复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法

蔡荣生 刘永胜 张 坤

(中国水利水电第六工程局有限公司 丹东 118002)

1 前言

复杂地质条件下深厚覆盖层竖井由于覆盖层深，一般地质条件极及其复杂，土体透水性强，稳定性差，往往土体内含大量孤石与土石胶结体，施工难度极大。竖井施工采用“正井法”施工，在施工过程中如何合理安排开挖、支护、衬砌之间的关系，减少井内施工干扰，关系着施工安全以及节点工期的实现。

2 工法特点

a.实现了复杂地质条件下深覆盖层竖井开挖、支护快速施工。

b.解决了复杂地质条件下深覆盖层竖井井壁含管涌通道及井壁渗水施工难题。

c.全圆“倒悬法”衬砌混凝土紧跟开挖进行浇筑施工。

d.竖井开挖、支护、衬砌、灌浆等各工序可上下立体作业。

e.采用配套先进合理的施工安全系统。

3 适用范围

适用于水利水电工程中复杂地质条件下的深厚覆盖层竖井施工。

4 工艺原理

a.开挖工序有利于保护井壁，减少施工对松散井壁的扰动，防止井壁垮塌。

b.支护方法快捷、简便，减少开挖后土体暴露在外的时间。

c.一衬混凝土采用“倒悬法”浇筑，及时跟进开挖施工，确保井壁安全。

d.通过爆破质点震动监测试验，控制单响药量，减少了孤石爆破时对井壁及已浇混凝土的影响。

e.采用井口桁架梁、井内作业大盘、仞脚模板技术实现了竖井开挖、支护、混凝土衬砌、壁后灌浆施工的上下交叉作业。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

井挖施工人员乘载人电梯至工作面→门机吊运反铲、吊斗等井挖设备至工作面→反铲装渣到吊斗→吊斗装满后挂钩，起吊→在出线场1号、2号竖井中间倒渣区翻斗卸渣→吊斗挂钩再吊至工作面→本层可直接挖装的石渣出完，孤石出露→钻孔→装药、联线、防护→反铲、锚杆钻车等机械设备吊出井外，不能吊出的井盘等吊至井口并加强防护，人员全部撤至井外安全地带→井外鸣警、响炮→通风、散烟→施工人员乘载人电梯至工作面检查爆破效果、排险→门机吊运反铲、吊斗至工作面进行工作面清理→本层开挖全部渣出完→井挖施工人员乘载人电梯、吊斗通过门机撤至另一竖井进行井挖施工→同时井身支护与混凝土衬砌施工人员进入工作面。

5.2 操作要点

5.2.1 施工布置

在竖井顶部平台布置一台16t门机，进行机械、设备、材料、出渣等的垂直运输。每个竖井井口布置一桁架，作为大盘、风管、水管、混凝土下料管等的支撑平台。每个竖井井口布置一台施工电梯，进行施工人员上下竖井垂直运输。在出线平台，每个竖井布置一个稳车群，用于大盘、电梯的升降。每个竖井内布置一个单层桁架梁结构吊盘。

5.2.2 覆盖层开挖施工

竖井开挖、支护及混凝土浇筑施工循环进行，循环进尺控制在3.0m以内，开挖一层支护一层。覆盖层段开挖采用人工配合0.3m3液压反铲进行。先采用液压反铲扩挖竖井中间部分，靠井壁预留30cm保护层采用人工开挖。

大块孤石在每循环土体开挖完毕之后，集中采用钻孔爆破法解体后随土方挖出，井壁处孤石在井中开挖完毕之后采用人工持手风钻钻水平孔进行爆破，爆破后再由人工持风镐修整。孤石解爆时，先在竖井底部挖一大坑，井内孤石采用反铲将孤石移至大坑中，然后进行钻孔;井壁内嵌孤石直接在原位钻水平孔。装药完毕之后采用钢筋网、沙袋对孤石进行覆盖后起爆。爆破后孤石随土方由反铲进行装渣。

由于竖井开挖掌子面距离井壁新浇混凝土距离很近，距离仅1.5m，因此采用质点震动监测试验，确定一次最大起爆药量，井内爆破必须严格控制一次起爆药量，防止爆破对新浇混凝土造成损伤。

爆破完毕之后立即进行检查，确定无安全隐患之后，采用门机将0.3m3液压反铲吊运至井底，开挖弃渣直接采用液压反铲装自制6.0m3吊斗，用门机提升到井口临时堆渣场卸渣，然后适时采用3.0m3装载机装20t自卸汽车，运至指定渣场。

当开挖遇到管涌通道时，对管涌通道洞口做适当扩挖，以保证施工安全为原则。扩挖后清除管涌通道内跨塌堆积的松散物，然后对管涌通道采用C20混凝土进行分层回填。首先对管涌通道空隙较小的部位进行回填，并充分振捣，然后回填空隙较大的部位，确保回填密实。回填时在管涌通道顶部预埋回填灌浆花管，回填完成后首先进行回填灌浆，灌浆压力为0.1～0.15MPa，然后再对周边自进式锚杆进行固结灌浆。

