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天花板水電站復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑大深度調(diào)壓井開挖施工技術(shù)
廣西桂能工程咨詢集團(tuán)有限公司 岑巨鵬
【摘要】 本文主要介紹了天花板水電站大直徑調(diào)壓井工程的工程特點(diǎn)、施工技術(shù)和施工情況。
【關(guān)鍵詞】天花板水電站、調(diào)壓井、施工。
1．工程概況
1.1 概述
天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的牛欄江天花板峽谷處，為混合式開發(fā)水電站，大壩高度為113 m，總裝機(jī)容量為180MW。引水系統(tǒng)沿牛欄江右岸布置，由岸塔式進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等組成。調(diào)壓井高77.35m，井徑Φ23m，開挖直徑27m。明挖高度約65米高。此部位設(shè)計(jì)院勘探結(jié)果，巖石以IV類為主,部分為Ⅴ類，巖性為弱風(fēng)化。
1.2 工程地質(zhì)狀況
調(diào)壓井部位為澄江組中厚層至厚層狀巖屑石英砂巖夾中薄層粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁(yè)巖。巖體受結(jié)構(gòu)面切割，巖體相對(duì)破碎，穩(wěn)定性較差。
井口以上邊坡，覆蓋層較厚，邊坡自穩(wěn)性較差，加之為確保井身位置，邊坡設(shè)計(jì)較陡（1:0.75～1:0.3），設(shè)計(jì)中采取強(qiáng)支護(hù)方案加固邊坡。
在豎井中陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體具有不穩(wěn)定條件，地下水埋藏較深，井壁自穩(wěn)性差。
1.3 主要設(shè)計(jì)情況
1.3.1 后邊坡明挖部分主要設(shè)計(jì)情況
后邊坡設(shè)計(jì)開口線在EL1164.84m，井口高程EL1100m，最大開挖高度64．84m；邊坡設(shè)置三級(jí)馬道，將坡面分為4級(jí)，馬道高程分別在EL1150m、EL1135m、EL1120m，寬度2.0m，其中開口線～EL1150～EL1135兩級(jí)邊坡設(shè)計(jì)坡比為1:0.75，EL1135～EL1120設(shè)計(jì)坡比為1:0.5, EL1120～EL1110設(shè)計(jì)坡比為1:0.3。
邊坡設(shè)計(jì)系統(tǒng)支護(hù)為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.1m長(zhǎng)Φ22系統(tǒng)錨桿＋網(wǎng)格梁＋φ50系統(tǒng)排水孔，另外第二、三級(jí)邊坡設(shè)計(jì)隨機(jī)錨索56根（100噸級(jí)，30米長(zhǎng)）。開口線以外、各級(jí)馬道和井口外緣設(shè)置截、排水溝。
1.3.2 井身部分主要設(shè)計(jì)情況
（1）井口鎖口
井臺(tái)高程EL1100m，井口10米高度設(shè)置鎖口鋼筋砼井圈，開挖直徑為27米，一期支護(hù)形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋6.5m長(zhǎng)Φ25系統(tǒng)錨桿（55根/層）＋φ50系統(tǒng)排水孔＋35cm厚井圈砼。鎖口形成后直徑為26米，隨后進(jìn)行以下井挖施工。
（2）井身
井身開挖直徑為26.3～26.9m，垂直高度77.35m，一期支護(hù)形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.5～6.5m長(zhǎng)Φ25系統(tǒng)錨桿＋φ50隨機(jī)排水孔。
主要工程量為：井身石方開挖43113 m3，噴砼1000m3，砂漿錨桿2731根，鋼筋制安17.3t。
井身鋼筋砼襯砌厚度為1.8～1.5m，襯砌高度為72.32米，襯砌后直徑為23米。砼工程量為8430m3。
井筒全高設(shè)計(jì)系統(tǒng)固接灌漿，入巖深度6米，共計(jì)4325米。
2．總體施工思路和施工規(guī)劃
2.1 施工思路
