浅谈不良地质条件下的竖井开挖及支护施工工艺

沈波

摘 要：巴基斯坦NJ水电站项目的竖井深353.20 m，且地质条件差，属于典型的不良地质条件下的长深度竖井施工，施工过程中，安全和质量控制难度大。文章从施工工艺选择、不良地质条件下的施工原则和施工程序等方面，对NJ水电站项目竖井开挖施工实施过程进行了介绍，供类似工程借鉴。

关键词：不良地质 竖井 开挖 施工工艺

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（b）-0035-02

1 工程概况

巴基斯坦Neelum-Jhelum水电站（N-J水电站）是一座位于巴控克什米尔地区尼鲁姆河上的长隧洞引水式水电站，总装机容量为969 MW。

项目的调压竖井上部与引水调压洞相连，下部与引水洞以一条55 m长的下调压平洞相连。竖井设计开挖断面为圆形，开挖直径10.70 m，上井口高程950.00 m，下井口高程596.80 m，竖井深353.20 m，后期钢筋混凝土全断面衬砌。

竖井围岩绝大部分为砂岩、泥质砂岩和页岩，内含石英石脉，岩层倾向为NW320-350°，倾角为NE45-86°；砂岩一般比较坚硬和新鲜；小规模的断层和层间过渡的泥化夹层较发育，且伴有丰富的地下水。围岩中Ⅱ～Ⅲ类围岩占45%，Ⅳ～Ⅴ类围岩占55%，整体稳定性较差。

2 施工工艺选择

竖井开挖一般采用的方式是先开挖导井，后扩挖至设计断面。主要的导井开挖方法有反井钻机法、爬罐法、吊罐法和普通法等[1]。

由于该项目的围岩整体稳定性较差，竖井断面较大，且竖井深度较大，施工难度大，采用一般施工方式安全隐患较大，经综合考虑该竖井的施工特点及施工要求，决定采用反井钻机法施工导井，选用BMC400型反井钻机，配380 m钻杆，先开挖直径为φ1.65 m的导井，再采用钻爆法自上而下分层将导井扩挖至设计开挖断面，最后采用滑膜自下而上浇注竖井混凝土。

3 开挖支护施工

3.1 不良地质条件下的施工原则

（1）导孔施工过程中，及时采用固壁措施，避免由于岩体破碎塌孔。若遇到100%冲洗水损失时，可能遇到较大的裂隙或断层，及时采用灌浆处理。

（2）为预防塌方，按照“短进尺、弱爆破和强支护”的原则施工，严格控制扩挖循环进尺尺寸，每循环扩挖后必须跟进相应的喷锚支护。

（3）避免爆破出现的大块石堵塞导井，爆破严格遵循“多打孔、少装药和周边光爆”的原则施工，并根据爆破效果及时优化和完善爆破参数，控制爆炸粒径。

3.2 施工程序

该项目竖井施工分3阶段进行：首先采用反井钻机在竖井中心线上开挖一个直径φ1.65 m的导井；再采用钻爆法自上而下分层将导井扩挖至10.70 m设计开挖断面；最后采用滑膜自上而下浇注竖井混凝土。详细施工程序如下。

竖井开挖施工准备→反井钻机基础混凝土施工→反井钻机安装调试→反井钻机施工φ270 mm导孔→反井钻机反扩φ1.65 m导井→竖井扩挖→扩挖提升设备安装→竖井终断面分层扩挖支护施工→竖井施工结束。

（1）竖井开挖施工准备。

竖井开挖前完成调压隧洞下段开挖支护和引水调压连接洞的开挖支护工作；对上井口附近的调压隧洞进行适当扩大并加强支护，对下井口附近的引水调压连接洞围岩采取加强支护；做好调压隧洞的排水工作，在距离竖井50 m左右，设置一个12 m3的集水井；將风、水、电等管线接至竖井上井口附近。

（2）测量放样。

采用全站仪由专业测量人员进行测量，包括竖井中心线、井底高程、设计轮廓线、钻孔孔位和终断面测量等。随着竖井开挖支护深度增加，在井壁每隔20 m设一桩号标志。另通过在竖井上方安装激光准直仪联合重锤控制竖井开挖的中心偏差，扩挖期间用卷尺测量和控制开挖轮廓线。

（3）反井钻机安装调试。

清理竖井上井口的松动岩石后，在井口中心浇注一个长5.4 m、宽2.5 m、厚0.5 m的B级混凝土基础，并预埋固定基座的螺栓。基础混凝土达到一定强度后，安装反井钻机及其附属设施。反井钻机的安装必须确保水平精度，以确保导井精度误差控制在1%以内。

（4）导孔钻进施工。

钻机安装调试就位后，即开始自上而下钻进φ270 mm的导孔。开孔时采用“短钻杆、低轴压、低钻速和间断推进”的方式，配合使用扶杆器扶住钻杆和接入稳定器保证导向精度。距第一个稳定器7～8 m时接入第二个稳定器，随后每隔15～20 m装一个稳定器[2]。钻孔深度达到50 m时开始启用液压减压钻进系统，随钻孔深度的增加，加大减压压力，将施加在钻头上的轴压维持在一个理想值，保持上述方法钻进，直至贯穿连接洞顶拱。

导孔钻进过程中配备满足导井施工精度要求的测斜仪进行测斜，按照反井钻机使用说明中的措施纠偏。

（5）导井施工。

导孔钻通后，换好φ1.65 m扩孔刀头，将扩孔刀头提至欲扩岩面，反复采用“小轴压、低转速和间断推进”方式，直至岩面全部刮平，即所有滚刀均接触岩面后，则按正常拉力扩孔。对导井上口的反井钻机基座混凝土，刀具无法扩挖时，再拆除反井钻机后改用爆破法挖除。

