土石方與導截流工程

傾倒蠕變巖體深豎井快速開挖支護技術

張永崗，楊育禮，何玉虎

（中國水利水電第十四工程局有限公司）

關鍵詞：傾倒蠕變巖體　深豎井　加強支護　設備扒渣　快速施工

1 工程概況

1.1 工程簡介

黃登水電站在主變室右端布置一條出線豎井，下部與主變室連通，上部與出線樓連接，深208.8m，圓形，高程1690.3～1481.5m，開挖直徑10.4m，襯砌后直徑8.5m。

1.2 地質條件

出線豎井巖性為變質火山角礫巖夾變質凝灰巖，豎井井口0～50m段為傾倒蠕變巖體分布區，巖體為強風化、強卸荷、松散破碎、夾泥，以散體結構為主，巖體類別為Ⅴ類；50～58m段為強卸荷帶，順層擠壓面發育的t_j5、斷層f₂₃₀破碎帶及影響帶范圍，巖體較破碎，結構面發育，屬鑲嵌夾碎裂結構，為Ⅳ類圍巖，井壁穩定性差。豎井井口以下58～208m段，為弱風化、卸荷及卸荷巖體，巖體結構類型以次塊狀結構為主，局部鑲嵌結構，節理裂隙發育，圍巖類別為Ⅲ類。

2 施工程序及方法

2.1 施工程序

測量放線→反井鉆機基礎施工→反井鉆機安裝→導孔鉆進→反導井施工→一次擴挖卷揚系統布置→一次擴挖→二次擴挖材料、人員提升系統布置→二次擴挖及支護。

2.2 施工方法

（1）導孔及反導井施工。用全站儀放出豎井軸線位置，然后進行反井鉆機基礎預埋件安裝和混凝土澆筑，強度達到70%時進行反井鉆機安裝及調試。導孔鉆進采用φ216鉆頭自上而下進行，鉆渣用大流量高壓水沖洗從孔口返出。導井鉆穿后，從下部安裝直徑1.4m反井鉆頭，自下而上進行反導井施工。

（2）一次擴挖。在豎井上部設置簡易門型架和卷揚系統，并用直徑1.2m圓形導向吊籠承擔人員、材料、設備的上下運輸，吊籠設置防墜裝置，確保施工人員安全。一次擴挖自下而上沿軸線中心造輻射孔，分段進行爆破開挖，分段長度控制在4m左右，擴挖后形成直徑3.4m溜渣井。

（3）二次擴挖及支護。二次擴挖自上而下分層進行，分層高度：Ⅳ～Ⅴ類圍巖為1.0～1.5m，Ⅱ～Ⅲ類圍巖為2.5～3.0m。二次擴挖采用“鉆孔樣架技術”用手風鉆造垂直孔進行爆破開挖，設計輪廓線進行光面爆破。采用非電雷管微差起爆法爆破。爆破渣料用小反鏟扒渣從一次擴挖形成的導井溜渣至主變室運走。

二次擴挖期間，分別設置載人吊籠、載物吊籠、井蓋和設備吊運三套垂直運輸系統。二次擴挖每完成一個鉆爆開挖循環后及時進行安全支護施工。

3 主要施工技術

3.1 豎井導孔及反導井施工

（1）反井鉆機基礎及泥漿系統施工。確定好豎井中心后，以此為基礎中心，開挖長4m、寬3m、深0.5m的槽子，清基后澆筑鉆機基礎混凝土。在鉆機基礎周圍砌筑3m×2m×1.0m的水池用于導孔鉆進排渣及循環供漿（水）。

（2）供電、供水。反井鉆機電機功率87.5kW，鉆機用高壓泥漿泵90kW，主油泵75kW，副油泵7.5kW，電壓等級為380V，總功率260kW。導孔鉆進需水5～10m³/h，用于循環排渣。冷卻反井鉆機液壓系統，擴孔鉆進需水15m³/h，用于冷卻液壓系統和擴孔鉆頭。

