土质围岩大直径调压井施工安全支护设计思路与施工技术

徐　迪 修仁义

（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130000）

土质围岩大直径调压井施工安全支护设计思路与施工技术

徐迪 修仁义

（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林 长春 130000）

在全风化围岩及土质围岩中施工大直径深调压井，施工安全支护难度及风险均较大，本文通过成功地设计与施工方案实例来讨论其施工安全支护的设计与施工思路。

土质围岩；调压井；安全支护

一、工程概况

刚果（金）ZONGOⅡ水电站位于刚果（金）下刚果省境内，水电站由拦河坝、泄洪冲沙闸、电站进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、厂房及开关站等主要建筑物组成。水电站设计水头105.0m，总装机3台，单机容量50MW，总容量为150MW。

二、土质围岩调压井施工安全支护方案的设计思路

本工程调压井为阻抗式调压井，主井内径18m，外径21m，设计壁厚1.5m，高74.3m，原设计调压井结构方案如图1所示。

1.在调压井上游附近设施工支洞，后期兼作永久交通支洞。在主井开挖前，施工支洞及调压井下部隧洞段开挖完成，并在调压井中心先期形成出渣导井。

2.从钻孔地质条件及附近已开挖项目揭露的围岩情况分析，调压井井口处黏土覆盖层较薄，开挖面直立性较好；下部全风化砂岩层强度低但不松散，相对致密，开挖面直立性也较好，但在全风化与强风化分界处岩石较为破碎、裂隙较多，因此存在地下水影响的可能性较大，即岩土分界处的围岩自身稳定性较差，在水的作用下强度较低的围岩临空面可能会产生局部崩塌；强风化层岩石强度低，完整性差；弱风化层岩石强度较高、完整性相对较好。调压井围岩情况见表1。

3.调压井土质围岩开挖支护方式

经过对沉井法与逆作法的方案对比后，考虑到沉井法在斜向岩土分界处附近的处理难度、下部爆破开挖对上部悬空井壁稳定的影响，因此，采用逆作法分层开挖、分层浇筑混凝土的方式进行土质围岩开挖与支护，然后再采用常规岩石井挖的方式利用正作法施工剩余部分的岩石井壁。

考虑到调压井临近的已开挖项目全风化土质围岩在开挖后直立性较好的具体情况，因此，调压井周边围岩的固结灌浆将在调压井完成后进行。

4.调压井土质围岩逆作法的施工支护分析

（1）土质围岩逆作法施工时，围岩混凝土安全支护厚度的选择

土质围岩施工安全支护厚度在任何情况下，应使其长细比不得超过下列数值：

对圆形平面井壁的混凝土结构：

对圆形平面井壁的钢筋混凝土：

式中：h—井壁支护厚度；Lb—圆环的换算长度，Lb=1.82r；其中：r—井壁半径。

调压井外半径r=10.5m，采用钢筋混凝土支护，最小厚度：h≥0.637m。考虑永临结合，永久井壁分两次施工，第一次施工厚度为0.75m，第二次为0.75m，其中，第一次壁厚作为临时支护厚度在后期并入永久井壁厚度中，剩余井壁结构采用滑模施工方案至井口，以保证调压井结构的整体性及外观质量不受影响。

（2）调压井土质围岩逆作法井壁支护竖向稳定分析

如果使井壁施工支护结构体不产生下滑，井壁与土质围岩间的摩阻力必须大于井壁自重，则应满足：

其中：fk—单位摩阻力（kPa），h—井壁支护高度（m），u—井壁外周长（m），Gk—井壁支护结构重力（kN），K—稳定系数，应大于1.2。

参考相关规范摩阻力经验值见表2。本工程井壁上部黏性土层单位摩阻力取fk=15，下部全风化砂岩层单位摩阻力取fk=12。

当沿井深向下土层为多种类别时，单位摩阻力可取各土层单位摩阻力标准值的加权平均值，该值按下式计算：

其中：fk—多土层单位摩阻力标准值的加权平均值（kPa）；fki—第i层土的单位摩阻力标准值（kPa）；hsi—第i层土的厚度（m）；N—沿井深度不同类别土层的层数。

根据公式（4），调压井井壁与土层间的综合单位摩阻力fk=12.17kPa。

在土质围岩中采用逆作法施工调压井时，向下每开挖一层，就要浇筑一层支护体混凝土，调压井井壁支护体下端经常处于悬空状态，直到支护到稳定的岩石层后，再采用正作法由下向上浇筑混凝土。