反扩期间落在连接洞底板上的石渣采用3.0 m3侧卸装载机挖装，15 t自卸汽车运输至洞外渣场堆放。

（6）竖井扩挖。

导井开挖支护完成后，将竖井扩挖支护至设计开挖断面。扩挖以导井为中心，采用钻爆法自上而下分层实施：上井口4.5 m深度范围内分3层，每层高度1.5 m；中间段分层，每层高度为2.0 m；距离下井口4～5 m范围内只分1层。扩挖1层必须跟进支护1层。

采用YT28型气腿钻造爆破孔和锚杆孔，孔径为φ42 mm。竖井钻孔爆破遵循“多打孔、少装药和周边光爆”原则，降低大块岩石的产生和保证井壁成型质量。

（7）锁口及提升系统安装。

在竖井扩挖至6～8m深度时，暂停竖井扩挖，对竖井井口浇筑一圈钢筋混凝土进行锁口，避免井口围岩因没有压重而产生松动和滑落。锁口混凝土高度为2.4 m，厚度0.45 m，混凝土等级为C级。

施工材料和机具上下竖井的提升系统在反井钻机拆除后安装，扩挖期间竖井内材料和机具采用集装箱运输。在施工锁口混凝土及等待强度期间，安装人员提升的有轨电梯和人行爬梯。

（8）出渣。

每循环爆破后，竖井内作业平台上的石渣采用0.5 m3反铲扒渣，石渣通过导井落入下部的连接洞内。待竖井内扒渣工作完成，盖上导井井盖，再连接洞内出渣，出渣采用3 m3装载机挖装，15T自卸汽车运输至洞外渣场弃料或有用料场存放。

（9）支护。

清理完开挖面浮石、石渣或堆积物，用高压风水冲洗受喷面后，采用混凝土喷射机对竖井开挖面喷一层5～6 cm厚的混凝土作为初始支护。

竖井扩挖支护锚杆全部采用L=5 m的全注漿非胀壳式锚杆，环向间距为1.2 m，竖向间距为1 m。非胀壳式锚杆施工采用“先注浆后插杆”的施工程序。

在开挖过程中，如遇到较大的裂隙、断层和较大渗水时，及时采用灌浆处理。

（10）混凝土衬砌。

对于竖井下部井身（高度80 m左右）的混凝土衬砌，利用下方的连接洞作为施工通道，采用竖井滑膜配高压砼输送泵机浇筑；对于竖井中上部井身（高度为80 m以上部分）的混凝土衬砌，则利用A8支洞和引水调压洞下段作为施工通道，采用竖井滑模配BOX管浇筑。

4 质量、安全及环保措施

4.1 质量保证措施

（1）严格按设计图纸、设计修改通知及相关技术规范进行施工。

（2）采用先进的测量仪器和科学的测量控制手段，提高测量精度，每次爆破后均进行开挖掘进细部放样。

（3）在开挖过程中，根据围岩变化情况及修正爆破参数，在不良地质竖井段，采用小药量爆破，以确保围岩的稳定。

（4）钻孔严格按照设计钻爆图施工，各钻手分区、分部位定人定位钻孔，每排炮按“平、直、齐”的要求进行检查。

（5）施工过程中及时测绘开挖断面，必要时进行复测，每循环进行测量放样时，均对上一循环开挖断面进行规格检查，并将超欠挖情况及时通知钻爆人员，以便对钻孔角度进行调整，减少超挖，对欠挖部位及时进行处理，确保洞室的开挖尺寸和规格满足设计要求。

（6）支护作业严格按照有关的施工规范、规程进行。锚杆的安装方法，包括钻孔、锚杆固定和注浆工艺，均须经过现场质量人员的检查。

4.2 安全保证措施

（1）为防止洞室坍塌，开挖不良地质段时，按照“先超前支护、短进尺（L≤2.0 m）开挖、弱爆破和一掘一支护”的原则施工，尽量减少对围岩的扰动。

（2）在不良地质竖井段开挖支护施工过程中，必须加强井内作业面的灯光照明。

（3）施工期间，对各部分支护进行定期检查，一旦发现围岩或支护变形异常，及时通知人员设备撤离危险区并及时报告。喷射混凝土层的异常裂缝作为主要安全检查项目，经常进行观察与检查，并作为施工危险信号引起高度警惕。

（4）加强施工现场火工材料管理，严格按规程规范要求从事爆破作业。

（5）定期检查和维护提升机具和设备，确保运行安全可靠。

4.3 环保措施

（1）施工期间，保证施工设备停放整齐有序，施工材料堆放合理，设备性能安全可靠；固体废弃物设置固定堆放点，并安排专人管理；操作人员证件齐全，规范操作。

（2）施工期间，对施工现场道路勤洒水，防止扬尘。

（3）爆破后，确保洞内通风质量，防止各种粉尘、废气等污染施工环境，并采取有效措施减低噪声、振动等污染环境和促进施工人员的身心健康。

5 结语

近年来，随着国内外长隧洞引水式水电站项目的逐步开发建设，竖井的施工也越来越多，其施工工艺也日益成熟，但不良地质情况下的长深度的竖井施工仍是一个难点。随着当前科学技术的日益发达，将现代化科技、高科技含量的施工工艺和施工设备运用到竖井施工中，也是解决不良地质条件下长深度竖井施工的有效方法。

参考文献

[1] 余景波.不良地质条件下反井钻机在竖井开挖中的应用[J].河南水利与南北水调，2015（16）：32-34.

[2] 宋海亮.引水隧洞竖井开挖及支护施工方案[J].技术与市场，2015（12）：165-166.