不良地质条件下深竖井严重堵井处理技术研究

张宏山

（中国葛洲坝集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000）

1 工程概况

某水电站项目位于巴基斯坦北部开伯尔-普赫图赫瓦省（KPK）的曼瑟拉地区，距离伊斯兰堡约256km，距离尼鲁姆-杰卢姆水电站107km。该项目为长隧洞引水式发电站，引水隧洞长为22.618km，最大静水头922.72m，共安装4 台单机容量为221MW 的冲击式水轮发电机组，总装机容量约为884MW。工程主要建筑物包括：沥青混凝土心墙堆石坝、溢洪道、取水口、引水隧洞、调压井、压力竖井、地下厂房、主变室、尾水洞、厂房交通洞等。

其中，压力竖井群位于调压竖井和厂房机组进水球阀之间，压力钢管段为双线洞，每条压力钢管由3 个竖井和4 个平洞段组成（第四压力平洞段含压力岔管段），竖井段为圆型断面，根据围岩等级不同，开挖直径4.74～5.18m，水平段为马蹄形断面，成型尺寸4.52m×5.6m（宽×高）。第一级压力竖井深204.54m，第二级压力竖井深181.24m，第三级压力竖井深256.65m；第一平洞段长324.28m，坡比10%，第二平洞段长343.24m，坡比10%，第三平洞段长433.69m，坡比10%；PS1 压力钢管第四平洞段长71.6m，PS2 压力钢管第四平洞段长105.32m，第四平洞段设置“Y”型岔管，一管变两管，最终进入发电厂房。具体见图1。

图1 坚井系统三维布置示意图

2 工程地质

压力竖井区域岩性主要为变质玄武岩和绿泥石片岩，围岩主要为微风化-新鲜，洞室围岩具中等地应力。根据已开挖揭露的围岩情况，岩石产状大多为NE340～355°∠60～85°，其中变质玄武岩为块状构造，裂隙比较发育，完整性差；绿泥石片岩为较软岩-中硬岩，抗风化能力差，分布较广。围岩完整性总体较差，围岩类别基本以Q4、Q5 类为主，并伴有不利于稳定的组合面。

3 堵井概述

堵井事件发生在第三级压力竖井，堵井部位埋深高程在358-453m，第三级压力竖井PS2，深256.65m，为圆型断面，支护成型直径4.68m，采用BMC300 型反井钻机钻设φ270mm 导孔后，再用φ1.4m 刀盘反拉成溜渣井。之后，采用人工钻爆，进行扩挖。

此次堵井的原因主要为：一是因当地出渣车司机罢工，下部囤渣较多，未能及时清运而导致井中渣石挤压严实；二是每次喷护后，回弹料清理不彻底，导致回弹料落入井中，形成板结体；三是竖井地质条件差，在溜渣过程中，井壁反复受到冲刷，形成局部垮塌。从而，在上述多重因素影响下，造成了此次堵井。经测量复核，堵塞长度为138.5m。

此次堵井发生后，项目部邀请各级专家进行分析研究，采用不同的处理措施，同时，再加上该地区正处于新冠肺炎疫情高发期，劳务人员大量流失，各类措施推进比较缓慢。最终，历经数月后才得以疏通。

