大型水电站竖井开挖与支护施工技术研究

吴衡　祝于森　罗江勇

【摘要】通过对复杂地质条件下大型水电站竖井的开挖与支护施工方法进行研究与实践，探索了竖井的导井法施工、开挖前回填灌浆与开挖中的喷锚支护、钢支撑加强支护，对塌方区域采取模喷、回填浇筑等处理方法，总结出对极其复杂地质条件下的竖井开挖与支护分别采取预固结灌浆、锚喷支护、钢支撑加固以及模喷、回填浇筑的综合施工方法。

【关键词】大型水电站；竖井；开挖；支护；塌方处理

1、前言

某水电站1#竖井段是压力管道的一部分，垂直高度102.2m（EL852.2～EL750.0）。根据施工组织设计，1#竖井采用反井法施工，先打导井，然后自上而下进行井身扩挖施工。在扩挖施工过程中，当全断面扩挖进行到39.1m（即EL810）时，发现了下部有较大规模的塌方，塌方宽度以反导井为中心径向最大半径约9m。经多次研究，最终决定先将井内塌空区用混凝土填满，并预留溜渣通道（预埋PE管），然后再自上而下扩挖。

2、竖井开挖

2.1施工方案选择

竖井施工方式通常可分为两类，即正井法和反井法。正井法是自上而下凿井，最常用的办法是采用手风钻打眼、放炮，强制通风，人工装岩或抓斗抓岩，吊桶出渣；其特点是对于复杂地质条件情况下，便于适时支护，確保安全。正井法开挖施工工艺落后，进度缓慢，且经济效益较差，不满足该水电站工期要求。反井法是先利用正井钻机进行导孔施工，自上而下钻出先导孔，再利用反井钻机自下而上钻出反导井，最后从上至下开挖，利用导井进行通风、排水和出渣。采用反井法施工，能充分利用反井钻机施工小直径钻孔速度快、质量好和钻眼爆破法破岩效率高、出渣快、节省通风和排水设备等特点，实现竖井快速安全施工。反井法具有较正井法机械化程度高、人员投入少、施工进度快、综合经济效益高等优点。经对比论证，1#竖井选择了反井法施工方案。

2.2施工条件分析

1#竖井段开挖与支护是竖井段压力管道部分的一道工序，竖井直径较大、垂直高度达102.2m。施工交通靠上下平洞，条件较差；围岩地质条件复杂多样，施工难度极大。

2.2.1竖井开挖存在的问题

（1）围岩地质条件差

1#竖井段围岩为灰白色中厚层状细晶白云岩、灰色石灰岩，自上而下岩性依次为②、③、④和⑤层，岩性差别较大，地质条件变化较多，以强风化为主；岩体较破碎，裂隙发育，裂隙面见厚5cm～10cm、呈条带状的风化晕，局部充填有2cm～5cm厚的粉土；该段岩溶作用较强，“溶蚀”、“砂化”现象明显，存在溶洞堆积物，其物质多为孤块碎石土，架空现象明显。综合评价：1#竖井段岩体完整性差，呈薄层～互层状结构，多为Ⅲ～Ⅳ类围岩，以Ⅳ类为主，局部为Ⅴ类，极易产生塌方掉块。

（2）安全问题突出

由于1#竖井段较差的围岩条件，加之竖井高度大，工作人员必须进入井内工作面施工，安全问题突出。

（3）先导孔与反导井施工困难

由于1#竖井围岩条件差，先导孔钻孔精度较难控制，钻机施工时容易产生卡钻、掉钻，因此竖井的先导孔钻孔、反导井扩挖成为本工程的关键点和难点。

2.2.2问题的应对措施

针对施工中可能遇到的突出问题，提出应对措施如下：

（1）对破碎岩体采取固结灌浆、锚喷支护、钢支撑加固等措施。

（2）加强安全设施配置，具体包括：井口安全围栏，安全防护罩；竖井内设安全钢梯；加强安全用电系统管理；卷扬机设置安全防溜装置；设置井内通讯设施；及时对开挖面进行喷锚支护。具体措施还包括：制订一整套完整的运行管理制度；统一井内外的信号系统，对进入井内作业人员事先进行教育、学习；控制爆破；持证上岗；对各井口三班倒运行管理人员采用定人、定岗、定责任的三定管理；制订各种危险源辨识和防范措施，对可能发生的事故制定相关的防范措施和应急措施，定期和不定期进行安全检查。

（3）保证钻机安装精度，开孔时采用扶正器；在先导孔钻进过程中及时采取纠偏措施，合理采用钻压和转速、每钻进10m做孔斜检测并进行纠偏等。对反导井施工和扩挖施工中可能遇到的问题亦制定相应的措施对策。

3、竖井支护

竖井井口21m段采用混凝土衬段，井身段的二次支护施工为挂网喷护混凝土施工。在竖井开挖施工时布置的1台10t卷扬机提升系统，现用作挂网钢筋的垂直运输。大吊篮作为主要施工平台，施工时按施工人员的高度确定每次吊篮提升高度。初步拟定为：挂网施工每次提升1.8m～2.0m；喷混施工每次提升1.0m。钢筋网的连接采用在竖井井口布置一台电焊机，对钢筋网现场焊接。混凝土喷护施工采用湿喷机送料，人工喷护。

喷混凝土施工首先清理基础面，采用高压风清扫岩面，再测量放线埋设控制喷射混凝土厚度的标志，验收合格后，按监理审批后的混凝土配合比进行配比；喷浆机放在吊篮上，喷浆料采用自卸汽车进行运输，通过排风竖井洞口制作盛料斗，下接80mm钢管，再接软管至工作面喷射。喷射作业应分段分片进行，喷射顺序自下而上，分段长度一般不超过6m，喷射方向应大致垂直岩面，喷射混凝土顺序应遵循“先下后上，先凹后凸”的原则。喷嘴与受喷面垂直，保持0.6m～1.2m左右的距离；分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝lh后进行喷射，应先用风水清洗喷层表面；并调节喷射角度，以保证钢筋与壁面之间混凝土的密实性。喷射混凝土面应平整，不允许出现鼓皮、割落、局部空洞及流淌等现象。相临区段搭接处必须认真控制，保证搭接处光滑平整、无明显接头痕迹。喷射过程中应保持喷射机工作风压稳定，连续均匀向喷射机供料。完成喷射混凝土作业或因故中断喷射作业时，应将喷射机和输料管内的积料清除干净。喷层终凝2h后喷水或喷雾养护，养护时间不得少于14d。气温低于+5℃不得喷水养护。

4、结束语

综上所述，在竖井深井岩石开挖的过程中，采用反井钻机施工导井，再用人工进行反扩，最后正扩，使开挖的石碴从井中溜下，减少了人工出碴的强度，降低了施工难度。

参考文献：

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