CCS水电站600m深竖井反井钻机施工塌孔分析

苗栋 魏斌 齐三红

摘 要：竖井作为地下建筑物，地质条件复杂多变，对反井钻机施工影响较大。CCS水电站布置两条600 m级超深竖井，其中2#竖井在反井钻机施工过程中出现塌孔事故，进而大量涌水并导致设备损坏。结合塌孔特征和附近已开挖建筑物工程地质条件对塌孔原因进行分析，初步推测应是下平段揭露的f46、f47断层与R3流纹岩脉相交部位围岩稳定性差，造成塌方，在高水头作用下，陡倾岩体破碎带形成了地下水径流通道。针对塌腔发育情况和周边工程地质条件利用钻探、物探、激光扫描、地下水示踪等手段开展补充勘测，从而进一步查明竖井区工程地质条件，证实塌孔原因，确定塌腔发育部位、规模和性状等，据此确定新竖井孔位。在新孔位导孔施工过程中，根据钻进参数、渣料、返水等情况对工程岩体条件进行分析判断，及时对不良地质段进行灌浆加固，在导孔施工完成后采用全孔纯压式灌浆。在新竖井人工扩挖时，通过M9支洞对塌腔进行密实回填，顶部回填困难区域采用模袋混凝土填充，以减少塌腔对竖井运行安全造成的影响。

关键词：竖井;反井钻机;塌孔;涌水;CCS水电站

中图分类号：TV62 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.025

Abstract：Geological conditions of the shaft as an underground building are complex and changeable， and have great influence to the construction of the raise boring machine. There are two 600 m superdeep shafts at CCS Hydropower Station. The shaft No.2 collapsed in the construction， which resulted in a large amount of water inrush and damage to the equipment. Combined with the characteristics of collapse hole and the engineering geological conditions of nearby excavated buildings， it was preliminarily speculated that the surrounding rock stability at the intersection of f46， f47 and R3 rhyolite veins should be poor. Furthermore， the broken zone of steep rock mass formed groundwater runoff channel under the high water press. We carried out supplementary survey using drilling， geophysical exploration， laser scanning， groundwater tracer and other means， so as to further find out the engineering geological conditions in shaft area furtherly， confirm the causes of collapse hole， and determine the development location， scale and characteristics of the collapse cavity. According to this， we chose the new hole position downstream of of the previous shaft about 50 m， and analyzed the rock mass conditions of new position according to the drilling parameters， slag material， return water and so on. The bad geological section was strengthened by grouting in time and the full hole was grouted completed after the completion of the guide hole. The collapse cavity was backfilled through M9 branch tunnel， and the difficult area at the top of the collapse cavity was filled with membrane bag concrete， in order to reduce the influence of collapse cavity to the safety of shaft operation.

Key words： shaft; raise boring machine; hole collapse; water burst; CCS Hydropower Station

在水電领域，竖井是一种重要的建筑物，目前主要的施工方法有正井法和反井钻机施工法[1-4]。反井钻机施工法于20世纪80年代从国外引进，可大幅度提高施工效率、改善作业环境，在工程建设中得到了越来越多的应用。但是，反井钻机施工受地质条件影响较大，在复杂地质条件下施工深竖井时，常常发生涌水、塌孔、偏斜等问题，容易导致卡钻、埋钻，甚至形成废井，给工程带来损失。

厄瓜多尔Coca-Codo Sinclair水電站[5]（以下简称CCS水电站）布置两条600 m级超深竖井，采用反井钻机施工，其中2#竖井在施工过程中遇到塌孔事故，本文对塌孔事故原因进行分析，并对后续处理措施加以研究。

1 工程概况

CCS水电站位于厄瓜多尔NAPO省和SUCUMBIOS省交界处，距首都基多约130 km，工程任务主要为发电，电站总装机容量1 500 MW，安装8台冲击式水轮机组，是世界上规模最大的冲击式机组水电站之一，电站年发电量88亿kW·h，可满足厄瓜多尔全国1/3人口的电力需求。主要建筑物包括首部枢纽、输水隧洞、调蓄水库、压力管道和地下厂房等。

该工程共布置两条压力管道，均包括上平段、竖井段和下平段三部分，如图1所示。引水竖井井身段长度为537.9 m，开挖洞径7.1 m，衬砌后直径5.8 m，深度在世界水电工程中位居前列。

