上塔马克西项目竖井开挖施工技术及质量控制

赵景飞

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

1 工程概况

上塔马克西项目是一项以发电为主的径流引水式水电枢纽工程，无防洪调节库容。主要枢纽建筑物有拦河闸坝、沉沙池、引水隧洞、调压井、压力管道、电站厂房、升压开关站及送出工程等。其中引水系统出口为254.661 m 长的高压引水道，由上平洞段、竖井段、下平洞段、压力钢管主管及支管段组成。

竖井属于高压管道一部分，设计直径5.6 m，衬砌后直径为4.6 m，井深100.20 m。

根据招标文件提供的相关地质资料显示，高压管道跌水竖井和下平段为石英岩(Qu)，岩体以弱风化为主，岩性界线位于跌水竖井上弯段。云母片岩强度较低，属较软岩；石英岩具有较高的强度，属坚硬岩。岩层走向N50°～70°W、NE∠20°～25°，对跌水竖井下游侧壁的围岩稳定不利。

根据高压管道围岩的地层岩性、结构面发育状态、钻孔岩芯破碎程度及地下水情况等初步确定跌水竖井围岩类别为Ⅲ类。

2 施工准备

2.1 施工用风

竖井施工用风量较小，拟由布置在引水隧洞2#支洞洞口的空压机站供给，站内配置27 m3/min 油动空压机各2 台。在井身内选用ø75 的钢管作为主供风管，风管紧贴井壁布设并固定牢固，在距掌子面30 m 左右时采用高压软管连接，端头设小型风包。

井内通风：人员进入井内进行扩挖施工时，导井已经贯通，因此井内通风采用自然通风法即可满足要求，不再另外考虑通风设施。

2.2 施工用水

施工用水主要为反井钻机钻井、扩挖钻孔及支护用水，用水量较小。反井钻机施工期间，在井口附近设一10 m3的生产水池，水源取自引水隧洞（2#支洞控制段）供水系统。井身扩挖时，自2#支洞工作面的供水系统，敷设一道供水支管至压力竖井用水工作面，供水管为ø50 钢管。

2.3 施工用电及道路

施工用电主要包括反井钻机、空压机、卷扬机、施工供水与照明等，施工用电拟由布置在引水隧洞2# 支洞洞口的2 台350 kV·A 的柴油发电机组供给。

现2#支洞施工道路满足施工需要，使用期间安排专人进行道路的养护。

3 施工规划

3.1 竖井开挖

竖井开挖计划采用导井法施工，先利用ZFY2.5/200 型反井钻机自上而下钻一直径为250 mm 的导孔，再自下而上反扩形成直径1.4 m 的导井，最后采用YT-28 型手风钻自上而下分层钻爆扩挖至设计开挖断面，设计开挖轮廓线采用光面爆破技术进行控制。开挖石渣自导井溜至井底后，通过3#支洞进行出渣。

3.2 初期支护

根据提供的地质条件进行分析，竖井段围岩为III 类，视开挖后揭露的围岩情况，可采用以下方式进行初期支护：

（1）素喷5 cm 厚C25 混凝土，根据需要局部布置随机锚杆，锚杆规格Φ25，长度3 m。

（2）C25 混凝土锚喷支护，厚度10 cm，系统锚杆采用Φ22钢筋，单根长度为2 m，间排距2 m，挂网钢筋Φ6@200 mm×200 mm。

（3）局部不良地质段采用钢拱架支护：拱架采用I16 工字钢，间距50 cm～100 cm；固定锚杆采用Φ25 钢筋，长度3 m，间距1.5 m，沿拱架两侧交错布置；钢拱架外侧（贴岩面侧）挂ø6@200 mm×200 mm 钢筋网；喷混凝土标号C25。

4 施工技术

4.1 导井施工

4.1.1 施工流程

导井施工主要流程见图1。

图1 导井施工主要流程图

4.1.2 导井施工技术

（1）反井钻机平台

以竖井轴线为中心，开挖4 m×4 m×0.8 m(长×宽×深)的基础，浇筑厚度1 m 的混凝土作为反井钻机的基础，基础顶面高出施工平面0.2 m，C20 混凝土浇筑，浇筑前预埋钻机固定地脚螺栓。钻机在钻进过程中产生大量的热，需要在井口处布置一套冷却系统。该冷却系统采用循环方式，主要由洗井泵、水池、排水沟组成。