4 堵井处理措施

实际处理过程分为两个阶段。具体措施如下：

第一阶段：预测堵塞严重的位置处于最下部，主要采用下部扰动的思路。具体方法有四种：

（1）方法一：堵塞体底部机械扰动处理

第一步：在导井下部清理出一个集渣坑。

第二步：在反铲铲斗上焊接一节6m 钢管，通过反铲的举升力量，对堵塞体底板进行扰动。

处理结果：采用此方法，仅仅疏通5m 后，因高度受限，无法继续处理，同时发现，底板堵塞体极其密实。

（2）方法二：人工撑杆顶炸药包爆破扰动

第一步：对导井下井口进行加强支护，喷护10cm+随机的3m 锚杆，以防止溜渣时下井口出现垮塌，造成人员设备损伤。

第二步：在下井口利用现有锚杆，设置一个葫芦吊点，用以辅助举升PVC 管。

第三步：采用胶带将5kg 炸药包绑在PVC 管顶部，PVC 管径从上而下由φ25 逐渐至φ150，并利用顶部葫芦配以人工，举升炸药至堵塞体底部。

第四步：采用叉型钢管对撑杆进行辅助导向固定后，撤离人员和设备，通过导爆索引爆炸药包。

第五步：待导孔内渣料稳定后，出渣。清渣排险后对堵塞情况进行核实，如仍未疏通，则重复第一至第四步。

处理结果：采用此方法，累计疏通15m 后，因高度增加，加上导井轴线成“S”型偏移，所以人工撑杆顶炸药包存在安全隐患，故放弃此方法。

（3）方法三：氦气球托举药卷爆破扰动（见图2）

图2 氦气球托举药卷爆破扰动法

第一步：采用直径为1.2m 氦气球，经放升试验检验，按总体托重不大于1.0kg 考虑。

第二步：根据现场实际，采用φ32 乳化炸药，装药0.416～0.832kg（2～3 节）。药卷用胶带与气球绑扎牢固。

第三步：采用细麻绳系氦气球底端，缓慢放升，待药卷贴住堵塞部位底端，稳定后，安排人员撤离，准备起爆。

第四步：爆破前，从竖井上部导井向下少量注水，起到润滑渣料的作用。同时，人员设备撤离至周边支洞安全区域。在人员设备撤离完成后，由专业人员引爆。

第五步：待导孔内渣料稳定后，出渣。清渣排险后对堵塞情况进行核实，如仍未疏通，则重复第一至第四步。

处理情况：采用此方法，每次爆破后，掉落的渣料大约0.2 方；在连续实施10 多个循环后，受上部渗水较大，加之浮力不足影响，气球吸附在井壁，无法上浮，此方法被迫停止。

（4）方法四：堵井导井底部打斜孔装炸药爆破扰动

主要思路是，经过上述几种方法处理后，剩余堵塞长度为117m。计划通过井底下平洞打斜孔至堵塞体内，装炸药爆破扰动堵塞体。但此方法需确保下部人员机具安全。

第一步：编织袋内装沙土，在下部压力下弯段起坡点砌筑高度不低于3m，厚度不低于2m 的挡渣坎（如图3 所示），防止打钻过程中，因扰动引发堵塞体渣料下落，从而确保挡渣坎后方人员设备安全。

图3 堵井底部打斜孔装炸药爆破扰动法

第二步：采用锚索钻机钻孔，孔径φ110，在竖井中心下游侧15m 位置开孔，钻设角度上扬64°，钻设深度35.4m，钻设至堵塞段下部5m 处。钻孔过程中需要控制钻速，确保钻孔精度控制在1%以内。

第三步：利用高压风/水对孔底进行冲洗，其目的一是尝试高压风/水是否可以疏通孔内下部5m 范围内渣料，二是起到清孔的作用，确保炸药能装入导井堵塞体范围内。

第四步：根据上述参数钻孔后，理论上导井内有效长度可达3.0m，为避免过度爆破造成井壁坍塌，采用φ50 乳化炸药，装药2.08～3.12kg（2～3 节）。使用PVC 管顶装炸药，确保装入深度达到32.5m，采用1m 炮泥堵孔，炮泥装入深度需确保31.5m。

第五步：爆破前，竖井下部人员设备撤离至周边支洞安全区域。在人员设备撤离完成后，由专业人员进行引爆。

第六步：待导孔内渣料稳定后出渣。视疏通效果，再决定是否重复上述步骤。

处理情况：首次装炸药爆破后，几乎无渣料落下，经分析，认为下部渣体受到上部落渣不断夯实，板结密室，爆破效果差。若是加大炸药量，可能在堵塞体未得到处理的情况下，对周边井壁造成二次伤害，造成进一步垮塌。此方法放弃。

第二阶段：鉴于下部扰动无法疏通，采用自上而下的疏通的思路。主要采用两种方法：

（1）方法一：采用地质钻机，自上而下正向跟管钻孔，成孔后反向分段爆破疏通

第一步：钻机就位钻孔。采用XY-2 型地质钻机钻孔，孔径φ75，钻机布置于竖井上部扩挖段底部。

第二步：先下放跟管至堵塞部位，之后开始钻孔。钻孔过程中需要控制钻速，确保钻孔精度。钻孔过程如出现卡钻现象则立即拔出钻杆，重新钻孔。

第三步：钻孔贯通后，从跟管中间穿细钢丝绳，钢丝绳一端系于上部扩挖段锚杆或插筋上，另一端放至竖井下平洞。

第四步：利用钢丝绳牵引装药至堵塞段底部，由下至上分段爆破疏通。爆破前，人员设备撤离至安全区域。在人员设备撤离完成后，由专业人员引爆。

第五步：检查及清渣。待导孔内渣料稳定后，进行导井下部出渣。清渣排险后对堵塞情况进行核实，如仍未疏通，则重复第四和第五步。根据现场实际情况，可能需经由多次爆破，最终确保竖井导井疏通成功。

处理结果：在钻进过程中，遇到了较完整的坚硬的块石，在跟进套管时，因钻头为73mm，跟管为110mm，岩石坚硬，导致套管无法跟进，再加上上部70 多米的跟管处于悬空状态，在上部受到锤击力后，最下部丝口套接处摆动幅度过大，发生套管断裂，此方法被迫放弃。