竖井工程区位于Coca河和Granadillas之间的高山峡谷区，地形起伏大，地势总体呈西高东低的趋势。区内河谷深切、岸坡高陡，以V形为主，相对高差700余m。两岸各级支沟众多，植被发育良好，岸坡整体较完整，地表自然坡度一般为30°～50°。工程区属于Sinclair构造带，发育多条小规模断层，断层走向大多130°～180°，倾向NE或SW，倾角60°～80°，断层宽度普遍小于50 cm，一般5～10 cm，断层充填物质普遍以角砾岩、岩屑夹泥为主。

2#竖井段地层主要由白垩系下统Hollin地层（Kh）和侏罗系—白垩系Misahualli地层（J-Km）两部分组成，围岩类型为Ⅲ～Ⅳ类。其中：1 126.500～1 168.889 m高程为Hollin地层，岩性为黑色页岩及灰白色砂岩，呈互层状，产状近水平，总体倾向NE;631.065～1 126.500 m高程为Misahualli地层，岩石组成较复杂，主要有火山凝灰岩、流纹岩等。最大水平主应力的作用方向与管道轴线的夹角为7°～21°，最大主应力值为13.76 MPa，最小主应力值为6.30 MPa。地下水类型主要为HCO3--Ca2+型，少量为HCO3--Ca2+·Na+型，主要有Hollin地层及Misahualli地层的基岩裂隙水，主要接受大气降水和侧向径流补给。南部山区向东北部Coca河的侧向径流对工程区的影响较大。

2 事故过程

2.1 施工方案

反井钻机工法开挖共分正钻导孔、反扩导井及人工扩挖一次成形三步。具体施工流程为在上下平洞开挖完成后，在上平段竖井位置使用反井钻机自上而下进行导孔施工，孔径为280 mm，钻进至下平段露出钻头后，卸掉导孔牙轮钻头，更换为反拉扩挖钻头，自下而上进行反拉，扩孔直径为2 134 mm。反扩导井完成后，从上部进行人工爆破开挖，开挖直径7.1 m，利用导井溜渣。此方法出渣方便，可以大大提高施工效率，改善作业环境，尤其在富水地层中具有较大优势。

CCS水电站竖井施工选择芬兰SANDVIK公司研制的RHINO 1088DC新型反井钻机[6]，由主机、电气液压控制柜、电机、液压系统、钻具（钻杆、钻头）等组成。其性能参数为：主机质量16 500 kg，最大推力400 kN，最大拉力4 000 kN，最大（反转/正转）扭矩100/737 kN·m，最大转速60 r/min，最大行程1.97 m，总功率260 kW。

2.2 事故经过

2#竖井导孔于2013年3月27日开始施工，在导孔施工中部分洞段岩体破碎，钻进困难，为避免埋钻，使后续施工顺利，对孔内破碎洞段进行灌浆（见表1），历时70 d，导孔于6月5日贯通，更换钻头后开始向上反拉进行导井施工。在导井施工至6月11日时，导井内突然发生大规模涌水塌方，并于6月12日中午形成第一次堵井，此时扩挖导井192 m。6月19日在下井口采用小药量爆破后，导井疏通，扩挖反井恢复施工。本次塌方体经估算折合自然方约2 866 m3。当恢复施工至6月28日时，导井在扩挖过程中因钻进异常而再次停机，此时完成扩挖268 m。

在停机期间，井内发生多次塌方，其中两次有大量塌方体从井内涌出，并再次形成堵井。7月21日，在水压力和塌方体自身重力作用下，竖井自行疏通。反拉刀盘在竖井塌方中受到冲击损坏，7月22日开始下放刀盘，拟更换刀盘后重新反扩，23日在下放过程中受井内塌方冲击，刀盘和部分钻杆脱落，遗留井内成为障碍。在采取了一系列措施后，井内钻具仍然无法脱困提出，确认反井钻机施工受阻。

3 原因分析

竖井反井钻机导孔和扩井过程中，无法对围岩进行地质编录，确定工程地质条件。主要根据掘进参数的变化、岩渣和返水情况，并结合上下平洞已开挖揭露情况综合对竖井工程地质条件进行评价。