（2）钻机安装、调试

钻机安装在竖井中心部位，主机起钻孔口与井中心线延长线相吻合，操作车、泵车依次停放在一条直线上，操作车距起钻孔口大约有2 m 的安全距离。钻机由专业施工中队在施工现场进行组装，并调试。

（3）测量定位

钻机安装前进行定位，放出竖井中心线位置。钻机安装调试完成后，对钻机安装位置进行校核，再次检查、准确定位，以保证导孔、导井准确布置在竖井中心线上。

（4）先导孔钻孔

使用ZFY2.5/200 型反井钻机自上而下钻一直径为250 mm 的导孔，开孔钻进时，利用开孔扶正器和开孔钻杆配合，在孔深3 m 以内慢速开孔正常钻进时，钻压控制在8 MPa～10 MPa，导孔洗井液排渣采用正循环，每钻完一根钻杆认真洗井1 min～2 min，随着钻井深度加大，适当延长冲洗时间，以避免发生抱钻、堵钻事故。为有效控制偏斜率，钻进中使用稳定器。稳定器在短接钻杆后就要用一根，按开孔方案进行。

（5）导井扩孔钻头安装、扩孔

当导孔按设计完成后，在下部平洞内卸下ø250 mm 的钻头，换上ø1400 mm 的扩孔钻头，自下向上将ø250 mm 的导孔扩大为ø1400 mm 的导井。

在扩孔前应将孔周围直径范围以内的岩面找平，开始扩孔及终孔时宜采用低压慢速提钻，主泵压力在4 MPa～7 MPa，副泵压力在6 MPa～8 MPa；当扩孔器完全进入岩层后即可进行正常扩孔。根据岩石软硬，主泵和副泵的压力在10 MPa～18 MPa范围内匹配。扩孔中在刀刃接触岩面时，严禁使马达反转。发生卡钻时，应立即反向推进，使刀刃脱离岩面。

4.2 竖井扩挖施工技术

4.2.1 开挖

竖井扩挖拟采用YT-28 型手风钻钻孔自上而下分段进行爆破开挖，周边轮廓线采用光面爆破技术进行控制。根据以往在类似工程中的施工经验，在实际竖井扩挖施工中，为避免爆破溜渣时将导井“堵死”，钻爆扩挖时遵循“多钻孔、均装药、高单耗、低单响、短进尺”的施工原则。在竖井开挖的初始阶段制定合理的爆破参数，具体参数见表1。施工前在现场进行生产性爆破试验，对爆破参数进行适当优化以保证与工程实际相适应。在竖井开挖爆破过程中，还要根据围岩的地质条件的不同，不断调整爆破参数，用以取得经济合理安全的爆破参数，保证施工的顺利进行。

表1 竖井扩挖初爆破参数表

竖井扩挖时工作面爆渣采用人工扒渣。为了提高人工扒渣效率，缩短工序时间，进而加快施工进度，每次扩挖钻孔时，自周边孔向竖井中心的每排炮孔孔底高程依次低于30 cm，以便爆破后向导井方向形成斜坡面，以便人工扒渣。爆破后洞渣经人工扒渣通过导井溜至下方平洞后，再由装载机配合自卸汽车运出洞外并弃运至指定渣场。

4.2.2 支护

（1）锚杆施工

1）采用“先注浆、后插锚杆”的施工工艺，工艺流程图见图2。

图2 锚杆施工工艺流程图

2）锚杆施工要点

在锚杆钻孔施工过程中，要严格按照设计图纸布置锚杆位置，锚杆采用Φ25 的精轧螺纹钢筋，纵横向间距为100 cm，孔深为300 cm，孔距偏差不大于15 cm，孔深偏差不大于5 cm，钻孔轴线与设计轴线的偏差不大于3%。根据现场的实际情况和设计文件要求，选用YT-28 型手风钻能够满足孔径要求。

