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天花板水電站復(fù)雜地質(zhì)條件下大直徑大深度調(diào)壓井開挖施工技術(shù)
廣西桂能工程咨詢集團有限公司 岑巨鵬
【摘要】 本文主要介紹了天花板水電站大直徑調(diào)壓井工程的工程特點、施工技術(shù)和施工情況。
【關(guān)鍵詞】天花板水電站、調(diào)壓井、施工。
1．工程概況
1.1 概述
天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的牛欄江天花板峽谷處，為混合式開發(fā)水電站，大壩高度為113 m，總裝機容量為180MW。引水系統(tǒng)沿牛欄江右岸布置，由岸塔式進水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道等組成。調(diào)壓井高77.35m，井徑Φ23m，開挖直徑27m。明挖高度約65米高。此部位設(shè)計院勘探結(jié)果，巖石以IV類為主,部分為Ⅴ類，巖性為弱風化。
1.2 工程地質(zhì)狀況
調(diào)壓井部位為澄江組中厚層至厚層狀巖屑石英砂巖夾中薄層粉砂質(zhì)泥質(zhì)頁巖。巖體受結(jié)構(gòu)面切割，巖體相對破碎，穩(wěn)定性較差。
井口以上邊坡，覆蓋層較厚，邊坡自穩(wěn)性較差，加之為確保井身位置，邊坡設(shè)計較陡（1:0.75～1:0.3），設(shè)計中采取強支護方案加固邊坡。
在豎井中陡傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體具有不穩(wěn)定條件，地下水埋藏較深，井壁自穩(wěn)性差。
1.3 主要設(shè)計情況
1.3.1 后邊坡明挖部分主要設(shè)計情況
后邊坡設(shè)計開口線在EL1164.84m，井口高程EL1100m，最大開挖高度64．84m；邊坡設(shè)置三級馬道，將坡面分為4級，馬道高程分別在EL1150m、EL1135m、EL1120m，寬度2.0m，其中開口線～EL1150～EL1135兩級邊坡設(shè)計坡比為1:0.75，EL1135～EL1120設(shè)計坡比為1:0.5, EL1120～EL1110設(shè)計坡比為1:0.3。
邊坡設(shè)計系統(tǒng)支護為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.1m長Φ22系統(tǒng)錨桿＋網(wǎng)格梁＋φ50系統(tǒng)排水孔，另外第二、三級邊坡設(shè)計隨機錨索56根（100噸級，30米長）。開口線以外、各級馬道和井口外緣設(shè)置截、排水溝。
1.3.2 井身部分主要設(shè)計情況
（1）井口鎖口
井臺高程EL1100m，井口10米高度設(shè)置鎖口鋼筋砼井圈，開挖直徑為27米，一期支護形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋6.5m長Φ25系統(tǒng)錨桿（55根/層）＋φ50系統(tǒng)排水孔＋35cm厚井圈砼。鎖口形成后直徑為26米，隨后進行以下井挖施工。
（2）井身
井身開挖直徑為26.3～26.9m，垂直高度77.35m，一期支護形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.5～6.5m長Φ25系統(tǒng)錨桿＋φ50隨機排水孔。
