浅谈不良地质条件下小断面、长竖井开挖支护施工技术

李功强, 李 鹏

(中国水利水电第五工程局有限公司 第五分局,四川成都 610225)

1 工程概况

松林河洪一水电站枢纽位于四川省雅安市石棉县蟹螺乡的木拉湾和甘孜州九龙县洪坝乡滨东境内的松林河次源——洪坝河上,是洪坝河规划梯级开发中的第三级水电站,电站厂址距石棉县城约 30 k m,距成都市公路里程约 351 k m。洪一水电站为单一引水发电开发的水电工程项目,具有日调节功能,电站装机容量 80 M W,设计水头312 m,最大水头 328.4 m。主要建筑物由取水枢纽、引水隧洞、压力前池、压力管道(含斜井段和竖井段)和发电厂房等组成。

压力钢管布置在压力前池进水室末端,直径为 2.8 m。平面布置上设有 1个弯道,转弯半径10 m,进口设漏斗式进水口,管道为埋管布置,分为竖井段与斜井段(底坡 1/10),其中竖井段高225.8 m。压力钢管开挖直径 4 m,压力钢管直径2.8 m,钢管与混凝土之间回填 60 c m厚 C 20混凝土 (图 1)。

图 1 压力管道剖面图

2 地形、地质条件

竖井进口段前池位于洪坝河左岸漫哈沟右侧山脊上,该部位山体雄厚,地形呈缓坡状,现场地形坡度的实测结果为前池底高程起向下约 80 m山坡坡度稍陡,平均为 40°。山坡下部相对较缓。山坡地表覆盖第四系的残坡积层,主要为含亚粘土较多的板岩,土层结构较为松散,一般厚度为 2 m左右。下伏的地基岩层主要为三迭系中下统板岩夹部分泥质粉砂岩、中厚 ～薄层状结构,从局部的地表露头基岩测得的产状约为 N W340°/N E∠65°～N W330°/N E∠70°。前池下部的压力管道竖井段岩体受挤压破碎,板岩的抗物理风化能力相对较弱,加之受地质历史上的地下水活动的影响,岩体风化形成很深的全风化 ～强风化带,强风化带岩层中细小的和风化较为完全的物质在地下水活动的作用下被带出,岩体中留下较多的、具有一定连通性的孔隙和小空洞。该竖井段围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主,尤其是上部 126 m左右的 V类围岩段岩石风化严重,极其破碎,围岩稳定性差,地下水丰富。

3 施工特点

(1)该竖井施工断面小,开挖直径仅 4 m,压力钢管直径仅 2.8 m,但竖井深度达 225.8 m,施工场面狭窄。

(2)竖井利用反井钻机形成的导井(溜渣井)断面小(直径仅 1.4 m),扩挖时容易造成堵塞。

(3)竖井处岩石风化严重,极其破碎且裂隙发育,整个竖井为Ⅳ、Ⅴ类围岩,安全隐患突出,在扩挖过程中需加强支护。

(4)竖井深度达 225.8 m,且井内渗水量大,施工条件非常恶劣。

4 主要施工方案

4.1 超前灌浆

竖井所在位置的岩石为强风化,极其破碎,且在前池开挖时,在竖井进口附近发现了几条纵向裂缝。为了确保前池稳定和压力竖井施工及运行安全,对整个前池底板进行了固结灌浆处理,并在竖井周围布置了 2圈(A环和 B环)超前固结灌浆孔。A环灌浆孔布置半径为 3.4 m,距竖井开挖边线 1.4 m,并在孔内安装 3φ 32钢筋;B环灌浆孔布置半径为 1 m。具体布置情况见竖井超前固结灌浆孔位布置图(图 2)。

在灌浆造孔施工过程中,岩石裂隙发育并有较大断层出现,除个别灌浆段有返浆外,大部分均无返浆。灌浆时,大部分段位由于吃浆量大,无回浆,施工中采取了浓浆、限流、间歇及待凝复灌等措施,有许多段复灌 2～3次方达到结束标准。从灌浆统计表可以看出,单位注入量达到 2 000 k g/m左右。

4.2 溜渣井开挖

该工程竖井深度达 225.8 m,但开挖断面仅为直径 4 m的圆形断面,施工难度较大。通过对国内已有竖井施工情况进行调查研究得知,竖井开挖施工通常是先在竖井断面内形成一个溜渣导井,然后再自上而下进行扩挖施工。