锚杆成孔后，要及时进行清孔。本工程中采用高压风枪将浮尘吹去，再用高压水枪进行清洗，直到钻孔内钻渣浮尘清理干净，得到监理单位检验后方为合格。

根据试验室出具的砂浆配合比报告在现场进行砂浆拌制，砂浆设计强度为M30，配合比为0.46。本工程采用容积为350 L 的强制式搅拌机拌制，水泥采用等同于P.O.42.5 普通硅酸盐水泥级别的当地水泥，细集料的最大粒径不超过2.5 mm，保证每批使用前都进行过筛。砂浆配合比要在试验室进行专门设计，进行验证，以保证锚杆的拉拔强度满足设计要求。在拌制过程中，严格计重投料，拌和时间满足要求，搅拌均匀，随伴随用。

在注浆过程中，采用注浆机将拌制好的砂浆注入锚杆孔内，注浆压力为0.6 MPa，直至全孔注浆饱满。尽量保证每个注浆孔都能连续进行。在注浆前或者中间间歇时间过长，要用稀水泥浆湿润注浆机管路，保证管路通畅。

锚杆在进场后，需要按照相关规定进行力学性能抽检，抽检合格方可使用。在使用前，要检查锚杆是否平直完整，并将表面进行除油除锈。注浆饱满后，人工利用大锤把锚杆插入孔内，锚杆的外露长度一定符合要求，锚杆内端部距离孔底不应少于10 cm。锚杆施工过程中，在砂浆终凝之前不得对安装好的锚杆进行敲击碰撞，防止锚杆发生位移。锚杆全部安装完成后，采用干硬性水泥砂浆进行孔口封堵。

待水泥砂浆养护28 天后，按照1%的抽检频率进行锚杆拉拔试验，锚杆设计锚固力为150 kN,对锚杆施工质量进行检验，抽检不合格者在其所代表的范围内加密抽检比例，并对检测不合格的锚杆重新施工。

（2）喷射混凝土

本工程采用“湿喷法”施工工艺。

1）施工准备

喷射混凝土施工前，施工设备到位，施工实施质量措施计划完善。保证现场通水、通电、通风设备的正常运行，喷射设备及操作人员准备就位。在锚杆检测合格后，利用高压水枪将工作面清洗干净，保证施工结合面的洁净。

2）安装钢筋网

为保证竖井喷射混凝土的整体性和抗裂性，在其表面安装一层Φ6@200 mm×200 mm 钢筋网。钢筋网现场人工绑扎，按间距1 m 左右布置Φ16 插筋，插筋长度50 cm，调整钢筋网紧贴岩面，插筋入岩20 cm。

3）喷射混凝土施工

混凝土混合料在混凝土拌和站集中拌制后，再利用砼罐车运输运至工作面后，卸入喷射机受料斗内，由喷射机配带的计量泵自动加入速凝剂。施工按照分片分层、自下而上、先凹后凸的顺序进行，喷射时喷嘴与岩面大致垂直，距岩面距离控制在60 cm～120 cm。为减少回弹量，不断调整气压，确保喷射混凝土与岩面紧贴。喷射混凝土采用分层喷射，每层控制厚度不大于5 cm，后一层在前一层混凝土终凝后立即进行。

4）喷射混凝土的养护

喷射混凝土终凝2 h 后，应喷水养护，养护时间不得少于7 天；气温低于+5℃时，不得喷水养护。当喷射混凝土周围的空气湿度达到或超过85%时，可自然养护。

（3）钢拱架支护

每榀分为5 节加工，每节两端设端板，用M16 的螺栓连接。钢拱架拟在加工厂用自制工字钢弯曲机，进行弯曲制作，制作前按1∶1 比例放样、加工，运至现场用螺栓连接成榀，根据开挖分段安装固定。

拱架使用锚杆固定，锚杆规格采用Φ25 钢筋，长度3 m，间距1.5 m，沿拱架两侧交错布置。钢拱架之间使用Ф20@1 m 连接筋焊接连接。钢拱架外侧（贴岩面侧）挂Φ6@200 mm×200 mm钢筋网。喷混凝土标号C25。