5.2.3 覆盖层支护施工

自进式锚杆间排距为1.2m×1.0m，L=6.0m，入岩5.5m，锚杆底部1.5m范围内设置花孔，花孔间距10cm。开挖结束后采用门机将液压反铲吊运至井口安全区域，随即进行井壁系统支护。因此系统支护采用CLM—15履带式锚杆钻车进行施工(CLM—15履带式锚杆钻车采用门机进行竖井内的垂直运输)。为减小由于断杆造成的锚杆损失，每根自进式锚杆由两节3.0m长锚杆组成，先进行第一节(第一节锚杆含花孔)锚杆施工，然后由第二节锚杆进行加长，继续施工。

锚杆注浆时为保证灌浆压力满足设计要求，将大盘移动到需要注浆的部位，通过门机将注浆机吊运至大盘上，井底锚杆注浆时，将注浆机直接吊运至井底进行注浆，保证注浆机与被注浆锚杆之间的垂直高差小于1.5m，减少附加注浆压力。注浆站布置在井口适当位置，浆液制成后通过高压橡胶管自流至储浆桶中，然后通过注浆泵进行注浆。单根锚杆当吃浆量大于500L时，停止注浆，依次进行同一截面上的其他锚杆注浆，待一圈注浆完成后，对没有达到结束标准的锚杆进行补灌，直至每根锚杆注浆都达到结束标准。

5.2.4 覆盖层混凝土施工

井壁混凝土采用“倒悬法”进行施工。混凝土衬砌滞后开挖1～2个循环。混凝土施工采用井内布置的大盘作为施工平台，井壁一衬混凝土厚度1.0～1.2m。

5.2.4.1 模板施工

为满足钢筋错头的要求，底模支撑采用仞脚模板，为了避免进行底部混凝土凿毛，在仞脚模板上采用免拆模板。钢筋穿过免拆模板后伸入仞脚模板中。仞脚下行钢模板高1.35m，仞脚下部高0.9m，斜面坡度30°，使钢筋接头能错开0.6m，单个仞脚模板长1.5m，模板加工拼装安放在下部刃脚模板上。模板和刃脚之间采用钢筋插销活连接。侧模采用P1015、P3015标准钢模板拼装。侧模施工平台采用井内布置的大盘。大盘运行到作业面时，采用大盘四周布置的丝杠，将大盘与井壁顶死，避免在大盘上作业时晃动。

5.2.4.2 混凝土下料系统

为满足出线竖井混凝土衬砌井内垂直输送，在每个竖井上部井口设置3个下料口，配备3套φ159溜管。溜管由无缝钢管制作，每节长度6m，采用法兰连接，溜管采用两根钢丝绳悬吊，溜管用卡扣固定在钢丝绳上，沿井壁向下敷设，为防止混凝土在长距离溜管下落过程中产生骨料分离，每一节溜管设置1个与主管成135°夹角的岔管，溜管从井口连接到距离仓面8m高度改用溜筒或软管连接到浇筑仓面。

混凝土下料程序为:混凝土→井口下料口料斗→溜管→溜筒或软管→仓号→平铺、振捣。混凝土最大垂直输送距离126m，竖井井壁混凝土施工一年来，混凝土井内垂直运输时没有出现骨料分离现象，混凝土完全符合设计要求。

5.2.4.3 混凝土入仓、振捣

模板施工时，模板顶部设开放振捣口，即模板上部30cm外倾30°角，使模板上口与上仓混凝土面保留30cm空隙作为仓号上部进料空间与振捣棒振捣口，保证混凝土进料与振捣在整圈范围皆可进行，并在侧模中部适当位置设进人孔，仓号底部1.5m范围浇筑时施工人员从进人孔进入仓号内进行布料和振捣，待一仓混凝土浇筑3/4时，所用施工人员撤出仓号，对进人孔钢筋、模板进行恢复，然后以模板上部预留的30cm空隙作为仓号上部进料空间与振捣棒振捣口进行混凝土浇筑。

混凝土铺料采用平铺法，平铺层的厚度控制在40～50cm之间。混凝土平仓采用人工平仓，橡胶止水处采用人工送料填满，并用钢筋夹将止水固定支撑。为了防止模板在混凝土下料过程中产生位移，混凝土采取对称入仓方式。下料管下料达到一定量后要移位一次，避免下料集中。混凝土采用直径50mm和70mm的软轴插入式振捣器振捣，模板周围和埋件附近采用φ50振捣器或人工捣固密实，特别是止水周围，要细心振捣，以防模板走样和埋件位移。