调压井井壁与土层间的综合单位摩阻力沿井壁高度分布情况，按传统计算模型如图2所示。

根据图2中单位摩阻力模式及上述的已知条件，计算摩阻力与井壁重力的关系见表3。

根据表3分析，井壁沿竖向全长为直线型时，不能满足施工支护竖向稳定安全要求，主要原因是调压井直径大、支护壁厚大，井壁支护结构重力大于外壁与土体间的摩阻力。

三、调压井井壁设计结构形式的调整

逆作法施工井壁的情况下，当施工支护的井壁不能满足自身抗滑稳定条件时，必须采取井壁抗滑或井口锁定的安全措施，以保证施工支护的安全。具体方案分析如下：

1.井壁外侧增加根键方案

经计算，如果在调压井每2m施工层的支护结构外侧均增加外凸的环形根键，则除第一层井壁支护体竖向稳定系数K＜1不能满足竖向稳定外，从向下第二层开始，支护体竖向稳定系数K＞1.1，从井口向下6m深时，整体竖向稳定系数K＞2，自身竖向稳定能够满足要求。

2.井口井盘方案

如果在调压井井口设置井盘，如图3所示，则井壁支护体的下滑力由井盘和井壁的摩阻力共同承担。当单位摩阻力不能确定或单位摩阻力较小时，出于安全考虑，可由井盘单独承受逆作法施工时井壁支护体的全部拉力，而摩阻力可作为因地质偏差造成的土质层超深、井壁超厚而引起结构重力加大的安全储备。

3.井壁根键方案和井口井盘方案对比

（1）根键方案需要在井口处采取加固措施，保证第一层井壁支护体不下滑。每层支护体需要在土质围岩立面上挖环向土槽，人工工作量较大，而且受井壁竖向钢筋的影响，施工难度较大，工期较长。

（2）井盘方案施工方便，可应对调压井下部不良地质情况，但钢筋用量略有增加。

结合本工程地质条件及调压井直径较大的实际特点，经技术与经济对比，井壁支护体采用井口井盘方案，其中，井壁施工支护厚度0.75m，如图3所示。

四、土质围岩调压井施工方案设计

1.出渣导井的施工方案设计

（1）出渣导井位于调压井中心，总深度65m，其中，在弱风化岩层中约25m，在强风化岩层中约8m，在黏土及全风化土层中约32m。考虑通风、操作、出渣等因素，导井外径按2.1m设置。

弱风化层的导井，围岩条件较好，采用由下向上爆破开挖的方案，其余部分的导井采用自上而下的人工土方开挖、部分爆破开挖的方案。上、下井在开挖临近接头处，预留一次爆破成型的岩塞厚度。

（2）土质围岩的导井设计

土质围岩的导井拟采用直壁型混凝土衬砌，并采用逆作法施工至强风化层。

根据公式（1），计算导井衬砌最小厚度为9.5cm，取15cm厚。井壁竖向稳定计算分析见表4。

根据竖向稳定计算结果，需要在导井井口处设小型井盘，同时在井口向下3m范围内配置竖向钢筋，从3m～32m范围内不需要井盘拉力，竖向自身稳定。

（3）导井构造要求，

对于圆形导井平面尺寸，净空应不少于φ1.2m，混凝土强度等级不低于C15。水平环筋直径不宜小于φ10mm，间距不大于250mm；竖向钢筋每米不少于3根，直径不小于φ8mm。

2.调压井开挖与井壁施工

（1）设一台反铲挖掘机从井口开始向下开挖，渣土由导井排至下部的隧洞内，由装载机装自卸汽车外运。至主井下部岩石爆破开挖时，对反铲挖掘机进行安全防护。开挖至阻抗孔上部井底后，由70t汽车吊吊出反铲挖掘机。

土质围岩一次开挖深度为2m，视围岩土质情况，最大不超过3m。

（2）调压井主井井壁分外壁和内壁两次施工，第一次采用逆作法施工外壁支护部分，第二次采用滑模方案施工内壁部分。

（3）除井圈附近外，第一次支护的井壁内圈可不设钢筋，但所有的外圈竖向钢筋接头必须全部焊接。

（4）土质围岩外壁支护结构从上至下每次施工的混凝土层高为2m，根据围岩土质直立性情况，最高不超过3m。为保证下层混凝土有效排气，施工缝必须设倾斜面，坡度不缓于1∶2。为便于混凝土入仓，每层立面模板的上口应超出上一层混凝土底部宽度10cm，即每层混凝土上口宽度为80cm，下口宽度为70cm，井壁平均厚度为75cm。

每层外井壁模板拆除后，必须进行表面凿毛处理。

（5）遇有地下水时，应在围岩面漏水处钻孔设排水管，并将水有组织地排到井壁混凝土外，并视下部井壁支护体施工时地下水情况或管内无水时再适时封堵。

（6）其他按常规施工方法及相关规范进行施工。

结论

（1）土质围岩调压井设计与施工重点在于前期地质勘测以及施工安全支护方案的选择。（2）土质围岩调压井宜设置在山脊处，因受地下水影响相对较小，有利于施工安全支护，并宜于旱季施工土质围岩的井壁支护体。（3）土质围岩情况下，无论是调压井主井还是施工导井均应设置井盘。（4）当导井下部地质情况不明时，导井上部井壁应设置环形根键。

［1］胡志英.复合式支护技术在大型土质调压井中的研究与应用［J］.中国农村水利水电，2014（12）：143-144.

TU74

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