图 2 竖井超前固结灌浆孔位布置图

考虑到该竖井段岩体风化严重,极其破碎,成井稳定性差,若采用人工自下而上进行钻爆施工作业,安全隐患突出。通过分析研究,本工程采用机械成井法进行溜渣井施工。在实施中选用L M 200型钻机施工。L M型反井钻机技术参数为:导孔直径 216 m m,扩井直径 1 200、1 400 m m,总功率 90/82.5 k W,转速 0～20 r/m i n,最大扭距40 k N◦ m,推力 350 k N,拉力 850 k N,外形尺寸为3.2 m×1.7 m×3.4 m。

本工程导孔(φ 216)施工从 2007年 7月 22日开始,9月 6日完成,导孔施工历经 47 d,其中塌孔卡钻处理 30 d,停电及其他因素影响停工 2 d,造孔施工 15 d,平均每天造孔 15.05 m,最快进尺 1 m/h,最慢进尺 0.5 m/h,平均进尺 0.89 m/h。

溜渣井(直径 1.4 m)施工从 2007年 9月 17日开始自下而上反挖施工,10月 20日完成,其中排除因钻机故障、停电等诸多不利因素影响,平均进尺 0.57 m/h,最快进尺 2 m/h,最慢进尺 0.22 m/h。从施工过程统计看,溜渣井反挖施工进度主要受孔深的制约,造孔深度越深,单位时间进尺越小。

4.3 竖井扩挖

4.3.1 施工方案的选择

根据目前所应用的施工技术,竖井扩挖施工(已由反井钻机在井内形成直径为 1.4 m的溜渣井)主要有三种方法,分别为:①正扩挖;②反扩挖法;③正、反扩挖综合法。正扩挖的主要特点是自上而下分层爆破开挖,利用机械(如挖掘机)或人工扒渣,渣料通过溜渣井溜到竖井底部进行出渣;反扩挖主要是施工人员沿溜渣井(人工或反井钻机开挖形成的导井)利用卷扬机 +吊篮作为施工平台自下而上造孔爆破开挖,爆破石渣不需扒渣而直接掉至竖井底部;正、反扩挖综合法主要是先采用反扩挖法自下而上将导井扩挖形成较大的溜渣井,然后再利用正扩挖法自上而下扩挖到设计断面,该方法主要用于较大断面的竖井扩挖施工中。

考虑到本工程施工断面小,导井在施工过程中孔斜控制不理想,造成导井在竖井底部偏离中线约 3.6 m,已超出设计开挖断面。同时,该竖井岩石存在风化层厚、裂隙发育、完整性差、地下水丰富等情况,且以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主,经过综合考虑,本工程不适宜采用反扩挖法和正、反扩挖综合法,宜采用正挖法进行施工。由于竖井本身断面小,爆破扩挖后扒渣工程量较小,更为重要的是该法在围岩破碎的情况下可采用初期支护紧跟开挖面进行,能够减少塌方等造成的安全隐患。

4.3.2 扩挖施工准备

(1)垂直提升方案的设计与安装。

本工程竖井垂直提升设备采用在井口布置 1套 10 t电动双梁门式起重机进行竖井扩挖、钢管安装和混凝土浇筑等施工时物资和设备的提升。该竖井提升设备委托具有专业资质的公司设计、制作和安装,门机行走跨距为 6 m,起吊高度 7.5 m,行走轨道分别布置于井口两侧。

(2)施工风、水、电及通讯系统。

本工程施工供风主要从集中供风站接 φ 75供风钢管沿竖井井壁向下铺设,在距离工作面约30 m处接胶管供风。施工供水主要采用自施工区的水池接 φ 50钢管沿竖井井壁向下铺设,在距离工作面约 30 m处接胶皮软管,供风、供水管路均在井口设置控制阀门。本工程施工用电主要为竖井内提供照明用电,在施工中主要采用电缆,随吊篮一起升降。施工通讯主要采用 2种形式:150 m以上位置采用高频对讲机;150 m以下位置在井口和施工工作面设置电话,并配有电铃。