（2）方法二：反井钻机疏通法

第一步：施工准备。一是将扩挖掌子面所有工机具清理出井外。人工将场地进行平整。二是在导井井口周围使用3000Psi 混凝土对称浇筑两个墩柱形成反井钻机平台基础，尺寸4m×1.0m×0.5m（长×宽×高），墩柱中心距下钻点2.0m。每个基础下预埋铁板凳和5 根φ25 插筋，长度2.5m，间距0.9m，入岩2.0m，外露0.5m 焊接于预埋的铁板凳上。

第二部：考虑到反井钻机自重及钻杆重量，钻机平台采用8 根30C 工字钢制作而成，井口两根间距30cm，其余工字钢间距50cm。平台除预定钻孔孔口周围100cm 外，其余地方需采用10mm 厚钢板满铺，防止杂物掉落。

第三步：将验收合格反井钻机平台吊运至掌子面平台，将平台与基础预埋铁板凳焊接。之后对钻孔孔口周围15cm 外采用10mm 厚钢板满铺。反井钻机安装过程中测量人员需实时跟踪，确保反井钻机安装精度。反井钻机与井口平台采用焊接方式固定。其水平精度与垂直精度误差不得超过0.5%。

第四步：操作平台、水箱、钻杆等根据现场实际情况在合适位置进行安装。

第五步：堵塞体钻孔施工。一是下放钻头至堵塞段。二是当钻头到达堵塞段时，钻头先不旋转，利用压力下压。反复下压上提形成定位孔。开孔时，将反井钻机供水管连接空压机，利用高压风进行吹渣。之后慢速开钻，钻进过程使用清水，只起冷却钻头和润滑作用，水量应严格控制，不宜过大。钻机钻进过程中，由于上部悬空钻杆接长过程较快，但到达堵井位置后，为防止上部钻杆悬空甩段，必须放慢转速，钻机动力头基本不能加压，依靠钻杆自重，慢速研磨堵塞物，当遇到较坚硬岩石时，根据经验需要可适当调整钻进速度并适当增压不超过2MPa，钻进过程中应随时注意钻杆稳定情况，以免发生钻杆偏斜或钻杆断裂。三是钻进过程中采用边钻进边扫孔的方式进行，防止钻杆发生卡钻现象，直至钻杆钻通堵塞体。四是反井钻机钻设前，竖井下部人员、设备必须撤离至安全部位，并将竖井下部安全栏杆关闭，避免人员设备进入。

第六步：如果钻杆钻通后仍有堵塞体未掉落，根据实际情况，一是将钻头下放至井底，安装反拉刀盘，按照每班8m 的速度，拉通堵塞段。二是通过钻杆下放钢丝绳，吊炸药反向分段爆破疏通。

第七步：当堵塞体全部清理完之后，利用门机将反井钻机及施工平台拆除，之后恢复正常扩挖。

处理结果：采用此方法，历经2 个月，堵塞体成功疏通。其中导孔钻穿后，采用反拉刀盘的方式疏通所有堵塞体。主要是考虑到一旦分段爆破，可能会造成二次垮塌后堵井或者钻杆抱死。

5 经验总结

综上所述，此次堵井处理的主要经验总结如下：

一是坚决避免出现严重堵井。每次进行井内溜渣前和溜渣过程中，安排专人在下平洞安全距离外，持对讲机和掌子面扒渣人员保持通讯畅通，一旦导井下口堆渣高度与导井下口距离小于1m，或者上部溜渣时，下部无渣，应及时叫停扒渣作业，避免发生严重堵井。

二是及时清理扩挖喷护料。喷射混凝土施工时，需采取少量多次的喷护方式，尽可能地减少回弹料，同时，喷护作业完成后，应及时清理散落的喷护料，禁止同渣料一起扒入导井内，从而造成板结堵井。

三是优化爆破设计网络。扩挖爆破网络连结时，每一圈爆破孔分2～3 段爆破，每段间隔50ms；同时，合理布置炮孔密度，合理装药，尽量使爆破后的石渣直径不大于30cm；预防大块石堵井和对井壁的冲击。

四是充分发挥地质预判。根据前期井内的摄像和地质揭露情况，对接近断层和破碎带的洞段，扩挖处理需按实际及时调整。

五是扒渣处理需观察细致。扒渣工人需时刻关注导井内风向及气流情况，一旦突变，应马上停止扒渣，避免发生严重的堵井。

六是现场管理需精细组织。尤其是上下联动和及时出渣。

七是处理措施需科学精准。堵井处理方案需因地制宜，对症下药，既要保证安全，又要兼顾进度。

6 结束语

此次堵井处理耗时数月，对总体进度有较大影响。这既是一次深刻的教训，也是一次经验的总结。同时，就上述处理方法，可为其他项目在应对不良地质条件下竖井堵井处理方面，提供了一些借鉴的经验。