由于該調(diào)壓井開挖直徑大（在國(guó)內(nèi)調(diào)壓井中屬于前三名），深度大，地質(zhì)情況比較復(fù)雜，地形陡峭，出碴通道困難，設(shè)備及物資運(yùn)輸極為不便。為確保調(diào)壓井開挖施工順利、安全，經(jīng)過參建的監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)及業(yè)主的工程技術(shù)人員的多次研究討論，形成了如下的施工思路：
2.1.1首先考慮用反井鉆機(jī)快速開挖形成直徑1.4 m的導(dǎo)井，對(duì)導(dǎo)井不再進(jìn)行擴(kuò)挖，直接用做溜渣井，這樣可以節(jié)省溜碴井?dāng)U挖的時(shí)間以及避免擴(kuò)挖帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，但這樣很有可能導(dǎo)致導(dǎo)井多次堵塞。為解決這個(gè)問題，決定在調(diào)壓井井口EL1100平臺(tái)上布置一臺(tái)塔式起重機(jī)，在導(dǎo)井堵塞無法疏通的情況下，采取正井開挖的方法，用塔機(jī)起吊從EL1100平臺(tái)出碴，同時(shí)塔機(jī)也可以吊運(yùn)各種設(shè)備和物資，并在以后的鋼筋混凝土襯砌中起到關(guān)鍵作用。
2.1.2為確保開挖初期安全穩(wěn)定，在導(dǎo)井施工前，在溜渣井及調(diào)壓井井口一定高度進(jìn)行超前固結(jié)灌漿措施，對(duì)溜渣井固結(jié)10m，調(diào)壓井井口周圍固結(jié)35m，并在調(diào)壓井外邊緣按圓形分布布設(shè)錨筋樁，深入巖層30 m。
2.1.3施工先后順序?yàn)椋浩脚_(tái)防護(hù)擋墻施工→邊坡明挖開挖支護(hù)→井口周邊灌漿施工→導(dǎo)孔施工→導(dǎo)井施工→阻抗孔以下砼施工→井身擴(kuò)挖及一次支護(hù)施工。
2.2 施工規(guī)劃
（1）按照由上而下，先明挖、后井挖的順序安排施工。
（2）明挖出渣主要采取卡特320反鏟由上而下甩渣至調(diào)壓井平臺(tái)上，分三次倒運(yùn)至渣場(chǎng)的方案。各類材料由上調(diào)壓井道路運(yùn)輸和人工倒運(yùn)的方式運(yùn)抵工作面。
（3）在導(dǎo)井施工前，對(duì)溜渣井進(jìn)行固結(jié)灌漿10m，調(diào)壓井井口固結(jié)灌漿35m。
（4）用反井鉆機(jī)先自上而下形成直徑245mm的先導(dǎo)孔，后自下而上形成直徑1.4m的導(dǎo)井。
（5）井身擴(kuò)挖施工，采用半副開挖，半副支護(hù)的方式，初期支護(hù)形式采用格珊拱架或型鋼拱架加網(wǎng)噴等支護(hù)措施進(jìn)行井挖施工，個(gè)別巖石較差部位采用倒掛砼施工。
2.3 施工過程簡(jiǎn)述
2.3.1 第一階段：平臺(tái)防護(hù)施工（不詳述）
2.3.2 第二階段，邊坡明挖施工階段（不詳述）
2.3.3 第三階段，井口固結(jié)階段
主要內(nèi)容為井口超前固結(jié)灌漿施工，灌漿深度為35m。同時(shí)，把灌漿孔做為錨筋樁孔，插入3*32的錨筋樁，入巖30米，這樣，調(diào)壓井周邊的巖石將得到有力加固，大大減少了調(diào)壓井井壁塌方的風(fēng)險(xiǎn)。
2.3.4 第四階段，反井鉆機(jī)及溜渣井施工階段
主要內(nèi)容：反井鉆機(jī)鉆進(jìn)施工、形成反導(dǎo)井，本階段末期具備井身擴(kuò)挖施工條件。使用LM-200反井鉆機(jī)從上而下進(jìn)行先導(dǎo)孔施工，再自下而上進(jìn)行擴(kuò)孔形成直徑1.4m的導(dǎo)井。該階段施工十分順利，導(dǎo)井很快形成。
2.3.5 第五階段，井身開挖施工階段
主要內(nèi)容為：鎖口段開挖及鎖口砼施工、井身擴(kuò)挖及井身一次支護(hù)施工、井口垂直運(yùn)輸設(shè)備安裝、井身初期支護(hù)采用格珊拱架和工字鋼拱架加網(wǎng)噴等支護(hù)措施進(jìn)行井挖施工。