垮落岩渣主要岩性为肉红色流纹岩、灰黑色凝灰岩及少量火山角砾岩，其中流纹岩占较大比例。由此推断，塌方段主要分布在流纹岩地段。根据导孔的施工记录，2#竖井内流纹岩主要发育在1 022.3～999.3、844.3～833.3、813.3～698.3 m三个高程区段内，而且根据钻进记录显示，在高程775.3～826.3 m范围内，钻进推力为110～130 kN，钻机振动剧烈，反渣颗粒粗细不均，局部夹泥，推测该段围岩破碎。

上平段开挖高程为1 169.0～1 207.0 m，全部位于白垩系下统Hollin地层（Kh）内，岩性为黑色页岩及灰白色砂岩，开挖揭露15条断层，规模较小，地下水不发育。下平段开挖高程611.0～630.0 m，出露的地层岩性主要为青灰色Misahualli地层（JKm）的火山凝灰岩，共揭露了14条断层和2条流纹岩岩脉。而从下平段揭露流纹岩脉发育情况来看，其岩体坚硬、完整，与凝灰岩接触带部位较完整。

根据断层和流纹岩脉发育产状组合与塌方位置的关系，推测应是下平段揭露的f46、f47断层与R3流纹岩脉相交，控制高程为751.5～785.0 m，同时与f46、f47断层平行发育的节理密集带大部分倾角较陡，对竖井段的岩体影响比较明显，最终导致在该处施工受阻。

在下平段设置量水堰，对涌水量的监测显示，在不堵塞的情况下，竖井涌水量为400～800 m3/h，最高达1 200 m3/h。涌水量变化随着时间的推移没有明显趋势，因此可以排除岩体内局部富水带的影响，推测应为竖井井壁塌方后，在高水头作用下陡倾岩体破碎带形成了地下水径流通道，受外水补给。

根据以上分析，建立三维地质模型[7]，典型断面如图2所示。

4 补充勘测

CCS水电站两条竖井水平距离约78 m，运行水头近600 m，塌方体空腔的存在会影响工程建设和运行，因此为了确定处理方案，针对性地采用钻探、物探、激光扫描等多种手段对塌方体的发育规模、位置和特点进行补充勘测。

4.1 钻 探

为充分了解2#竖井的地层岩性分布情况和不良地质体的发育情况，同时满足下步方案决策的需求，在上平段竖井附近布置3个钻孔S1、S2、S3（见图3）。S1布置于原2#竖井位置，桩号0+741，为斜孔，倾角70°，倾向下游，孔深100 m;S2在S1钻孔下游35 m位置，即桩号0+776，孔深150 m;S3（拟定的新井位）在S1钻孔下游50 m，即桩号0+791，由反井钻机施工，孔深530 m。

通过对1#竖井、2#竖井老孔、S2、S3以及前期钻孔等地质情况的综合分析可知，流纹岩的分布并不一定是呈类似于放射状分布的，常与凝灰岩、角砾岩等相间分布，同时确定S3钻孔位置适宜作为新竖井位置。

4.2 物 探

考虑到2#竖井塌方体的范围和规模，根据现场地质条件，分别采用大地电磁法在2#竖井地面和面波勘探法从1#竖井孔壁进行探测。

大地电磁法测线布置在2#竖井周围，共6条，点距10 m，竖井正上方附近重点区域加密测点，采用5 m点距，总长度约1 054.1 m，物理点数110个。按电阻率值展布在三维空间中，可以看出，在探测区域内，因地下建筑物众多，隧洞、金属结构密布，故电阻率值呈现不规律的横向变化，总体呈低阻特征，在1#竖井及部分地下隧洞部位表现为明显高阻异常。由三维切片图可以看到，在老2#竖井的西南方向高程770.0～800.0 m范围内有一明显异常高阻体，推测为塌方体。

在1#竖井孔壁780.0～835.0 m高程段采用瞬态面波勘探法测试，总测试长度55 m，测试结果如图4所示。

由图4可以看出，在浅部0～4 m横波速度普遍偏低，为1.4～2.0 km/s，推测是表面裂隙发育所致，深部新鲜岩体横波速度在2.2 km/s以上。在竖井高程782.0～796.0 m、深度8～11 m的横波速度低于2.0 km/s，为速度异常偏低区，推测此处为低速破碎带区域。