4.3.3 扩挖施工

考虑到该竖井的具体情况,特别是 V类围岩段围岩极其破碎,无自稳能力,安全隐患突出,为确保本工程开挖施工安全,通过综合分析并在施工前期试验的基础上,确定该工程在开挖前采用超前支护,在开挖过程中坚持短进尺、弱爆破、强(及时)支护、勤观测的原则进行,以确保本工程安全进行。

压力竖井扩挖自上而下分层进行,人工手风钻钻孔、周边光面爆破、乳化炸药非电毫秒起爆、人工扒渣及锚(网)喷支护紧跟的方法施工。扩挖出渣在竖井井底斜井内进行,用 Z L 30装载机装5 t自卸汽车出渣,经斜井段及 4#支洞运往弃渣场。

为避免溜渣井堵塞和便于人工扒渣,严格控制爆块大小,施工中采用以下参数:炮孔深度为1.5～2 m,孔排距 0.5～0.7 m,周边光爆孔距 0.5 m,最大限度地降低了爆破震动对围岩的不利影响,避免了爆破岩石块度过大出现堵塞溜渣井现象。

为便于导井开挖和出渣,竖井底部 1#弯管“龙抬头”部位在斜管开挖时形成水平平台,并自竖井中心线延长到 3 m位置,在竖井开挖时,竖井开挖线以外上下游各支立 2榀钢拱架并锚喷混凝土,确保了竖井施工安全。竖井出渣直接在底部利用 Z L 30装载机装 5 t自卸汽车运输到洞外渣场。

4.3.4 支 护

(1)锁 口。

为防止雨水倒灌、井口石块等杂物掉入井内而对竖井作业形成较大安全隐患,对井口 5 m段采用钢筋混凝土锁口。该锁口高出地面 50 c m,在锁口顶部周圈设置 1.2 m高栏杆,该锁口混凝土布置在结构混凝土以外。

(2)支 护。

竖井开挖的外作用力主要来自断层、裂隙、褶皱等水平或倾斜方向的剪切力,以及由于岩石破碎开挖后形成空腔而造成的不同方向受力不均衡在竖井内壁最终表现的应力集中和应变、形成的塌方和井壁变形。本工程支护分开挖前超前支护和开挖后支护。

①超前支护。

压力竖井扩挖前,在竖井周圈布置超前固结小导管,小导管采用 φ 42钢管,单根长 4 m。在距管口 0.5 m以下管壁钻 φ 8～10的注浆孔,孔距40 c m,梅花型布置。管底割除两个楔形口后做成尖状。注浆导管采用 Y T-28手风钻在开挖轮廓线上造孔,造孔直径 50 m m,导管走向与竖井轴线夹角为 30°,环向间距为 30～50 c m,孔深 4 m。导管安装完成后,用注浆机注浆,浆液水灰比为1∶1～0.5∶1,注浆压力为 0.2 M P a,使浆液扩散到导管周围的岩层,从而减少扩挖造成的大量塌方。

②开挖后的支护。

本工程除在开挖前采用小导管进行超前支护外,在开挖爆破后及时进行了加强支护,竖井扩挖、支护情况见图 3。

图 3 竖井扩挖支护示意图

钢拱架采用 I 20型工字钢制作而成,为便于运输和安装,每榀拱架分 4段制作和安装。每茬炮开挖完成并安全撬挖后,立即进行钢拱架安装。分段制作完成的拱架由 3 m3装载机自制作场转运到井口吊笼内,利用 10 t门机吊装到施工现场拼装。拱架间中心距 60 c m,连接筋采用 φ 25螺纹钢,环向间距为0.4 m,单根长 0.8 m,与拱架焊接牢固。

考虑到钢拱架支立后为悬空结构,而岩石破碎,稳定性差,为避免因过大垂直压力出现安全事故,在每榀钢拱架上下两排分别布置了自进式中空注浆锚杆,锚杆直径 32 m m,单根长 3 m,环向间距 1 m,每榀拱架共计 28根。要求该锚杆与拱架焊接牢固,注浆水灰比为 1∶1～0.5∶1,注浆压力为 0.2 M P a。

在拱架和锚杆施工完成后,立即在开挖面上挂 φ 6.5@20 c m×20 c m钢筋网,钢筋网与锚杆等固定牢固。钢筋网安装验收完成后立即喷射 C 20混凝土。为确保安全,竖井喷混凝土要求满喷,对于由地质原因引起的垮塌和超挖部分必须利用喷混凝土回填,喷平至钢拱架内侧面,即喷射混凝土成型后断面半径为 2 m,满足设计标准断面。