井身開挖直徑為26.3～26.9m，垂直高度77.35米，設(shè)計(jì)一期支護(hù)形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.5～6.5m長(zhǎng)Φ25系統(tǒng)錨桿＋φ50隨機(jī)排水孔。考慮到26米的開挖直徑，近80米的開挖深度，在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于是一個(gè)直立垂直高邊坡，加之本工程調(diào)壓井自身地質(zhì)條件較差，井身四周埋深厚度相差極大（靠河側(cè)最薄2m），無法實(shí)現(xiàn)井身自身成拱抵消部分側(cè)壓力。根據(jù)國(guó)內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)，在此地質(zhì)條件下，原設(shè)計(jì)支護(hù)方式、強(qiáng)度、剛度均略顯偏弱。經(jīng)參建各方討論，初步支護(hù)采用工字型鋼拱架加網(wǎng)噴等支護(hù)措施進(jìn)行井挖施工。
2.3.5.1 井口鎖口段開挖和鎖口砼施工
井身擴(kuò)挖前先對(duì)開口線以外巖體進(jìn)行超前固結(jié)，再進(jìn)行井口10米高度鎖口施工范圍的開挖，進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)，隨后進(jìn)行鎖口砼施工。
2.3.5.2 井身擴(kuò)挖及一次支護(hù)
擴(kuò)挖施工，每個(gè)斷面分兩次擴(kuò)挖。一次擴(kuò)挖斷面的一半,再進(jìn)行另一半的擴(kuò)挖。在井內(nèi)留下一臺(tái)液壓反鏟及液壓鉆機(jī)，一臺(tái)巖石破碎錘，每次擴(kuò)挖一半時(shí)，反鏟及鉆機(jī)開到別一半工作面，扒渣與鉆孔可同時(shí)進(jìn)行。擴(kuò)挖時(shí)鉆孔使用液壓鉆和YT-28手風(fēng)鉆造孔，采用光面（或預(yù)裂）爆破。每次爆破1.5～2m深，爆破完后，進(jìn)行通風(fēng)及啞炮處理。再使用反鏟配合人工扒渣至溜渣井內(nèi),從溜渣井內(nèi)滑渣至引水洞內(nèi),然后用裝載機(jī)裝車，運(yùn)至指定渣場(chǎng)。擴(kuò)挖時(shí)嚴(yán)格控制裝藥量和周邊孔間距，以免石渣粒徑太大,造成堵井。在每次擴(kuò)挖、扒渣、初期噴砼及下循環(huán)鉆爆結(jié)束后，進(jìn)行初期支護(hù)施工，采用工字鋼拱架，拱架間距約50～80cm。每榀拱架之間采用Φ25鋼筋連接，間距1m左右，再進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼施工，噴砼厚度與拱架平齊。每層分兩個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行，使開挖、初支護(hù)錯(cuò)開施工。
擴(kuò)挖時(shí)嚴(yán)格控制裝藥量和周邊孔間距，以免石渣粒徑太大,造成堵井。注意對(duì)溜渣井進(jìn)行臨時(shí)封閉保護(hù)，避免操作人員誤墜井中，裝藥結(jié)束、點(diǎn)炮前撤去臨時(shí)封閉設(shè)施。
擴(kuò)挖施工，單循環(huán)進(jìn)尺1.5～2.0m，約需42個(gè)循環(huán)，如使用鋼格珊加網(wǎng)噴施工，計(jì)劃2~2.5日施工1個(gè)循環(huán)，預(yù)計(jì)工期96天，平均月下挖進(jìn)尺25～26米/月。
2.3.5.3 2009年11月下旬，開始進(jìn)行調(diào)壓井上井口平臺(tái)塔機(jī)安裝，于12月中投產(chǎn)，擴(kuò)挖及砼襯砌過程中材料運(yùn)輸可通過垂直運(yùn)輸設(shè)備吊運(yùn)。
石方井挖工藝流程圖
2.3.5.4井身支護(hù)施工
為了保證開挖安全，本工程的重點(diǎn)為井身支護(hù)工程，待開挖結(jié)束后，立即進(jìn)行錨噴支護(hù)，支護(hù)完成后方可進(jìn)入下循環(huán)開挖鉆爆施工。
擴(kuò)挖支護(hù)，結(jié)合本工程巖石特點(diǎn)，III類圍巖采用系統(tǒng)錨桿及錨噴支護(hù)施工。在Ⅳ類圍巖開挖支護(hù)時(shí)采用工字鋼剛架，剛架間距為0.75m左右。格柵之間采用Φ25焊接成一個(gè)整體，連接筋間距擬定于1m左右。其它地方根據(jù)巖石情況，適當(dāng)調(diào)整鋼架形式或間距。在巖石特別破碎的地段采用自進(jìn)式錨桿支護(hù)，其他部位采用砂漿錨桿支護(hù)。支護(hù)施工程序?yàn)椋呵謇砀∈褰畎惭b→掛網(wǎng)→清理巖面→噴射砼、養(yǎng)護(hù)→打孔、安裝錨桿或：清理浮石→打孔、安裝錨桿→掛網(wǎng)→安裝格構(gòu)架→清理巖面→噴射砼、養(yǎng)護(hù)。
2.3.5.5實(shí)際開挖過程
