程材料運輸過程中的防散落與沿途污染措施。棄渣及其他工程廢棄物按工程建設指定的地點和方案進行合理堆放和處治。

e.對施工場地道路進行硬化，并在晴天經常對施工通行道路灑水，防止塵土飛揚，污染周圍環境。

10 效益分析

10.1 經濟效益

在關鍵線路上的豎井開挖施工中實施本工法后，工期大大提前，為首臺機組按期發電打下了基礎，創造了良好的經濟與社會效益。另外，本工法的實施，可為今后類似豎井或其他復雜地質條件下豎井施工技術的設計、監理和實施提供參考和指導。節能環保方面，由于開挖施工實際完成時間較原計劃提前，從而減少了機械設備對油料等資源的消耗，對于施工所用的“風、水、電”等資源的消耗亦大大減少。

10.2 社會效益

該項工法是在復雜地質條件下豎井開挖施工的經驗總結，已經通過實踐驗證，月平均施工強度15m，最高月強度達到20m，在施工方面具有進度快、環保性好等特點。為今后同類地質條件下的豎井施工提供了寶貴經驗，也為類似地質條件下的豎井施工開拓了新思路。

11 工程實例

江蘇溧陽抽水蓄能電站主要由上水庫、輸水系統、發電廠房及下水庫等4部分組成。電站安裝6臺單機容量250MW的可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量1500MW。輸水系統引水主洞共2條，斷面為圓形，包括上平段、上彎段、豎井段、下彎段和下平段。

11.1 應用實例1

1號引水豎井實際開挖深度為174.5m(上部高程為124.9m、下部導洞頂拱高程為-49.6m)，設計開挖直徑10.8m。豎井內設置內徑9.2m的引水壓力鋼管，鋼管與巖壁之間采用C20混凝土回填。受F54斷層及影響帶、節理裂隙發育的泥化夾層、45號安山斑巖巖脈影響，引水豎井工程地質條件極其復雜。

本工法于2013年9月在1號豎井工程得到應用驗證，效果良好，順利完成了高程74.5～62.5m塌方段開挖支護施工。經監測，目前1號引水豎井工程運行正常。

11.2 應用實例2

江蘇溧陽抽水蓄能電站2號引水豎井深172m，豎井頂部高程127m，底部高程-45m，設計開挖直徑10.8m。豎井內設置內徑9.2m的引水壓力鋼管，鋼管與巖壁之間采用C20混凝土回填。受F54斷層及影響帶、節理裂隙發育的泥化夾層、45號安山斑巖巖脈影響，2號引水豎井工程地質條件極其復雜。

施工中，在半徑5.6m已滑塌豎井內采用正井法開挖施工，井壁無法自穩，采用豎向超前小導管灌漿與滑塌體水泥灌漿固結相結合的加固方式，與井壁松散巖塊在開挖邊線外形成薄壁殼體結構，保證滑塌體不隨開挖出現二次滑塌。在開挖出渣完成后，測量人員入井檢查，在對欠挖部位處理完成后，支護人員安裝鋼筋網、鋼拱架，施工下循環超前小導管及系統錨桿，進行混凝土噴護。如開挖過程中井壁巖塊出現大范圍松散情況，在本循環噴錨完成后，立即利用預埋的注漿管進行水泥灌漿。每進尺15m，進行一次鋼筋混凝土圈梁澆筑，等強后，吊運CM351履帶潛孔鉆入井，通過預留的管孔施工錨筋樁。通過混凝土圈梁、錨筋樁并結合原有的支護體系，共同加強豎井支護體的穩定性。

應用本工法，順利完成了2號引水豎井開挖支護施工，較計劃工期提前3天，效益顯著。經檢測，目前2號引水豎井工程運行正常。