钢拱架装设在设计断面以外，钢拱架外侧超挖部分，使用同等级的喷砼回填。

5 井内交通布置

竖井内的施工交通主要考虑采用爬梯，爬梯沿着井壁布置，梯步使用Φ20 钢筋，植入岩体内50 cm，梯步宽度50 cm，间距30 cm；护栏使用Φ12 钢筋焊接而成；爬梯每间隔10 m设置一个休息平台，休息平台尺寸1 m×1 m，用Φ12 螺纹钢间排距10 cm 进行网格焊接制作面层，与爬梯连接处焊接牢固，外侧防护栏及平台加固钢筋均利用Φ25 钢筋，间距30 cm布置一道Φ12 连接筋，并挂安全网。

6 重要工序质量控制措施

6.1 导井堵塞预防措施

根据以往类似工程的成功经验，预防导井堵塞的最有效措施是控制爆破粒径和延长微差爆破各段别的间隔时间。

（1）严格控制爆破粒径，确保竖井扩挖爆破后的最大石渣粒径小于导井直径的1/3，即47 cm。

（2）竖井扩挖时遵循“多钻孔、均装药、高单耗、低单响、短进尺”的施工原则，严格控制爆破规模和爆渣粒径，具体参数见竖井扩挖爆破参数设计部分。

（3）严格控制竖井扩挖微差爆破时各段别的间隔时间，确保相邻段别间的微差时间不小于50 ms，必要时每圈爆破孔再细分为2 个～3 个段别微差起爆。

（4）一旦发生导井堵塞时，应立即封锁竖井下部通道，并指派专人值班，暂停竖井工作面的一切施工作业，查明堵塞部位及原因。

（5）导井堵塞处理时，宜采用灌水冲刷法、裸露爆破法；一般情况下不得采用钻孔爆破法，若不得不采取时，必须经过安全论证，并采取可靠的安全防护措施。

6.2 质量保证措施

（1）在竖井开挖施工前，必须按设计要求完成周边排水系统、井口锁口施工。井口地面应设置挡水设施，防止引水平洞内水流入井内。距离井口约50 cm 处设置高度不小于1.2 m 的防护栏杆，栏杆底部30 cm 设置挡脚板。井内利用井盖对导孔进行封闭，井盖主框架用I12 工字钢，间距50 cm，顶部采用Φ25钢筋焊接成钢筋网，网格间距为20 cm，在钢筋网上满铺一层马道板，用铁丝拉紧捆牢。

（2）在扩挖开始前，利用全站仪、线锤等手段进行井顶、井壁的位移和沉降观测。竖井口布置4 个观测点，进行位移和沉降观测；井身段间隔5 m 布置一环观测点，每环四个，进行垂直度观测，直到混凝土衬砌无任何变化时为止。整个施工过程中，通过加大对井身段的安全观测，指导现场支护施工；如果有异常时能及时发现，便于各方及时制定处理措施和应急处理。

（3）严格控制孔深、孔的倾斜角度，尤其是光爆孔更应严加控制，做到“准、齐、平、直”，对于主爆孔应均匀地布设在爆破区域内，控制好孔底高程，保证爆破后开挖成型规则。

（4）锚杆钻孔、注浆及安装过程中，技术人员必须全过程监督旁站，确保每一根锚杆的位置、埋置深度、注浆饱满度满足要求；加强锚杆拉拔试验检测，确保锚杆施工质量。

（5）喷射混凝土施工过程中要随时检查喷层厚度、脱空及富水区分布情况，发现问题及时上报予以解决。

7 结语

本工程水电站竖井开挖于2016 年6 月开工，至2017 年9月完工，共计完成开挖工程量共计2500 m3,混凝土浇筑3000 m3。技术人员从导井施工、竖井开挖、锚杆支护安装、喷射混凝土及井内交通组织布置进行精心部署，在重点工序进行预防控制，保证了竖井开挖的施工质量，取得了预期的效果，也为同类工程的开展提供借鉴的经验。