粉质粘土条件下大直径竖井雨季施工技术

周 元，朱 博，王哲鑫，涂小兵

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

随着中国水电企业走向世界，水电工程设计面临着不同于国内的气候、水文和地质条件。如在热带草原、热带雨林气候的非洲和美洲，当地的季节主要分为雨季和旱季，不如国内的四季分明，从而导致当地的降雨和径流有别于国内的汛期和枯水期。另一方面由于地质年代和构造的不同，工程所在地的地形和地质条件往往与国内水电资源丰富的西南山区不同。因此有必要根据具体的气候和地质条件，对国际项目的工程设计进行专门的分析研究。目前，国内竖井的开挖方法主要有全断面法、导坑扩挖法、中心扩孔法、反井钻机法等，大型竖井在开挖过程中可能会遇到坍塌、岩爆等不稳定情况[1]。针对粉质粘土地质条件，对雨季竖井施工的特点和方法进行介绍和讨论。

2 基本资料

2.1 概况

非洲某水电站工程区位于赤道附近，为热带草原气候，年内有两个雨季和两个旱季。雨季分别为3～5月、8～11月，其中8～11月是主雨季，旱季分别为12月～次年2月、6～7月，年平均降雨量为900～2 000 mm。该电站为长引水地下厂房发电，竖井直径大、深度深，自厂房连通至地面，所处地层包括粘土层和岩层，土层采用自上而下的开挖方式，岩层采用反井钻机进行开挖，以下主要讨论粘土地层中竖井的施工方法。

2.2 地质条件

竖井所在位置自上而下分布有：残积土及全风化、强风化、弱风化及微风化片麻岩层。其中：深度0～6.0 m为表层残积土，6.0～40.0 m为全风化土体，土体以粉质粘土和粘土为主，土体渗透系数为1×10-4cm/s，地下水埋藏深度在11.0～14.0 m，以孔隙性潜水为主。残积土和全风化片麻岩土质不均，饱和状态下受扰动后，极易沙化、软化变形，强度、承载力骤减。竖井地质剖面如图1所示。

图1 竖井地质剖面图Fig.1 Geological section of shaft

2.3 竖井结构设计

竖井设计直径为8.0 m，深度为108.0 m，井口为圈梁，圈梁宽1.5 m，高2.0 m，井内无梁支撑，采用两排直径600 mm咬合150 mm的双管旋喷桩作为外围护支撑并止水[2]。井内采用复合衬砌，初期采用钢格栅喷混凝土与系统锚管进行支护，二次支护采用80 cm厚C25混凝土衬砌，格栅沿井深方向每0.5 m一榀，竖向用ϕ22钢筋焊接连接，系统锚管则采用ϕ42，壁厚3.25 mm，长4.5 m，环向间距1.0 m，竖向间距0.5 m，梅花状布置。竖井结构设计断面如图2所示。

图2 竖井开挖支护断面图Fig.2 Support system for excavating shaft

3 竖井关键施工方法

雨季地下水丰富，为保证竖井施工条件，首先进行高压旋喷桩施工，形成外围止水，然后进行井口圈梁、降水管井和排水设施施工。降水和排水设施完成后进行井身土方开挖，接着进行支护施工。

3.1 旋喷桩施工

为防止施工过程中地下水及雨水大量渗入竖井基坑，影响开挖及井壁稳定，首先在竖井周边采用高压旋喷灌浆形成防渗帷幕，起到防渗和加固竖井的作用。高压旋喷桩采用双管法施工，成桩直径60 cm，桩底深入隔水层3 m。旋喷桩采用普通硅酸盐水泥，高压水泥浆射流压力大于20 MPa，流量60～80 L/min，提升速度为0.2～0.3 m/min，旋喷参数由试喷确定，并根据地层情况进行调整[3]。

3.2 施工降水

雨季竖井施工的重点是降水、排水工作，竖井开挖后，井壁粘土在渗流作用下易粉化软化和坍塌[4]。根据粘土的渗透系数和地质条件，采取管井井点法降水，降低基坑内地下水的水位标高，确保每步开挖都不带水施工。

在竖井中央设置管井井点，降水井孔径为700 mm，井管直径为400 mm，滤水层厚度150 mm。降水井选用钢绳式冲击钻机进行钻孔，先根据降水井施工孔位埋设孔口护筒，护筒内径比钻头直径大200 mm，深度穿越松土层。冲孔时实时测定和控制泥浆浓度。遇较好粘土层，采取孔内造浆护壁，方法是在孔内注满清水，通过上下冲击形成泥浆护壁，排碴并定时补浆，直至设计深度。降水井井管的制作采用钢筋笼骨体外包滤网材料。笼体外包三层滤网，最外层为粗滤网，为网眼5 mm×5 mm铁丝网，内两层为网眼1 mm×1 mm的优质尼龙网，即细滤网。滤网外用铁丝每隔50 cm捆绑牢固。降水井安装完成后，于井管及井壁之间填充粒径3～15 mm的碎石，碎石沿管周均匀投放，离孔顶1.5 m范围内用粘土填实夯平。井管埋设完毕后，往井内回灌清水，使用深井泵抽水洗井，直至抽出的井水清澈[5]。管井及旋喷桩布置如图3所示。

3.3 施工排水

除竖井基坑顶面四周设置排水沟外，开挖过程中依据开挖深度及水流情况在基坑四角同时设置集水井。施工过程中保证排水通畅，随时将集水井中的水流排出井外。在布设排水沟、集水井及确定抽水设备时，预留40%的富余量，对抽水设备进行定期维护。

图3 降水井及防渗帷幕平面布置图Fig.3 Plane of dewatering well and grouting curtain

3.4 竖井土方开挖

竖井基坑开挖在圈梁混凝土强度达到设计80%后进行，地面以下3m土层采用人工开挖，用井口设置的龙门架提升出碴，基坑每次开挖高度为0.5 m，开挖后及时进行施工初期支护，保证井壁稳定。

深层土石方开挖按“分层台阶法”进行，竖向分层满足安放钢格栅的要求，水平方向从竖井两端开始向中间靠近，每个台阶每层土方按“先中间挖槽后向两边扩展”的顺序进行开挖，具体开挖顺序如图4所示。

图4 竖井分层分台阶开挖示意图Fig.4 Excavation sequence for shaft

3.5 竖井监测

对竖井施工期间变形进行定期测量，分析监测数据的变化情况，判断竖井开挖稳定状况[6]。竖井监测内容包括井内净空收敛变形、竖井地表沉降变形、旋喷桩变形等[7]。井内收敛测桩安装在竖井表面，开挖初期每天进行观测，后期改为每两天观测一次。使用水平仪观测竖井周围地表的沉降，从图5可以看出，竖井开挖8 d后地表沉降变形趋于收敛，说明做好排水和支护措施，竖井开挖对周围土体影响较小，竖井开挖过程保持稳定。

图5 竖井外沿地表沉降监测值Fig.5 Monitored ground settlement outside shaft

4 结语

雨季施工粘土地层中的竖井时，降水和排水措施是施工的关键，采取管井降水法能有效降低竖井地下水位，保证干地施工。高压旋喷桩可以在竖井周边形成防水帷幕，起到止水作用，同时提高粘土地基的承载能力，提高井壁的稳定性。竖井开挖严格控制分层高度，土层开挖按“分层台阶法”进行，开挖后及时支护。当做好降水和排水措施，并采用高压旋喷桩止水防渗后，雨季竖井施工能顺利进行并保证施工质量。