钢护筒一次成型施工工法在地下竖井施工中的应用

2019-08-22

水利建设与管理 2019年8期

(洛阳水利工程局有限公司，河南洛阳 471000)

近年来对软弱地质层结构进行施工加固的技术主要有冰冻法、沉井法、固结灌浆法等。其中，冰冻法的施工造价高，并且当加固竖井中出现富含水的砂层和软弱岩层时难以进行施工加固；沉井法施工难度较大，施工过程中难以保证竖井的垂直度，且工期较长；而固结灌浆法在技术上可行，但对于Ⅳ类或Ⅴ类围岩等软弱地质层进行加固施工时，由于工作面狭小，施工条件受限，因而只能通过浅层孔进行固结灌浆，如果钻孔过程中出现高承压水情况，会频繁出现涌砂及涌水现象，无法有效地对高承压水松散砂层进行加固。由此可见，就现有技术而言，竖井中间存在富含水砂层的软弱地质层时的施工难题，已为阻碍隧洞施工乃至整个工程的瓶颈问题。因此研究软弱地质层竖井施工问题，保证竖井在施工中的安全性和工期，形成一套完整成熟的施工技术是一个极其重要的课题，对竖井施工技术的发展将起到极大的推动作用。

1 工程概况

秦岭防洪渠综合治理改造工程是洛阳市城市水系建设十大工程之一，该工程的一期工程为引水工程(引洛济秦)，是洛阳市城北区水系建设基础设施项目的重要组成部分，其主要任务是依据秦岭防洪渠所处的地理位置及地形地貌条件，把秦岭防洪渠南边的洛河水引至防洪渠内，采用“暗涵+隧洞”的引水方式，隧洞为自流，引水渠全长5km，引水流量2.00m3/s。

由于地质条件复杂，在竖井施工中遇到的第三系未胶结砂岩(砂层)、泥质细岩层、砂质黏土岩互层或交叉等地质结构含水量丰富的不稳定Ⅳ类围岩或极不稳定Ⅳ类围岩，在高承压水、重力及地应力作用下易软化、泥化、崩解，导致竖井施工频繁发生高压涌水、流砂和塌方现象，成井极为困难。

2 钢护筒一次成型方法技术原理

首先是冲击钻冲击成孔，焊接钢护筒及连接灌浆装置，通过向护筒内注水，在护筒自重及筒内注入水重的配合下克服竖井内泥浆的浮力逐渐沉入竖井中，当护筒沉到竖井底部时，通过筒内的灌浆装置将浆液注入护筒和冲击冲孔的竖井之间，使护筒和井壁形成一个整体，拆除护筒中支撑和灌浆等装置，再进行下一步施工，见图1。

图1 施工状态示意

3 施工工法

3.1 冲击成孔

冲击成孔包括前期的井口定位，混凝土井台的浇筑，以及冲击钻采用泥浆护壁的方法冲击成孔。首先测设井口位置，按位置架设桩机，根据竖井设计3.00m孔径选择冲击钻钻头，最终达到一次冲击成型，钻孔过程中每进尺5～10m时测定泥浆各项技术指标，特别是相对密度，控制泥浆密度在1.1～1.3t/m3。钻孔连续进行，不得中断，以保持孔内泥浆稠度和孔内水位以防塌孔。钻进时记录每次的进尺深度并及时填写钻孔施工记录，交接班时讲明钻进情况及下一班的注意事项。因故停钻时，孔口护盖，严禁钻头留在孔内，以防埋钻。同时保持孔内的水头和泥浆浓度黏度，以防坍孔。底部超钻0.20～0.30m，防止泥浆和石渣等沉积，造成深度不够。在钻进过程中，对所捞取的钻渣进行分析，判断地质情况。竖井设计深度为43.50m，竖井下设深1.50m的水泵坑及出渣料斗坑，考虑泥浆沉淀等情况增加0.2m富裕深度，冲击成孔总深度为45.20m。

3.2 焊制护筒

3.2.1 护筒组成

护筒由圆形筒身、密封焊接连接于筒身下端的底板以及下部导向板等组成，见图2。护筒的外径2.70m，采用20mm厚钢板加工成型，在护筒的内腔中设有若干灌浆装置，灌浆装置包括设于内腔中的环形灌浆管，环形灌浆管周围设置若干均匀分布的径向灌浆管，各径向灌浆管与护筒上对应的灌浆口密封固定连接，在各环形管的上部分别连接往上伸出地面的垂直灌浆管。各环形筒之间采用内外满焊的焊接工艺。

图2 护筒的结构示意

3.2.2 导向板设置

在圆形护筒的底部设置用于保证护筒准确沉入竖井的导向结构，包括设置于护筒底部圆周均匀分布的3块导向翼板，各导向翼板分别位于圆形护筒的底部边缘，导向翼板顶边远离钢护筒的垂直中心线，底边靠近竖井中心线，从而使底部布设的导向翼板呈锥形结构，导向翼板的上口最宽尺寸小于竖井冲击成孔的内径。导向翼板可保证在钢护筒沉井过程中的下沉方向，使钢护筒顺利到达竖井底部并防止出现较大倾斜，使钢护筒竖向中心线与冲击成孔的中心线保持一致，从而保证护筒与竖井之间灌浆厚度的均匀性。

