水磨钻开挖施工技术在小断面竖井中的应用

马鹏鹏 卞昱霖 马莅茗

(1.北京金河水务建设集团有限公司，北京 102200；2.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150006；3.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

本文结合福州市江北城区山洪防治及生态补水工程东山截洪枢纽小断面竖井水磨钻开挖施工实践，从导孔施工、锁口混凝土浇筑、水磨钻开挖、石方裂解、出渣等多方面施工工艺入手研究，采用水磨钻“正井法”开挖竖井，通过水磨钻开挖竖井周边岩芯后，人工采用手风钻对剩余岩体钻孔后插入钢楔，再持续锤击钢楔使剩余岩体裂解后，人工配合卷扬机采用吊桶从竖井上部出渣；本项技术具有施工操作方便、施工质量优良、安全性高、开挖速度快、造价低等优点，得到了业主及监理单位的一致认可。

1 工程概况

福州市江北城区山洪防治及生态补水工程东线工程，施工范围为登云水库南控制闸到魁岐出水口，施工线路长11.51km，主要施工内容为隧洞11.25km及魁岐出口连接段258.87m，隧洞开挖洞径7.0～9.2m。主要建筑物有：东线排洪补水主洞(登云水库南控制闸至魁岐出水口)、登云水库南进水口、魁岐出水口、鳝溪控制闸；可溪、东山、鳝溪、埠兴截洪枢纽及排洪支洞；东山补水管道及补水支洞；潭桥、东山、埠兴、魁岐施工支洞及各进出水口、截洪枢纽施工导流等临时工程。该工程具有提高福州市江北城区的排涝标准、改善内河水质双重效益。

东线工程沿排洪主隧洞沿线布置有登云进水口、魁歧出水口及东山、埠兴、可溪、鳝溪四个截洪枢纽等配套设施，进水口及截洪枢纽工程均设计有排洪竖井、排气竖井，与排洪隧洞连接，共计9个竖井；其中，排气竖井直径1.6～2.8m，排洪竖井直径4.3～7.0m，均为圆形断面。因周边建筑物和现场地形条件影响，部分区域竖井开挖不具备爆破及反井钻机施工，经过施工工艺比选，决定采用水磨钻“正井法”开挖施工工艺。

2 技术方法

小断面竖井水磨钻开挖施工技术主要包括导孔通风排水工艺、水磨钻开挖工艺、石方裂解出渣工艺三个方面：“一是竖井通风排水：在竖井水磨钻开挖之前采用潜孔钻机在竖井圆心位置垂直钻孔(直径 10～20cm)至下部平洞”；“二是竖井岩石开挖：人工采用水磨钻沿竖井周边连续布置直径150mm取芯点，芯芯相连，取芯圆应与锁口混凝土内壁相切，依次钻取外周岩芯，使剩余中心岩体四周分别形成环形临空面”；“三是裂解出渣：沿竖井中心横纵向分别采用手风钻钻孔，为便于岩体裂解，钻孔布置应将剩余岩体等分，在手风钻孔道中插入钢楔后人工采用大锤击打直至岩石分裂，岩石裂解后人工装吊桶采用卷扬‘正井法’从竖井上部出渣。”

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程及材料设备

竖井导孔开挖→锁口混凝土施工→卷扬系统安装→水磨钻周边钻芯→中心石方裂解→石方卷扬吊出→下一循环开挖施工。

本项施工技术操作简单，需用以下材料设备：挖掘机(破碎锤)、潜孔钻机、水磨钻、手风钻、卷扬机、吊桶等。

3.2 施工操作要点

3.2.1 竖井导孔开挖

为防止后期竖井开挖过程中井内发生积水及井内通风困难的情况，在竖井中心采用潜孔钻机钻10～20cm孔至下部平洞。潜孔钻机一般采用履带式，为方便潜孔钻机开往竖井处并顺利钻孔，钻孔前应采用挖掘机平整竖井处场地。待潜孔钻机到位后，将钻具钻杆安装完成，并将钻机与空压机连接后，安排测量人员对放样出的导孔孔位再次进行检查确认，确认导孔位置无误后方可进行后续施工。一切准备就绪后，开始进行潜孔钻机钻孔施工，钻孔过程中应确保施工场地平整，潜孔钻机机身稳定无晃动，并安排专人指挥。

3.2.2 锁口混凝土施工

为防止竖井施工中后期井口发生坍塌等情况，竖井水磨钻开挖前先进行井口破碎开挖及锁口混凝土浇筑施工，以达到井口加固作用。竖井井口开挖主要为锁口圈梁结构位置开挖，利用液压破碎锤配合反铲直接开挖，竖井井身开挖2.0m后，进行锁口圈梁混凝土的施工。锁口混凝土施工前先进行锁口锚杆位置测量放点，利用YT-28手风钻进行锁口锚杆的钻孔施工。锁口锚杆安装完成后，即可进行锁口混凝土的浇筑施工。混凝土浇筑完成后，结合气温情况对混凝土进行洒水养护，待强度达到70%以上，就可进行锁口混凝土以下竖井水磨钻开挖。

