苗尾水电站引水道竖井开挖支护施工方案研究

龚元江

(中国水利水电第十四工程局有限公司 昆明 650041)

田亚芳

(昆明理工大学理学院物理系 650050)

陈加杰

(云南省水利水电工程有限公司 大理 671000)

1 概述

苗尾水电站引水系统布置在坝址左岸山体内，引水道上下平段采用竖井连接，上、下弯段转竖井曲线半径均为35m。引水道开挖洞径12.0m，采用钢板衬砌，外部回填混凝土厚度0.9m，衬后洞径10.2m。

引水道竖井段上覆岩体厚95～165m，竖井段位于弱风化下段—微风化岩体内，断层、层内错动带不发育，未发现较大不利结构面的组合，仅发育断层F122，但断层及岩层走向与洞轴线夹角约20°，围岩存在内鼓破坏的条件。洞室围岩以Ⅳ类岩体为主。

综上分析，引水道与层理斜交，总体围岩类别较低。受层面、节理和缓倾角切理的影响，局部围岩稳定性差。

2 竖井开挖施工程序及方法

2.1 竖井开挖支护施工程序

竖井工程施工程序如下:

上平段开挖支护(下平段开挖支护)→竖井导井开挖→竖井扩挖支护。

2.2 竖井开挖方法及措施

在引水道上平段及上弯段扩挖段、下平段及下弯段出渣导洞施工完成后，进行竖井段开挖。

2.2.1 导井开挖

导井采用LM200型反井钻机施工，首先由上至下打导孔，导孔贯通后安装φ140cm扩孔钻头，由下至上进行导井的施工。导井施工程序按“施工准备→反井钻机就位→导孔钻进→导井钻进”几个步骤进行。

2.2.2 全断面扩挖

上弯段扩挖后上平段末端与竖井中心线的距离较大，为保证材料运输及施工人员的通行，在上弯段设置一栈桥。同时设置一吊笼作为材料的运输通道，并沿竖井井壁设置一附着式电梯作为施工人员上下竖井的通道。全断面扩挖采用手风钻自上而下分层开挖，每层高度按2.0m进行控制。导井口设置井盖，造孔时将导井封闭。爆破后石渣由小反铲或人工扒渣进导井落入井底，在井底出渣。竖井段不良地质段，开挖前做超前支护;开挖后，视围岩情况和监测结果增加环向钢筋拱肋支撑，确保围岩稳定。竖井开挖方法见图1。

3 竖井开挖安全措施及方法

3.1 竖井顶部加固处理

图1 引水道竖井开挖方法示意图

上平洞开挖至上弯段起点时，采用超前管棚预加固，“核心土”方法开挖;短进尺、小药量、控爆破，以Ⅴ类围岩开挖支护参数开挖通过上弯段，开挖至竖井顶部上方下游边墙。开挖过程中增加钢支撑加强支护，在底部设置纵向工字钢，将竖向钢支撑支托稳定。同时开挖断面扩大成城门洞形，底部扩挖成平底，水平开挖通过上弯段。每一开挖循环将一层钢支撑接腿至底部，并在保护层开挖完成后，在底部浇筑一圈40cm×40cm的钢筋混凝土地梁，将钢支撑包裹其中形成支撑整体。钢筋混凝土地梁浇筑完成后，即用满堂脚手架支撑组合钢模板，将整个城门洞形的洞段浇筑一层40cm厚的临时衬砌混凝土(结构混凝土以外)，以保证竖井向下扩挖时围岩的稳定和施工安全。

竖井上弯段扩挖加固示意如图2所示。

图2 引水道开挖上弯段扩挖加固示意图

3.2 竖井底部加固处理

当下平洞开挖至下弯段终点逆水流5m桩号时，对下弯段顶部设计开挖线以上岩体进行超前固结灌浆，并在下弯段终点桩号前后5m范围内结构混凝土外衬砌一圈40cm厚钢筋混凝土，对该段进行临时加固处理。然后在隧洞底部开挖一条4m×4.5m的出渣导洞直抵竖井底部上游边墙。出渣导洞上方洞脸以及洞身设计开挖边线以内将来要挖除的部分采用玻璃纤维锚杆支护，玻璃纤维锚杆是临时性的，开挖爆破时即可炸断，不影响成洞扩挖。玻璃纤维锚杆作为出渣导洞的临时支护手段，保证出渣导洞围岩安全稳定，并且能在整个竖井及下弯段扩挖时爆破震碎，不至于形成普通锚杆串岩块现象，有利于扩挖成洞质量。出渣导洞采用钢支撑加强支护(扩挖前拆除)，喷钢纤维混凝土封闭，保证竖井扩挖出渣安全。