③变形观测。

本工程在开挖过程中,每隔 20 m在已支护的井壁设置观测点,利用钢卷尺对角测量变形情况。同时,在施工过程中,不定期对井壁喷混凝土进行观测其是否出现裂缝等安全隐患,以便发现问题后及时处理和解决。

5 施工过程分析及存在的主要问题

5.1 施工准备不足

在本工程施工布置时,由于经验不足,导致对施工供水水泵、管路考虑不足而造成返工,耽误了工期并造成了一定的损失。未充分考虑到施工区供电系统的不稳定,备用电源考虑不周,导致突然断电而无法供给施工用水而导致反井钻机卡钻,给施工进度造成了一定影响。

5.2 有关方案可行性欠缺

在布置固结灌浆孔特别是超前固结灌浆孔时,由于未进行灌浆试验而仅根据经验进行布置,通过竖井导孔、导井施工发现,超前固结灌浆确实起到了一定的效果,但由于岩层走向、倾角等部分浆液顺层流失,未达到设计的固壁效果,导致在反井钻机导孔施工时出现无返水、卡钻现象,扩挖过程中塌方、超挖现象仍然较严重。若在 B环中间再布 1～2个超前灌浆孔,并对 A环位置进行适当调整,效果将更理想。

5.3 施工人员的责任心不强

在扩挖前,虽然制定了详细的开挖措施并进行了交底,但由于施工人员缺乏责任心而盲目赶进度,开挖过程中出现了开挖分层过高、孔距加大现象,导致爆破石渣块变大,出现了溜渣井堵塞现象。同样,由于对竖井底部出渣管理不力,未及时出渣,竖井底部堆渣过多而造成堵塞现象,均给施工进度造成了一定影响,在类似工程施工中必须引起重视。

5.4 施工经验欠缺

在本工程竖井导井施工中,孔斜控制不理想,导致其偏出开挖断面,且在施工过程中出现了卡钻、钻头折断而导致钻头脱落等现象发生,这些虽然与岩石有一定的关系,但也反应出施工人员特别是机械操作手施工经验的欠缺。

6 结论与体会

本工程施工经过导孔、溜渣井施工,到最终完成竖井扩挖,克服了竖井开挖施工中出现的所有问题,虽然历时过长,但通过过程分析,也为小断面、深竖井施工积累了宝贵的施工经验:

(1)在破碎围岩中,若采用反井钻机进行施工,超前固结灌浆非常必要。但在其布置前,应根据具体围岩情况进行必要的试验或分析研究,使之达到更加理想的效果。

(2)本工程采用 L M200型反井钻机虽然在深225.8 m的竖井施工中运用成功,但该竖井为泥质板岩,岩石硬度不高,在施工过程中出现了钻杆扭断现象。因此,对于超过 200 m深的竖井或斜井建议最好不使用 L M200型钻机,特别是在较为坚硬的岩石地方。利用反井钻机施工时,对孔斜的控制应加以重视,特别是钻机的就位和安装。在钻进过程中,操作手丰富的施工经验将起到较大的作用。

(3)在施工前应加强施工准备,包括施工技术方案的分析和论证、施工场地的布置及施工风、水、电的供应设计。选择一支具有丰富施工经验的队伍,其应具备处理施工中遇到突发事件的能力,配备良好的施工设备。

(4)改善施工作业条件,加强竖井排水的引排。在本工程中,针对竖井渗水均集中到施工作业面而导致施工条件更加恶劣这一特点,虽然采取了在井壁设置截水沟 +排水钢管引排,在施工作业面以上采用彩条布等措施对排水进行遮挡和引排,虽然起到了一定作用,但效果不理想,需要在今后同类工程中对其进一步进行分析和研究。

(5)重视不良地质条件下的爆破试验和设计,避免发生塌方而引起安全事故。重视不良地质条件下开挖施工的超前支护和开挖后初期支护的及时性。在设计时,加强地质勘探工作,尽量避免竖井、地下洞室等大部分工程量出现在不良地质段。

(6)对于垂直提升设备的设计、制造和安装应引起足够重视,特别是必须由具备相应资质的单位进行设计和制作,确保其满足要求;同时,在实施过程中加强保养和维护。对人员在井内的上下设置必要的安全装置非常重要。