主要工程量為：井身石方開挖43113 m3，噴砼1000m3，砂漿錨桿2731根，鋼筋制安17.3t。
井身鋼筋砼襯砌厚度為1.8～1.5m，襯砌高度為72.32米，襯砌后直徑為23米。砼工程量為8430m3。
井筒全高設(shè)計系統(tǒng)固接灌漿，入巖深度6米，共計4325米。
2．總體施工思路和施工規(guī)劃
2.1 施工思路
由于該調(diào)壓井開挖直徑大（在國內(nèi)調(diào)壓井中屬于前三名），深度大，地質(zhì)情況比較復(fù)雜，地形陡峭，出碴通道困難，設(shè)備及物資運輸極為不便。為確保調(diào)壓井開挖施工順利、安全，經(jīng)過參建的監(jiān)理、施工、設(shè)計及業(yè)主的工程技術(shù)人員的多次研究討論，形成了如下的施工思路：
2.1.1首先考慮用反井鉆機快速開挖形成直徑1.4 m的導(dǎo)井，對導(dǎo)井不再進行擴挖，直接用做溜渣井，這樣可以節(jié)省溜碴井擴挖的時間以及避免擴挖帶來的安全風險，但這樣很有可能導(dǎo)致導(dǎo)井多次堵塞。為解決這個問題，決定在調(diào)壓井井口EL1100平臺上布置一臺塔式起重機，在導(dǎo)井堵塞無法疏通的情況下，采取正井開挖的方法，用塔機起吊從EL1100平臺出碴，同時塔機也可以吊運各種設(shè)備和物資，并在以后的鋼筋混凝土襯砌中起到關(guān)鍵作用。
2.1.2為確保開挖初期安全穩(wěn)定，在導(dǎo)井施工前，在溜渣井及調(diào)壓井井口一定高度進行超前固結(jié)灌漿措施，對溜渣井固結(jié)10m，調(diào)壓井井口周圍固結(jié)35m，并在調(diào)壓井外邊緣按圓形分布布設(shè)錨筋樁，深入巖層30 m。
2.1.3施工先后順序為：平臺防護擋墻施工→邊坡明挖開挖支護→井口周邊灌漿施工→導(dǎo)孔施工→導(dǎo)井施工→阻抗孔以下砼施工→井身擴挖及一次支護施工。
2.2 施工規(guī)劃
（1）按照由上而下，先明挖、后井挖的順序安排施工。
（2）明挖出渣主要采取卡特320反鏟由上而下甩渣至調(diào)壓井平臺上，分三次倒運至渣場的方案。各類材料由上調(diào)壓井道路運輸和人工倒運的方式運抵工作面。
（3）在導(dǎo)井施工前，對溜渣井進行固結(jié)灌漿10m，調(diào)壓井井口固結(jié)灌漿35m。
（4）用反井鉆機先自上而下形成直徑245mm的先導(dǎo)孔，后自下而上形成直徑1.4m的導(dǎo)井。
（5）井身擴挖施工，采用半副開挖，半副支護的方式，初期支護形式采用格珊拱架或型鋼拱架加網(wǎng)噴等支護措施進行井挖施工，個別巖石較差部位采用倒掛砼施工。
2.3 施工過程簡述
2.3.1 第一階段：平臺防護施工（不詳述）
2.3.2 第二階段，邊坡明挖施工階段（不詳述）
2.3.3 第三階段，井口固結(jié)階段
主要內(nèi)容為井口超前固結(jié)灌漿施工，灌漿深度為35m。同時，把灌漿孔做為錨筋樁孔，插入3*32的錨筋樁，入巖30米，這樣，調(diào)壓井周邊的巖石將得到有力加固，大大減少了調(diào)壓井井壁塌方的風險。
2.3.4 第四階段，反井鉆機及溜渣井施工階段
主要內(nèi)容：反井鉆機鉆進施工、形成反導(dǎo)井，本階段末期具備井身擴挖施工條件。使用LM-200反井鉆機從上而下進行先導(dǎo)孔施工，再自下而上進行擴孔形成直徑1.4m的導(dǎo)井。該階段施工十分順利，導(dǎo)井很快形成。
2.3.5 第五階段，井身開挖施工階段
