冲孔钻机在小断面竖井开挖中的应用

汪昱君,张 弦

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

1 工程概况

福州市江北城区山洪防治及生态补水工程东线工程位于福州市晋安区,主要由排洪主隧洞、截洪枢纽和控制闸等组成,截洪枢纽通过排洪支洞和排洪主隧洞连接,排洪支洞设有排气竖井进行消能。其中,东山排气竖井断面小,直径1.6 m,深61.34 m,基本位于弱风化凝灰熔岩中,紧靠晋安区东山中学和苗圃办公楼,工程施工中须要考虑对居民区的影响。

东山排气竖井原计划采用钻爆法进行开挖,因紧靠的东山中学和苗圃办公楼产权单位不同意采用爆破工艺。从安全、进度、费用等多方面比选反井钻机、水磨钻[1]等非爆破开挖方式后,结合东山排气竖井直径、冲孔钻机岩石地层施工经验,决定在竖井开挖中应用冲孔钻机直接冲孔成井施工工艺。

2 冲孔钻机开挖施工技术

2.1 工艺流程

冲孔钻机在东山小断面[2]竖井开挖中针对竖井地层情况,分为竖井土层段人工开挖支护、竖井岩石层段冲孔钻机冲孔开挖。

⑴竖井土层段:采用正井法[3]自上而下进行开挖;

⑵竖井岩石层段:采用CK2000冲孔钻机按照井口桩基平台场地→泥浆制备→安装机械并定位→冲孔成井流程进行开挖,渣料通过泥浆循环带出孔外。

结合土层和岩石层开挖情况,冲孔钻机小断面竖井冲击成井施工工艺流程见图1所示。

图1 小断面竖井冲孔钻机开挖施工工艺流程

2.2 操作要点

2.2.1 井口场地平整

采用挖机将排气竖井井口场地平整,并预备好冲孔钻机泥浆池,施工所需手风钻、焊机、锚杆等施工机械和材料等。

2.2.2 正井法土层开挖及锁定

(1)采用人工挖掘表土,碎块石采用电钻打眼破碎,人工转运至井外,竖井全断面一次开挖成形,并开挖一层支护一层。竖井2.0 m锁口段开挖完成后,按照设计图纸进行锁口段井身及井口平台底板钢筋制安及C30混凝土浇筑,锁定竖井井口。

(2)土层段按照开挖一层支护一层衬砌一层的原则进行开挖。开挖一层后采用YT-28手风钻进行锚杆钻孔施工,完成竖井井身段拱架架立及锁定,随即进行初期支护;初期支护完成后进行井身段混凝土浇筑。

(3)每层井身段混凝土浇筑完成后,采用洒水养护;洒水养护时间安排在单层土层开挖完成后。

(4)待开挖至岩石层后,停止开挖并准备冲孔钻机设备;因土层段已通过衬砌混凝土锁定,不用在下钢护筒护壁,在井身段混凝土强度达到设计强度的70%时开始岩层段冲孔施工。

2.2.3 井口桩基平台平整

采用挖机按照井口锁定后的高程进行桩基平台平整,非混凝土部位的桩基平台采用隧洞渣料夯填平整,平整后的装机平台周边设置截排水沟,以保证下雨天气可继续进行竖井成孔施工。

2.2.4 安装机械并定位

(1)钻机就位。在平整好的桩基平台上放置横向枕木,将钻机平整、稳固地安放在枕木上,确保竖井冲孔钻机施工中不移位、不倾斜,将钻架调整和安设好,将钻头吊起放置在竖井井口中心点上方。