在調(diào)壓井開挖的實(shí)施階段，開挖到10m的深度時(shí)，導(dǎo)井即因?yàn)樽陨韲鷰r塌方而堵塞，經(jīng)疏通后不久，又發(fā)生了更大的塌方以至堵塞厚度達(dá)20m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)參建各方工程人員研究后決定采用正挖方案：即采用塔式起重機(jī)將石碴從井口吊出，用汽車將棄碴從調(diào)壓井上口運(yùn)輸至碴場(chǎng)。施工過程中施工單位嚴(yán)格按照短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)的方針，穩(wěn)扎穩(wěn)打，以每天1m的速度將堵井的20m開挖完成，然后疏通導(dǎo)井，重新采用導(dǎo)井溜碴的方法進(jìn)行剩下的40m井身開挖，并順利完成整個(gè)調(diào)壓井的開挖施工。
3總結(jié)
3.1難點(diǎn)和重點(diǎn)
該項(xiàng)目的難點(diǎn)和重點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面:
3.1.1井口的灌漿處理，調(diào)壓井?dāng)嗝娲螅叨雀撸耐饩墡r體很單薄，整個(gè)調(diào)壓井部位巖石比較破碎，因此上部35m的超前固結(jié)灌漿以及井外緣的錨筋樁非常重要，井身開挖前必須做好以上工作。
3.1.2由于直接利用導(dǎo)井做為溜渣井，井徑只有1.4m且井壁未進(jìn)行支護(hù)，從前期用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行圍巖類別的試探情況來看，在35m范圍內(nèi)巖石情況較差，經(jīng)常塌孔。因此溜渣井很有可能在開挖過程中塌孔堵塞，且很難疏通。
3.1.3若采用把導(dǎo)井?dāng)U挖成直徑3.5m做為溜碴井的施工方法，同樣存在著塌方堵井等許多不確定性，而且工期必定會(huì)延長(zhǎng)許多，投資亦會(huì)增加。
3.1.4開挖過程中井身的圍巖穩(wěn)定直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的成敗和施工人員的安全，井挖垂直邊坡近80米，地質(zhì)狀況復(fù)雜，巖石破碎，因此井身支護(hù)是保證邊坡和井身穩(wěn)定的關(guān)鍵工序，而支護(hù)造孔成孔率是決定整個(gè)支護(hù)工序的進(jìn)度與成敗的關(guān)鍵。因此調(diào)壓井開挖施工大量采取自進(jìn)式錨桿以解決此類地質(zhì)狀況成孔率低、工效低、進(jìn)度緩慢的弊病，對(duì)裸露的巖石開挖面盡快進(jìn)行了封閉和支護(hù)，確保井身圍巖的穩(wěn)定。
3.2成功的原因
在整個(gè)調(diào)壓井開挖過程，未出現(xiàn)任何安全事故，工期和質(zhì)量也取得令人滿意的結(jié)果，總結(jié)起來，主要是做到了以下幾點(diǎn)：
（1）針對(duì)項(xiàng)目的具體情況制定了嚴(yán)密的有針對(duì)性的施工方案：超前固結(jié)灌漿，增強(qiáng)了整個(gè)開挖部位巖體的穩(wěn)定性，是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵之一，而且，在項(xiàng)目運(yùn)行階段也起到穩(wěn)定圍巖、保證調(diào)壓井安全正常運(yùn)行的作用。
（2）使用自進(jìn)式錨桿，加快了支護(hù)進(jìn)度，克服了圍巖破碎、成孔率低的困難。（3）針對(duì)巖石傾角傾向井筒，且井口外側(cè)圍巖過薄的情況，在該部位使用了錨筋樁，化解了外側(cè)圍巖滑動(dòng)和坍塌的隱患。
（4）對(duì)一次支護(hù)進(jìn)行了加強(qiáng)。因?yàn)榫薮蟮恼{(diào)壓井開挖后，直立的井壁相當(dāng)于垂直的邊坡，只有支護(hù)完好無損，在拱的作用下，井壁才是安全的，通過加強(qiáng)一次支護(hù)，強(qiáng)化了井壁拱的作用，杜絕井壁因局部出現(xiàn)破壞而導(dǎo)致整個(gè)調(diào)壓井井壁破壞。
（5）對(duì)溜碴井堵井有所預(yù)見，準(zhǔn)備了兩套出碴方案。若盲目只靠疏通導(dǎo)井，由于圍巖破碎，不可見因素多，安全和工期都無法保障。
（6）施工時(shí)段避開雨季，沒有遇到惡劣的暴雨天氣。尊重自然，充分利用掌握的氣象數(shù)據(jù)，在最有利的氣候條件下進(jìn)行施工，收到事半功倍的效果。
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