主要內(nèi)容為：鎖口段開挖及鎖口砼施工、井身擴挖及井身一次支護施工、井口垂直運輸設(shè)備安裝、井身初期支護采用格珊拱架和工字鋼拱架加網(wǎng)噴等支護措施進行井挖施工。
井身開挖直徑為26.3～26.9m，垂直高度77.35米，設(shè)計一期支護形式為15cm厚C20網(wǎng)噴砼＋4.5～6.5m長Φ25系統(tǒng)錨桿＋φ50隨機排水孔。考慮到26米的開挖直徑，近80米的開挖深度，在結(jié)構(gòu)上相當于是一個直立垂直高邊坡，加之本工程調(diào)壓井自身地質(zhì)條件較差，井身四周埋深厚度相差極大（靠河側(cè)最薄2m），無法實現(xiàn)井身自身成拱抵消部分側(cè)壓力。根據(jù)國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，在此地質(zhì)條件下，原設(shè)計支護方式、強度、剛度均略顯偏弱。經(jīng)參建各方討論，初步支護采用工字型鋼拱架加網(wǎng)噴等支護措施進行井挖施工。
2.3.5.1 井口鎖口段開挖和鎖口砼施工
井身擴挖前先對開口線以外巖體進行超前固結(jié)，再進行井口10米高度鎖口施工范圍的開挖，進行系統(tǒng)支護，隨后進行鎖口砼施工。
2.3.5.2 井身擴挖及一次支護
擴挖施工，每個斷面分兩次擴挖。一次擴挖斷面的一半,再進行另一半的擴挖。在井內(nèi)留下一臺液壓反鏟及液壓鉆機，一臺巖石破碎錘，每次擴挖一半時，反鏟及鉆機開到別一半工作面，扒渣與鉆孔可同時進行。擴挖時鉆孔使用液壓鉆和YT-28手風鉆造孔，采用光面（或預(yù)裂）爆破。每次爆破1.5～2m深，爆破完后，進行通風及啞炮處理。再使用反鏟配合人工扒渣至溜渣井內(nèi),從溜渣井內(nèi)滑渣至引水洞內(nèi),然后用裝載機裝車，運至指定渣場。擴挖時嚴格控制裝藥量和周邊孔間距，以免石渣粒徑太大,造成堵井。在每次擴挖、扒渣、初期噴砼及下循環(huán)鉆爆結(jié)束后，進行初期支護施工，采用工字鋼拱架，拱架間距約50～80cm。每榀拱架之間采用Φ25鋼筋連接，間距1m左右，再進行掛網(wǎng)噴砼施工，噴砼厚度與拱架平齊。每層分兩個工作面同時進行，使開挖、初支護錯開施工。
擴挖時嚴格控制裝藥量和周邊孔間距，以免石渣粒徑太大,造成堵井。注意對溜渣井進行臨時封閉保護，避免操作人員誤墜井中，裝藥結(jié)束、點炮前撤去臨時封閉設(shè)施。
擴挖施工，單循環(huán)進尺1.5～2.0m，約需42個循環(huán)，如使用鋼格珊加網(wǎng)噴施工，計劃2~2.5日施工1個循環(huán)，預(yù)計工期96天，平均月下挖進尺25～26米/月。
2.3.5.3 2009年11月下旬，開始進行調(diào)壓井上井口平臺塔機安裝，于12月中投產(chǎn)，擴挖及砼襯砌過程中材料運輸可通過垂直運輸設(shè)備吊運。
石方井挖工藝流程圖
2.3.5.4井身支護施工
為了保證開挖安全，本工程的重點為井身支護工程，待開挖結(jié)束后，立即進行錨噴支護，支護完成后方可進入下循環(huán)開挖鉆爆施工。
擴挖支護，結(jié)合本工程巖石特點，III類圍巖采用系統(tǒng)錨桿及錨噴支護施工。在Ⅳ類圍巖開挖支護時采用工字鋼剛架，剛架間距為0.75m左右。格柵之間采用Φ25焊接成一個整體，連接筋間距擬定于1m左右。其它地方根據(jù)巖石情況，適當調(diào)整鋼架形式或間距。在巖石特別破碎的地段采用自進式錨桿支護，其他部位采用砂漿錨桿支護。支護施工程序為：清理浮石→插筋安裝→掛網(wǎng)→清理巖面→噴射砼、養(yǎng)護→打孔、安裝錨桿或：清理浮石→打孔、安裝錨桿→掛網(wǎng)→安裝格構(gòu)架→清理巖面→噴射砼、養(yǎng)護。