4.3 孔内扫描

物探方法只能查明塌方体的大致位置，无法对其规模进行精确探测。因此，为了查明塌方井内空腔的分布及规模，对老2#竖井进行了激光扫描探测。

本次探测采用英国MDL公司生产的机器人激光勘查系统，全称为“空腔自动扫描激光系统（CavityAuto scanning Laser System，C-ALS）”。该系统能够通过孔洞插入到塌方体空腔内部，快速而安全地勘查塌方体内部情况。探测成果如图5～6所示。经探测，空腔主要位于高程804.0～834.0 m，整个空腔呈现南北方向展布，整体滑动方向由西向东，上下两端面积较小，中间位置面积较大，空腔最大直径约为18 m，形状较为复杂，整个空腔体积约4 136 m3。

4.4 地下水示踪试验

为了查明地下水的补给来源，在部分地段进行了地下水示踪试验。试验结果显示，孔内涌水与调蓄水库没有水力联系，推测孔内富水带补给区与竖井区域之间的距离较远。根据区域地形，推测地下水补给来源方向为压力管道西南侧高山区。

5 处理措施

2#竖井老孔导孔发生涌水塌方后，在其内部产生了一个巨大的空腔，塌方体由SW向NE滑塌，其造成的空腔总体积约4 136 m3，对工程的安全运行将造成很大影响，对其采取了如下处理措施。

（1）综合考虑已查明地质条件，尽量避开不良地质体，将新井位选择在原2#竖井下游，原2#竖井充当排水通道，便于新井位施工。

（2）在S3导孔施工过程中，及时记录钻机推进力、扭矩、返渣、回水情况，并据此分析工程地质条件，对工程地质条件较差洞段进行固结灌浆。在扩井前对S3钻孔进行全孔纯压式灌浆。

（3）在新竖井人工扩挖过程中，在竖井906.00 m高程开挖与2#老竖井连接的平洞M9支洞，通过M9支洞对老竖井回填自密实混凝土，对顶部回填困难区域采用模袋混凝土填充，以保證空腔回填饱满密实。

（4）竖井固结灌浆采用高压固结灌浆，灌浆孔深度5～6 m，每环孔数11个，灌浆圈排距均为2.5 m。

（5）在新竖井内布置监测仪器对洞内围岩稳定性和渗流场变化情况进行监测。

6 结 语

CCS水电站2#竖井塌孔事故主要受断层发育和高压水头影响。在反井钻机施工遭遇塌孔事故后，对造成塌孔事故的原因及时分析研判，并采取了多种手段查明空腔发育情况、周边工程地质条件，制定了相应的处理方案。CCS水电站2#竖井经过处理后，各项监测数据稳定，目前已实现通水发电，运行良好。

竖井作为地下建筑物，地质条件复杂多变，在正向导孔施工过程中，要密切关注掘进参数、返出岩渣等的变化，及时评判围岩条件，对不良地质洞段提前采取措施进行处理，避免工程地质条件进一步恶化。同时，对竖井附近建筑物已开挖洞段的详细地质编录有助于分析竖井工程地质条件。

参考文献：

[1] 阮周宁.水电站高竖井开挖施工技术[J].吉林水利，2007（12）：55-56.

[2] 刘大贵，谢新志，周松.构皮滩水电站通风竖井开挖支护技术综述[J].贵州水力发电，2006，20（3）：27-29.

[3] 段汝健，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）：70-72.

[4] 钱永平，王仕虎.反井钻机在惠州抽水蓄能电站长斜井导井施工中的应用[C]//中国水力发电工程学会.抽水蓄能电站工程建设文集2011.北京：中国水力发电工程学会，2011：331-333.

[5] Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.. The Basic Design Report of Coca-Codo Sinclair Hydroelectric Project[R].Zhengzhou：Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.，2011：5-22.

[6] 魏斌，娄国川，郭卫新，等.反井钻机法导井施工中的风险分析及应对措施研究[J].资源环境与工程，2017，31（4）：489-492.

[7] 张卓元，王士天，王兰生，等.工程地质分析原理[M].北京：地质出版社，1994：410-412.

【责任编辑 张华岩】