（3）鉆機安裝調試及試運轉。①接通所有電機電源，進行短暫通電，觀察電機轉向；②接通鉆機泵車到操作車、鉆機之間進回油管路；③安裝機械手和轉盤吊；④鉆機調平、找正；⑤安裝下支撐和前后斜拉桿；⑥ 澆地腳螺栓孔；⑦接通冷卻水系統；⑧進行泥漿泵調試，形成水（泥漿）循環系統。

（4）導孔鉆進。導孔鉆進參數主要依據地層條件、鉆進部位等多方面因素確定。一般按表1所示參數施工，在施工時根據不同巖石及地質情況調整。

（5）反導井鉆進。導孔鉆穿后，拆下導孔鉆頭，接上擴孔鉆頭，然后開始緩慢上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速（5～9r/min）旋轉，并慢慢遞進，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞。等刀齒把凸出的巖石破碎掉，鉆頭全部均勻接觸巖石，開始正常進行擴孔鉆進。當鉆頭鉆至距鉆機基礎混凝土2.5m時，降低鉆壓慢速鉆進，慢慢上提擴孔鉆頭，直至鉆頭安全露出地面。

（6）導孔不反水處理。黃登水電站出線豎井開始鉆進導孔內就無返水，先采用常規固壁處理方法，歷經16天，導孔才鉆進18m。后來調整方案：對豎井中心4m直徑范圍基巖進行預固結灌漿，根據傾倒蠕變巖體及強卸荷巖體取灌漿孔深69m，共布置4個孔，其中一孔在導孔中心，另外3個布置在圓周邊線上，中心角120°。灌漿孔采用地質鉆機造孔，自上而下分段孔口封閉法灌漿。孔口2m設置孔口管，鉆孔孔徑φ75。鉆灌分段控制，第1段段長2m，第2段段長3m，第3段及以下段長6m。漿液采用0.5∶1。灌漿壓力：周邊孔0.2MPa，中心孔0.5MPa。注入率不大于1L/min時，繼續灌注15min結束。

在完成灌漿后，重新啟動導孔鉆進。鉆孔到距離井口121m的地方后再次出現不返水情況。將反井鉆鉆桿和鉆頭提出，采用0.5∶1∶1的水泥砂漿灌注，灌注總量為將整個已鉆的導孔灌滿。

出線豎井在導井鉆進過程中先后經歷了一次預固結灌漿和兩次固壁灌漿，有效解決了導孔不返水問題。

3.2 一次擴挖施工

（1）卷揚系統布置。一次擴挖卷揚系統采用10t卷揚機，配一個直徑1.2m導向吊籠用于手風鉆、鉆桿、爆破材料及人員吊運，吊籠設置防掛和防墜裝置。一次擴挖卷揚系統布置見圖1。

（2）一次擴挖鉆孔及爆破。一次擴挖采用YT-28手風鉆自下而上造環向輻射孔，分段造孔爆破開挖。輻射孔間距按照中心角40°均勻布置，每排布置9個孔，排距0.8m，鉆孔下傾10°，孔深1.0m。裝藥長度0.65m，堵塞長度0.35m，單孔裝藥量0.65kg，微差毫秒雷管磁電起爆，分段長度4m。爆破設計參數見表2。

3.3 二次擴挖施工

二次擴挖自上而下分層開挖，采用YT-28手風鉆造豎直孔，輪廓線采用“鉆孔樣架技術”鉆孔、光面爆破，分層開挖高度按Ⅳ～Ⅴ類圍巖1.0～1.5m、Ⅱ～Ⅲ類圍巖3.0m控制。

（1）井口鎖口支護。在二次擴挖前，先進行井口鎖口混凝土和錨筋樁施工。鎖口混凝土厚1.5m，高3.0m，采用C25鋼筋混凝土；錨筋樁沿豎井周邊布置，鉆孔與井壁方向夾角15°向外傾斜，規格L=9.0m，3φ32@2.0m。采用組合鋼模及拉筋加固，泵送及溜槽直接入倉，人工平倉，插入式振搗器振搗。

（2）二次擴挖提升系統設置。二次擴挖期間，在井口上方設置提升系統負責人員、材料、設備及井蓋下井。豎井提升系統包括135kN礦用絞車、龍門架、滑動平臺及軌道、卷揚機（吊井蓋、穩繩、載人吊籠、滑動平臺共4臺）、井蓋、反鏟底座等，在提升系統上部設置雨棚確保雨季施工。出線豎井提升系統布置見圖2、圖3。