2.3.5.5實際開挖過程
在調(diào)壓井開挖的實施階段，開挖到10m的深度時，導(dǎo)井即因為自身圍巖塌方而堵塞，經(jīng)疏通后不久，又發(fā)生了更大的塌方以至堵塞厚度達20m，經(jīng)現(xiàn)場參建各方工程人員研究后決定采用正挖方案：即采用塔式起重機將石碴從井口吊出，用汽車將棄碴從調(diào)壓井上口運輸至碴場。施工過程中施工單位嚴格按照短進尺、弱爆破、強支護的方針，穩(wěn)扎穩(wěn)打，以每天1m的速度將堵井的20m開挖完成，然后疏通導(dǎo)井，重新采用導(dǎo)井溜碴的方法進行剩下的40m井身開挖，并順利完成整個調(diào)壓井的開挖施工。
3總結(jié)
3.1難點和重點
該項目的難點和重點主要在以下幾個方面:
3.1.1井口的灌漿處理，調(diào)壓井斷面大，高度高，而井的外緣巖體很單薄，整個調(diào)壓井部位巖石比較破碎，因此上部35m的超前固結(jié)灌漿以及井外緣的錨筋樁非常重要，井身開挖前必須做好以上工作。
3.1.2由于直接利用導(dǎo)井做為溜渣井，井徑只有1.4m且井壁未進行支護，從前期用地質(zhì)鉆機進行圍巖類別的試探情況來看，在35m范圍內(nèi)巖石情況較差，經(jīng)常塌孔。因此溜渣井很有可能在開挖過程中塌孔堵塞，且很難疏通。
3.1.3若采用把導(dǎo)井擴挖成直徑3.5m做為溜碴井的施工方法，同樣存在著塌方堵井等許多不確定性，而且工期必定會延長許多，投資亦會增加。
3.1.4開挖過程中井身的圍巖穩(wěn)定直接關(guān)系到整個項目的成敗和施工人員的安全，井挖垂直邊坡近80米，地質(zhì)狀況復(fù)雜，巖石破碎，因此井身支護是保證邊坡和井身穩(wěn)定的關(guān)鍵工序，而支護造孔成孔率是決定整個支護工序的進度與成敗的關(guān)鍵。因此調(diào)壓井開挖施工大量采取自進式錨桿以解決此類地質(zhì)狀況成孔率低、工效低、進度緩慢的弊病，對裸露的巖石開挖面盡快進行了封閉和支護，確保井身圍巖的穩(wěn)定。
3.2成功的原因
在整個調(diào)壓井開挖過程，未出現(xiàn)任何安全事故，工期和質(zhì)量也取得令人滿意的結(jié)果，總結(jié)起來，主要是做到了以下幾點：
（1）針對項目的具體情況制定了嚴密的有針對性的施工方案：超前固結(jié)灌漿，增強了整個開挖部位巖體的穩(wěn)定性，是項目成功的關(guān)鍵之一，而且，在項目運行階段也起到穩(wěn)定圍巖、保證調(diào)壓井安全正常運行的作用。
（2）使用自進式錨桿，加快了支護進度，克服了圍巖破碎、成孔率低的困難。（3）針對巖石傾角傾向井筒，且井口外側(cè)圍巖過薄的情況，在該部位使用了錨筋樁，化解了外側(cè)圍巖滑動和坍塌的隱患。
（4）對一次支護進行了加強。因為巨大的調(diào)壓井開挖后，直立的井壁相當于垂直的邊坡，只有支護完好無損，在拱的作用下，井壁才是安全的，通過加強一次支護，強化了井壁拱的作用，杜絕井壁因局部出現(xiàn)破壞而導(dǎo)致整個調(diào)壓井井壁破壞。
（5）對溜碴井堵井有所預(yù)見，準備了兩套出碴方案。若盲目只靠疏通導(dǎo)井，由于圍巖破碎，不可見因素多，安全和工期都無法保障。
（6）施工時段避開雨季，沒有遇到惡劣的暴雨天氣。尊重自然，充分利用掌握的氣象數(shù)據(jù)，在最有利的氣候條件下進行施工，收到事半功倍的效果。
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