3.2.3 焊接要求

施焊过程时，焊工工器具齐全，无论焊口还是焊缝，必须逐层清理，有缺陷或黏焊条(丝)，必须设法清除。焊接前在对接的钢筒对接处打好坡口，便于控制焊接质量。焊工在焊口或焊缝焊完后，要对每一道焊口或焊缝进行自检，发现气孔、夹渣、咬边、裂纹等表面缺陷，应立即剔除并修补，最后用数字式超声探测仪对每道焊缝进行检测，合格后方可开始后续施工。

3.2.4 护筒加固

为提高圆柱护筒的强度，在护筒内还设置有加强支撑结构，加强支撑结构包括固定于筒身内壁的若干环形箍圈、底板上的加强筋以及斜向支撑等。

环形箍圈可提高护筒筒身的强度，避免沉井后筒身受泥浆及水泥浆压力作用变形而影响灌浆厚度的均匀性，保证灌浆质量的稳定。在各节钢护筒的内壁上分别固定有由槽钢弯制而成的环形箍圈，各环形箍圈通过焊接连接与各节钢护筒对应固定。

底板内表面布设有由工字钢制成的米字加强筋，在其相邻的单节钢护筒箍圈之间连接有若干均匀分布的斜支撑。护筒内同样焊接固定有加强支撑的结构。通过这些支撑结构可以在护筒沉井过程中有效避免底部高压气体和高压泥浆压力破坏底板的密封焊接结构。

3.2.5 灌浆管布设

灌浆管主要由筒身的若干环形钢管和垂直灌浆管连接组成，见图3。各灌浆装置中的环形灌浆管分别通过其上对应连接的径向灌浆管固定在相应位置的环形钢筒中。施工中第一节钢护筒下沉后，将垂直灌浆管和环向灌浆管焊接连接，如此逐节下沉、逐节连接。

图3 环形灌浆管示意

垂直灌浆管采用分节焊接连接，当两节环形钢筒连接后再将相应的垂直灌浆管焊接延长。各个环形灌浆管与垂直灌浆管连接均形成独立的灌浆系统。灌浆装置的设置数量和安装位置根据竖井的深度和灌浆的要求确定。

3.3 钢护筒对接

3.3.1 井口及钢护筒装置

在竖井的井口处水平铺设一个井字形挂具，该井字形挂具由四根工字钢两两垂直交叉焊接固定而成，其中间方口的宽度略大于各环形钢筒的外径，并与钢护筒上的吊耳配合，各环形钢筒分别穿过井字形挂具的中间方口沉入竖井中，从而可以使得每一节的环形钢筒在沉入竖井后通过其上固定的吊耳悬挂在井字形挂具上，保证其上端口高于井口，便于工人在井口进行焊接操作，见图4。

图4 井字架示意

3.3.2 护筒连接

当上一节的环形钢筒下沉至其上部固定的吊耳悬挂在该井字形挂具上后，再焊接下一节环形钢筒，焊接完成后割除悬挂在井字形挂具上的吊耳使沉筒继续下沉，沉筒整体顺利沉入竖井底部，见图5。

图5 单节钢筒的结构示意

3.4 沉井

通过吊运装置将护筒垂直放入成型的充满泥浆的竖井中，并向护筒内注水，使护筒克服井内泥浆的浮力沉入竖井。在沉筒下沉过程中要时刻测量沉筒的垂直度，并在发现沉筒倾斜时及时进行校正，避免沉筒因倾斜而影响灌浆厚度的均匀性。

3.5 灌浆

沉筒下沉到位后，在地面用灌浆机分别连接各垂直灌浆管，按照从下向上的顺序依次通过对应位置处的灌浆装置向沉筒与竖井之间的间隙中注入浆液(灌浆固结厚度15cm)，浆液采用纯水泥浆，水灰比1∶1～0.5∶1，灌浆压力0.3～0.5MPa。

制浆材料必须称量，称量允许误差小于3%。浆液采用专用机械制浆，搅拌均匀并控制浆液密度，浆液各项指标按设计要求控制，浆液水灰比1∶1～0.5∶1。灌浆过程中浆液容重和输浆量每小时测定1次并记录。灌浆泵和灌浆孔口处均安装压力表，进浆管路也安装压力表，灌浆压力0.3～0.5MPa。所选用的压力表能使灌浆压力在其最大标值的1/4～3/4之间，压力表在使用前进行标定，使用过程中经常核对，误差不大于5%，压力表和管路之间设有隔浆装置。在灌浆过程中，有专职观测人员负责观测工作，全面控制灌浆质量。

在地面的灌浆机通过竖向灌浆管按照各环形灌浆管的位置从下向上依次向各灌浆装置内注入水泥浆液，水泥浆液从各环形灌浆管中分配到各径向灌浆管中，浆液注入钢护筒和竖井冲击成孔井壁之间的空隙中，各径向灌浆管末端设置的逆止阀可避免竖井内的泥浆等进入到灌浆装置中。当井内的泥浆排出，水泥浆充满钢护筒和竖井冲击成孔井壁之间的空隙时，灌浆完成。

3.6 排水及拆除

当灌浆强度达到要求后，利用水泵抽出竖井以及沉筒内腔中的水，抽水完成后，工人下入竖井中，先打开泄压阀泄出沉筒底部竖井内的高压气体和高压水，确认安全后从上至下依次切除垂直灌浆管、注水管、钢支撑、径向灌浆管等，筒身通过灌浆与施工加固段的井壁连为一体，使沉筒与围岩成为一体，共同承担围岩压力和水压力的作用，最终钢护筒作为竖井的一部分，增强加固效果。钢护筒下沉完成后，测设支洞方位，采用气割拆除放样的护筒钢板，进行后续施工。