3.2.3 卷扬系统安装

卷扬机应采用双筒卷扬机或同型号两台卷扬机提升一个吊笼，两台卷扬机使用时应同步使钢丝绳受力均衡。为保证卷扬机吊装时的稳定安全，竖井吊装用卷扬机设置的最大提升速度不宜超过40m/min。卷扬机安装位置的地基应坚固，应尽量远离、避开危险作业区域，并选择土质坚固的地方埋设地锚，用钢丝绳与卷扬机底座锁牢，防止卷扬机发生移动和倾覆。卷扬机机身安装后应平直，机身无受力弯曲或腐蚀现象。卷扬机井架安装时应安排专人指挥，确保无作业人员在吊物下方。

3.2.4 水磨钻开挖

沿竖井周边布置水磨钻取芯点，水磨钻取芯直径为15cm，周边取芯圆均与锁口混凝土内壁相切；依次按照布置的点位钻取竖井周边岩芯，单次钻取岩芯高度为70cm，待竖井周边岩芯取完后，竖井中心剩余岩体外围便形成一个圆形的临空面。

中间岩石钻孔：顺着岩石中心线采用YT-28手风钻钻孔，分别在纵横向垂直钻孔，钻孔完成后将中间岩石均匀分成四等份，以便于后期岩体裂解。在已钻好的所有手风钻孔内插入钢楔，待钢楔插入后人工采用大锤持续击打，使岩体受到冲击力后全部裂解。

3.2.5 出渣

竖井周边岩体采用水磨钻取芯完成后，将水磨钻钻出的岩体裂解后采用吊桶出渣，出渣应从竖井一侧进行，利用预先布置好的卷扬机将吊桶吊出竖井内部。

出渣时吊桶上部应密封，因岩体较重，为确保吊装安全，采用的吊桶容积宜控制在1m3内，且吊桶的最大装渣量不宜超过总容积量的2/3。竖井开挖前期，出渣时井内人员通过设置的安全爬梯先出竖井，再进行出渣；待开挖至竖井中部后为加快施工进度，可在竖井内开挖一个人员避险洞，待出渣时，井下人员可直接进洞避险，再安排出渣作业。

3.2.6 下一循环开挖

沿竖井周边采用水磨钻钻孔取芯，孔孔相连，按照自上而下依次分层钻孔、破裂、取芯体的循环工序开挖，取出的岩芯利用卷扬机吊出竖井内部，较大岩体在竖井中分解后装吊桶吊出。

竖井在每层开挖完成后要测量检查底部偏位情况并及时纠偏，同时标记出下一个循环外周水磨钻钻孔取芯位置后即可进入下一循环施工。

4 质量控制措施

建立岗位责任制，依此类推至各工序负责人及具体施工者，做到责任明确；严格控制各工序质量，施工过程中严格执行技术交底、质量检查及验收管理办法，切实保证标准化作业质量；安排专职质检员负责竖井水磨钻开挖过程中的监控管理，对施工过程中不符合施工工艺要求的地方及时指正，确保水磨钻开挖施工质量优良；严格落实三检制度，有效控制工程质量；所有测量仪器必须经过检验合格才能使用，竖井开挖施工测量仪器主要采用全站仪，竖井开挖施工前由专业测量人员进行精确定位，开挖平面位置必须严格控制；竖井开挖过程中不应欠挖，且尽量减少超挖，由测量人员定期检测竖井中心线的定线误差，发现开挖偏差应及时调整，确保竖井开挖的位置和尺寸准确，控制在规范偏差范围内；在竖井出渣过程中，卷扬机使用的提升钢丝绳应慎重选用，有磨损、断丝情形的不可使用，且应时常对钢丝绳进行检查。

5 应用结果

本项技术在福州市江北城区山洪防治及生态补水工程的东山截洪枢纽小断面竖井开挖过程中成功应用，有效解决了非爆破区小断面竖井施工存在的问题，在保证施工质量、安全、进度的前提下，降低了竖井开挖的施工成本，圆满完成了施工任务；并且在导孔施工、锁口混凝土浇筑、水磨钻开挖、石方裂解、出渣等方面总结和提炼出一套系统、成熟可靠的小断面竖井开挖施工工艺技术，使得工程质量不仅满足设计要求，而且经济效果显著。

6 施工特点

通过以上分析得出，水磨钻“正井法”开挖小断面竖井施工技术具有以下特点：一是本项技术采用潜孔钻机钻孔后能够加强竖井内通风，竖井内水流自导孔下流至平洞，竖井内无排水压力，不受下雨及通风设备影响。二是本项技术采用水磨钻依次钻取竖井外周岩芯，取芯位置易控制、偏差小，岩壁外观质量高。三是本项技术对竖井中心石方用手风钻钻孔后，在孔道中插入钢楔，大锤击打岩体裂解，人工装吊桶后采用卷扬机“正井法”出渣，操作简单，安全性高。四是本项技术适用于非爆破及爆破区的小断面竖井开挖施工，也可应用于各类大型断面竖井的导井(溜渣井)开挖。

7 结 论

通过东山截洪枢纽竖井开挖实践，总结和提炼出一套系统、成熟可靠的小断面竖井水磨钻开挖施工技术。小断面竖井水磨钻开挖技术可操作性强，既能保证竖井岩体的开挖质量，又加快了竖井开挖进度，解决了小断面竖井因工程区域周边环境影响无法采用爆破法及反井钻机的技术难题，可供小断面竖井及大断面竖井导井(溜渣井)施工，为小断面竖井水磨钻开挖起到了积极的推广作用，为后续水磨钻竖井开挖施工建设提供了宝贵的经验。