（3）二次擴挖施工。豎井二次擴挖采用手風鉆垂直鉆孔分層爆破開挖，周邊孔光面爆破，分層高度據圍巖類別確定，爆破孔布置按照主爆孔間距0.8m、周邊光爆孔間距0.5m進行控制。主爆孔超深0.8m，光爆孔超深0.5m。主爆孔采用φ32藥卷連續裝藥，周邊孔采用φ22藥卷竹片間隔裝藥，孔口用砂袋堵塞。起爆分段采用圓周分段法，爆破孔用非電毫秒雷管起爆網絡。出線豎井二次擴挖鉆孔及爆破設計見圖4，爆破參數見表3。

（4）二次擴挖測量控制。出線豎井擴挖測量采用分段控制法，利用出線平臺、上壩交通洞、新增6#施工支洞、主變室作為通道將豎井測量分為三段。采用垂球吊線定點、鋼尺量距的方法進行測量放樣，超欠挖檢查。分別在上壩交通洞、新增6#施工支洞、主變室使用全站儀測設三維坐標進行規格檢查、斷面復核。采用全站儀測量高程基準點，利用50m鋼尺量取垂直距離計算與基準高程的高差來控制。

3.4 支護施工

3.4.1 出線豎井支護參數

豎井上部井口3φ32@2m×2m，L=9m，偏角15°鎖口錨筋樁；下部井底與主變室交叉口φ32@1.5m×1.5m，L=9m，125kN預應力鎖口錨桿；井筒φ25(28)@2m×2m，L=4.5m(6m)系統錨桿交錯布置；井筒邊墻局部掛φ6.5mm鋼筋網；噴C20素混凝土15cm。

實際施工階段，地質條件發生變化，設計對井筒進行了加強支護調整。調整后支護參數如下：

（1）井口0～3m段：增加3m鎖口鋼筋混凝土，同時將3m范圍內原設計系統錨桿φ25/φ28@2m×2m，L=4.5/6m，調整為3φ32@2m×2m，L=9m錨筋樁。

（2）井口0～10m段：增加環向鋼支撐（采用I20b工字鋼），上5m榀間距為0.5m，下5m榀間距為0.75m，鋼支撐縱向采用［12.6槽鋼連接，間距1.5m。

（3）井口0～50m段：

1）出線豎井采取分層開挖，開挖高度1.2～1.5m。在開挖前井壁周邊向外傾10°～15°鉆孔進行超前預固結灌漿，鉆孔間距2m，孔深3m，分兩序進行，灌漿壓力控制在0.1～0.3MPa。由于圍巖破碎，對下部預固結灌漿參數調整為：孔深3.0m，孔距0.75m，排距3.0m，鉆孔方向沿孔壁外傾10°～15°，預固結灌漿采用水泥砂漿進行，若每孔耗灰量達到500kg時孔口未返漿即結束灌漿。

2）有護壁混凝土段，每隔三排錨桿替換一排錨筋樁3φ32@2m×4.5m（間距×排距），L=9m。

3）豎井采取1.5m一個循環進行護壁處理，如超挖大于30cm的面積小于該循環30%，則采用噴C20混凝土方式支護，噴混凝土面齊平開挖面；如超挖大于30cm的面積超過該循環30%，則采用立模板進行C₂₈20自密實混凝土澆筑，護壁配筋采用單層（環向φ28@200，縱向φ18@200）鋼筋，護壁鋼筋與錨桿及錨筋樁焊接為一整體，確保護壁混凝土的穩定。為了便于下料，每層護壁混凝土厚度上部可比下部厚10cm，形成倒錐形，但不侵占后期0.8m厚混凝土永久襯砌結構。