(2)钻机定位。钻机安置就位后,按照竖井中心和冲孔钻机钻头中心垂直度偏差不允许大于1%进行钻头中心控制,以保证冲孔钻机钻头沿着竖井中心垂线方向进行钻孔成井作业。

2.2.5 泥浆制备

(1)就近布置泥浆池,泥浆池壁铺设土工膜以防止水分流失,采用粘土造浆。制浆前,先把粘土尽量打碎,使其在搅拌中容易成浆。

(2)泥浆按照新制泥浆→泥浆池→竖井井内注泥浆→竖井冲孔→泥浆槽→泥浆沉淀池→泥浆池→竖井井内注泥浆→竖井冲孔流程循环。

(3)从桩内循环出来的泥浆采用筛分网筛除碎石渣料后,通过添加粘土量再循环利用。筛除的碎石渣料和钻孔弃渣晾晒后用于场内回填。

2.2.6 冲孔成井

(1)冲孔前在竖井内单独加部分粘土,增加竖井土层段泥浆含量,减少冲锤对土层段井壁的影响。

(2)岩石段冲孔前再次对好中线及垂直度,保证竖井冲孔的垂直度;钻孔时采用小冲程,在竖井岩石段成孔3 m以后,逐渐加大冲程;钻孔过程中,在孔底岩石碎渣沉积较厚时采用掏渣筒掏渣。

(3)冲锤离竖井和平洞交接点3 m时,竖井底部平洞段停止作业,采用小冲程锤击,并在底部设置泥浆接收池,接收竖井冲孔贯通后流入平洞段的泥浆,防止泥浆在洞内溢流,泥浆运至指定接收点倾泄。

(4)每班竖井冲孔作业后,对冲击钻钻头磨损情况进行检查,当钻头齿牙磨损严重时,及时进行钻头齿牙更换;当钻头直径磨损超过1.5cm时,立即进行钻头修补。现场准备好备用钻头,以便施工钻头修补和齿牙更换时可以继续进行冲孔作业。

2.3 资源配置

冲孔钻机竖井直接冲孔成井设备和人员配置情况见表1、表2。

表1 主要设备

表2 劳动力组织

2.4 技术特点

冲孔钻机在小断面竖井开挖中直接应用,主要特点如下:

(1)针对竖井土、石地质情况,在竖井土层段采用正井法自上而下进行开挖,并锁定井口,支护土层段,替代了冲孔钻机护筒;竖井岩石层段采用CK2000冲孔钻机按照井口桩基平台场地→泥浆制备→安装机械并定位→冲孔成井,渣料通过泥浆循环带出孔外,少数由掏渣筒掏渣。

(2)竖井岩石段可直接一次冲击成孔,施工期间不用考虑竖井通风排水。

3 控制措施

3.1 质量控制措施

(1)每钻进10 m采用测斜仪测斜一次,钻孔倾斜率控制在1.5%/100 m以内。若发现出现倾斜,立即往孔内填入坚硬片石,采用低锤快击方式在锤头底部形成一个较紧密的平台后,再提高锤头正常冲击加快速度,待恢复垂直度后再继续进行冲孔施工。

(2)每班冲孔作业后,及时进行孔底沉渣清掏。

(3)经常对冲孔钻机进行垂直度检查[4],检查基座偏移情况,发现偏斜及时调整。

3.2 安全保证措施

(1)在竖井冲孔施工全过程中,严格执行有关机械的安全操作规程,加强钢丝绳、电机等设备检查和维修保养。

(2)钻机枕木要填实,保证施工时机械不倾斜、不倾倒。

(3)钻机冲孔期间,竖井井口设置护栏,防止跌入孔中。

(4)竖井下方平洞要进行经常性监测,发现渗漏等情况时要及时汇报,及时封堵渗漏通道。

(5)竖井距离下方平洞15 m时,下方平洞停止施工作业,开挖泥浆沉降接收池。

4 结语

目前,福州市江北城区山洪防治及生态补水工程东线工程东山排气竖井已顺利贯通,冲孔钻机直接冲孔成井经总结具有以下特点和优势:

(1)采用人工开挖锁定竖井土层结构替代冲孔钻机护筒,为冲孔钻机竖井岩石层施工创造条件。

(2)采用冲孔钻机直接在竖井岩石层钻孔,自上而下一次全断面成井,相比钻爆法工艺可避免爆破环境及材料管控影响,有效降低爆破材料和协调等成本;相比反井钻机工艺可有效减低设备进出场摊销,节约施工成本;相比水磨钻施工更加高效和安全。

(3)竖井开挖渣料通过泥浆循环带出孔外,少数由掏渣筒掏渣;竖井渣料通过晾晒后可用于工程墙背回填,降低渣料弃置成本。