5.2.4.4 两循环间混凝土接缝混凝土处理

每仓混凝土均采用免拆模板作为底模，因此每仓混凝土底面不再进行凿毛处理。避免每仓混凝土底部进行人工凿毛，减少了施工强度，加快了施工进度。

5.2.4.5 竖向钢筋接头处理

钢筋采用滚轧直螺纹丝套进行连接。钢筋错头采用仞脚模板作为平台，钢筋穿过免拆模板后，伸入仞脚模板内进行错头，相邻钢筋之间错头达到60cm以上。

5.2.4.6 混凝土拆模与养护

混凝土浇筑36h后进行侧面模板拆除，侧模拆除以及混凝土洒水养护均以大盘作为施工平台，拆除的模板集中放置在井底，然后由门机集中吊出竖井。混凝土拆模后，及时对混凝土进行洒水养护，洒水采用胶管从沿井壁布置的供水管接水。底模拆除在下一循环土方开挖时进行，先开挖井中部分，待上一层混凝土浇筑48h后，再对底模下部进行开挖，随着土方开挖的进行，底模下部将被掏空，底模自然脱离与混凝土的接触。由于竖井开挖需要进行孤石解爆，底模拆除后由门机吊运出井，放置在出现场适当地方。模板出井后及时清理干净、修补整齐，混凝土浇筑前涂刷脱模剂。

5.2.5 覆盖层一衬井壁壁后灌浆施工

在井壁混凝土施工时，在井壁混凝土中预埋外径不小于57mm、壁厚为3.5mm的壁后灌浆钢管，防止在混凝土浇筑过程中管道变形甚至破坏。在进行壁后灌浆施工时，进行预埋灌浆管扫孔，进行壁后灌浆。灌浆以大盘作为施工平台。为减小由于高差引起的灌浆附加压力，灌浆设备放置在大盘上(大盘与灌浆孔之间的垂直高差小于1.5m)，在井口布置一个集中制浆站，通过高压橡胶管自流至大盘上的储浆桶里，然后进行灌浆。

6 材料与设备

6.1 材料

火工材料采用乳化炸药、非电毫秒管及导爆索。采用仞脚模板成解决钢筋接头错头问题。

6.2 设备

在竖井开挖过程中采用0.3m3小松挖掘机，掘进速度快，装渣时回转半径小，加快开挖进度;采用CLM—15履带式锚杆钻车可一次将锚杆钻入土体内，钻进速度快、效率高。

7 质量控制

a.建立出线竖井施工质量保证体系，确立管理人员名单，负责各工序的组织管理工作。

b.施工机械设备组织到位。

c.施工前，对各个工序有关人员进行技术及工法交底。

d.全过程质量检查控制与技术指导、监督，填写质量检查控制表。

e.对每一循环施工质量进行检查、总结，制定下一循环改进措施，予以实施。

8 安全措施

a.在各作业面、道路、生活区等设置足够的照明系统，线路按规定架设，满足安全用电要求。

b.进行爆破时，人员撤至安全距离之外。

c.每道工序施工完成，经过安全检查合格后，才能进入下一道工序的施工。

d.定期进行井壁围岩变形观测，如发现异常情况及时报告有关人员，并立即组织施工人员和机具撤离。

e.成立安全管理小组，针对本工程安全重点由技术部编制安全技术措施指导现场生产，加强施工现场安全管理工作，科学组织施工，确保施工安全。

9 环保措施

a.爆破粉尘及烟气得到了及时有效的排放。

b.施工废水都按要求进行了处理，排入场内系统排水沟内。

10 效益分析

底模采用仞脚模板，免去了底模支撑以及底模安装;孤石解爆时，采用井内挖坑以及控制一次最大起爆药量进行孤石解爆，不需要对井壁混凝土进行防护;竖井内均以大盘作为操作平台，节省了脚手架。采用本工法，不但节约成本，而且缩短了工期，实现了良好的经济效益和社会效益。

11 应用实例

溪洛渡水电站左岸地下厂房1号出线竖井开挖直径14.6m，竖井总深度488.5m，覆盖层最深达114m;2号出线竖井开挖直径14m，竖井总深度488.5m，覆盖层最深达124.8m;3号出线竖井开挖直径14.6m，竖井上段深度252.03m，覆盖层最深达64.7m;4号出线竖井开挖直径达14.6m，竖井上段深度252.03m，覆盖层最深达61.7m。地质条件极其复杂，土体透水性强，稳定性差，井身覆盖层先后穿过洪积堆积体、冰川、冰水堆积体、古滑坡堆积体等地层，且土体内含大量孤石与土石胶结体，施工难度极大。采用井口桁架粱、仞脚模板、大盘以及井壁混凝土斜接茬技术有效解决了“正井法”开挖、混凝土“倒悬法”浇筑的各种施工难题。项目部严格管理、合理组织、精细化施工，有效地保证了混凝土施工的质量和进度。