（4）井口以下53～65m段：首先對出線豎井高程1625～1637m范圍內的松動巖體進行人工清撬，然后掛設φ6.5@0.2m×0.2m鋼筋網，噴C20厚15cm微纖維混凝土。高程1625～1637m，從上壩交通洞口外壁沿順時針方向180°范圍內增加3φ32@1.5m×1.5m、L=9m錨筋樁，安裝前先用0.5∶1的漿液、0.3MPa的壓力對開裂破碎松散的圍巖進行預固結灌漿。待錨筋樁施工完成之后，對同區域掛設GPS2型主動防護網，防止出線豎井繼續下挖時掉塊對下部施工造成安全隱患。

（5）井口以下65～208.5m段：維持原參數，井筒砂漿錨桿φ28/φ25@2m×2m、L=6m/4.5m，梅花形交替布置；噴C20素混凝土，厚0.15m；視情況局部掛φ6.5@0.2m×0.2m鋼筋網。

3.4.2 豎井支護施工

豎井支護施工程序：施工準備→錨桿→掛網→噴混凝土→護壁混凝土→下一循環。

（1）錨桿和錨筋樁施工。4.5m、6m錨桿采用YT-28手風鉆造孔，大于6m錨桿和錨筋樁采用QZJ-100B輕型潛孔鉆造孔，人工在爆渣上安插錨桿，UH4.8注漿機注漿。

普通砂漿錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的施工工藝，大于6m的普通砂漿錨桿或錨筋樁采用“先安裝錨桿后注漿”的施工工藝。

（2）掛網噴微纖維混凝土施工。先噴1層3～5cm厚混凝土后，人工掛鋪鋼筋網，并與錨桿和附加插筋連接牢固，然后進行第2、3層施噴，每層噴厚3～6cm，第4層一般情況下作為復噴。豎井段采用人工在爆渣上或短梯上作業。噴混凝土用6m³攪拌運輸車從拌和樓運輸，溜管溜至工作面，TK500混凝土噴射機施噴。噴微纖維混凝土3～4層，一次噴護到位。

鋼筋網為屈服強度300MPa的光面鋼筋（Ⅰ級鋼筋）或GPS2型主動防護網（4m×5m）；微纖維采用聚丙烯微纖維，其纖維抗拉強度應不小于450MPa、纖維楊氏彈性模量應不小于500MPa、纖維斷裂伸長率不大于25%，微纖維長度14mm，摻量0.9kg/m³。

鋼筋網在鋼筋加工廠編焊，8t載重汽車運至工作面后人工鋪掛。鋼筋網與錨桿焊接牢固，且盡量緊貼初噴面。對有凹陷較大部位，可加設短插筋或膨脹螺桿拉緊鋼筋網。

3.4.3 型鋼拱架施工

型鋼拱架在加工廠分段加工制作，8t載重車運輸至現場，人工安裝。圓弧形工字鋼加工采用自制的工字鋼彎曲機冷彎而成，制作成單元標準件，單元標準件端頭部位焊接連接鋼板，連接鋼板上設置螺栓孔，用于井內現場安裝時的快速連接。單元件上間隔80cm焊接φ38的短鋼管，用于現場安裝時榀與榀之間的連接鋼筋的固定，榀與榀之間的連接鋼筋采用φ25鋼筋。拱架安裝后與系統錨桿或隨機錨桿焊接固定。

3.4.4 護壁混凝土施工

豎井井口以下50m段由于巖石極其破碎，自穩能力差，采用護壁混凝土進行支護，施工程序為：施工準備→鋼筋綁扎→立模→澆筑→拆模→下一循環。護壁混凝土鋼筋在場內加工，8t載重車運至現場人工綁扎，模板采用組合鋼模拉筋加固，混凝土采用攪拌運輸車運至現場、溜管輸送至倉面、人工插入式振搗器振搗。

4 結語

黃登水電站傾倒蠕變巖體內深豎井開挖支護的安全快速施工完成，摸索出了一套適合復雜地質條件下深豎井快速施工的方法，對今后豎井快速施工有一定的借鑒意義。其中設備下井扒渣施工方法的成功使用，具有安全、快速、經濟等特點，大幅度提高豎井二次擴挖施工效率，取得較好的經濟效益和社會效益。施工中積極總結所使用的新技術，申請獲批了“一種中小型斷面豎井下井扒渣裝置”“一種豎井開挖期吊籠穩繩裝置”和“一種豎井一次擴挖導向吊籠”三項實用新型專利。