竖井底部下弯段扩挖加固示意如图3所示。

图3 下弯段扩挖加固示意图

3.3 竖井开挖

在竖井顶部、底部加固处理完成后及下弯段出渣导洞施工完成后，进行竖井段开挖。施工采用LM200型反井钻机施工，首先由上至下打导孔，导孔贯通后安装φ140cm扩孔钻头，由下至上进行导井的施工。导井施工结束后，引水道竖井段一次自上而下全断面扩挖至设计规格线。竖井段不良地质洞段，开挖前作超前锚杆支护;开挖后，视围岩情况和监测结果增加环向钢筋拱肋及长锚杆支撑，确保围岩稳定。竖井支护按照由表及里，由浅入深逐次支护。

3.4 竖井底部开挖

在竖井开挖到井底时，为了保证施工安全，底部采用从下平段水平分层开挖的方法施工。开挖前先拆除出渣导洞的钢支撑，具体施工方法见图4。

图4 竖井底部开挖方法示意图

3.5 塌方处理应急预案

引水道竖井开挖过程塌方处理应急措施如下:

a.塌方后，塌方所处工作面立即停止施工，现场工作人员迅速报告，按规定程序在2h内报告监理人。

b.立即组织人员深入现场调查研究，分析塌方原因，弄清塌方规模、类型及发展规律，核对塌方段的地质构造和地下水活动状况，尽快制定切实可行的塌方处理方案(包括安全措施)报审实施。

c.对一般性塌方，在塌顶暂时稳定后，立即加固塌体四周围岩，及时施工支护结构，托住顶部，防止塌穴继续扩大;对大面积塌方，在塌方处理方案未得到批准前，切忌盲目地抢先清除塌体，否则可能导致更大的塌方。

d.有地下水活动的塌方，宜先治水再治塌方。

e.认真组织塌方处理所需的物资、器材和设备供应，避免中途停工。

f.针对不同的塌方可采取以下处理办法:ⓐ裂隙扩张造成的塌方:采用喷锚法、挑梁法、替换支撑法处理;ⓑ塌方体窄长的小塌方:塌方后可利用两侧岩壁比较完整的条件，采用对顶支撑法、挑梁法进行处理;ⓒ中等塌方:将采用喷锚法、插筋排架法、护顶法、钢管棚架法、钢筋格构梁法进行处理;ⓓ大塌方(塌方量在100m3以上，塌穴高在10m以上):若塌方堵塞整个隧洞，而且对塌方规模和发展规律不十分了解，则采用喷锚法，钢排架法，钢管棚架法等多种方法综合处理。当塌方段埋藏深度较浅或地质条件十分复杂，塌方堵塞全洞，从洞内处理难保障安全时，可采用灌浆法，环形导洞法，混凝土纵梁法等配合其他方法综合处理。

4 结语

不良地质条件下的竖井施工在目前并不是一项完全成熟的施工技术，本文通过分析引水道竖井工程地质特征、结构特征，提出综合运用适当扩挖支护、钢筋混凝土支护、玻璃纤维锚杆支护、钢支撑钢拱肋支护、分层分部开挖支护等形式，形成安全可靠的开挖支护方案，可实现步步为营、稳打稳扎、高效快捷的不良地质条件下的竖井开挖，为不良地质条件下施工提供了有效的借鉴方案。■

1 段汝建，等.锦屏一级水电站地下厂房开挖支护施工关键技术［J］.人民长江，2009，40(18):45～47.

2 段汝建，张德高.周宁水电站高压引水竖井施工技术［J］.水力发电，2006，32(12).

3 毛志国.反井钻机法竖井施工［J］.河北企业，2009(2).

4 马洪琪，熊训邦.广蓄电站高压长竖井快速施工技术［J］.水力发电，1993(7).

5 马洪琪，周宇，和孙文，等.中国水利水电地下工程施工［M］.北京:中国水利水电出版社，2011:226～271，370～453.