巴基斯坦苏基克纳里水电站项目竖井开挖堵井处理研究

梁洪源，贾晓阳，王 耀

(中国葛洲坝集团海外投资有限公司，北京 100025)

0 引言

在“一带一路”倡议的引导下，一系列“中巴经济走廊”水电建设项目在巴基斯坦持续推进[1]。然而，巴国乃至国内外可供开发利用的常规式水电站越来越少，而高水头、长距离引水式电站的开发力度正在逐渐加大。因此对高水头、长引水式电站所涉及的小直径、深竖井开挖支护方面的研究就显得尤为重要[2-4]。

苏基克纳里水电站项目作为“中巴经济走廊”首批入廊清单项目，因其具有小断面超深地下竖井群和穿越多条断层破碎带等特点，其地下竖井开挖支护施工难度巨大。实际在竖井群开挖支护过程中，先后遭遇3次规模较大的堵井事件，竖井堵井问题及疏通处理过程对项目安全、进度、成本等造成了一定影响。

针对上述问题，国内有多位学者及行业专家开展了相关研究，朱家林[5]对西南某电站出线竖井开挖遭遇的堵井事件提出了相关处理方式，该研究主要适用于大断面竖井堵井疏通处理；夏万求、李庆祥等[6-7]对竖井开挖堵井成因进行了系统分析，并提出有效预防措施，但对堵井发生后的处置方案描述不够详尽；袁金明[8]对厄瓜多尔CCS水电站竖井施工涉及的堵井、高空坠落、井内吊装等安全技术问题进行了预防性技术研究，对堵井后的处理方式未详尽阐述；潘江波[9]对竖井施工中常见的导孔偏斜、堵井等极端问题进行了系统研究，该研究主要适用于公路隧道工程。

考虑到不同工程项目，其竖井设计理念、尺寸断面、围岩条件、地下水条件等差异较大，现有研究并不能完全适用全部类型的竖井堵井问题，在竖井开挖阶段遭遇堵井时，需要根据具体的工程特征，研究解决面临的核心问题，探讨提出针对性的处理方案，从而达到安全、经济、高效疏通竖井的目的[10]。

本研究以在建的巴基斯坦苏基克纳里水电站项目压力竖井及调压竖井施工为工程背景，对小断面、深竖井的堵井问题进行系统归类，并针对性总结提出系列处理方案，研究提出的相关方法将能为同类项目施工提供一定参考。

1 工程概况

1.1 工程布置

苏基克纳里水电站项目引水系统主要包含23.2km引水隧洞、3.8km压力管道(含平段及竖井段)及236.8m深调压竖井。

其中，压力管道为双管三层台阶状竖井设计，每部竖井分别由竖井段和平段组成，上部、中部及下部竖井深度(不含弯段)分别达到193m、173m、247m；平段设有10%纵坡，第一、第二、第三和第四平段分别长345m、379m、478m、119m，压力管道海拔高程位于EL.1300～2050m之间，具体工程布置如图1所示。压力管道竖井段开挖支护成型后断面呈圆形，内径4.68m，钢管衬砌成型后内径为3.18m；压力管道平段开挖断面呈马蹄形，开挖支护成型后断面宽度为3.36m，钢管衬砌成型后内径为3.18m；钢管至开挖支护面之间回填素混凝土，回填厚度不小于0.75m。

图1 压力管道及调压竖井布置图

调压竖井设计为上下双水室式，调压井总深度约236.8m。竖井段开挖支护成型后断面呈圆形，内径6.85m，衬砌成型后内径为5.85m，全部采用钢筋混凝土衬砌。

总体而言，项目压力管道及调压竖井共计7条竖井，呈现海拔高、水头高、管线长、洞径小、钢衬厚等特点，开挖施工难度较大。

1.2 施工方案

项目7条竖井的开挖均采取反井钻机法施工，现选取压力竖井为例介绍具体竖井开挖施工方案(调压竖井施工方案与之类似)。

(1)施工准备。竖井连接的上平段开挖到位后，需做好扩大洞室开挖支护、测量放样、风水电、制备泥浆池及安装反井钻机等开挖前准备工作。

(2)导孔钻进。反井钻机设备就位、校核角度无误后，利用φ220mm钻头开始开孔钻进。钻进至20m深度左右，需安装测斜仪进行导孔角度偏差控制。钻进过程中，需间隔一定距离使用稳定钻杆，并观察有无卡钻、失水或不反浆等情况，并采取复灌、待凝、扫孔等方式确保钻杆正常推进。待钻头从下平段钻出后，即表示导孔造孔成功。

(3)反扩导井。导孔贯通后，用液压卸杆器拆下导孔钻头，接上φ1.65m扩孔刀盘。随后将刀盘提至欲扩岩面，开始扩孔时，必须采用低转速、小轴压、间断推进的方法，待刀盘运转稳定后方可按正常拉力扩孔。反扩成井速度按每日8～15m为宜，直至从下至上形成溜渣导井。

(4)正向扩挖。溜渣导井开挖完成后，采用人工钻爆方法自上而下分层扩挖竖井，扩挖过程产生的渣料通过导井向下溜渣。因竖井断面较小，扩挖采取全断面一次扩挖成型方式，每一分层(每一循环)按1.5～2.5m控制。每一循环完成后需及时采取支护措施，按不同围岩条件分别采取以下方式进行支护：Q1～Q2类围岩采取“随机锚杆+钢纤维混凝土”，Q3类围岩采取“系统锚杆+钢纤维混凝土”，Q4类围岩采取“系统锚杆+钢肋条+钢纤维混凝土”，Q5～Q6类围岩采取“超前小导管+系统锚杆+钢拱架+钢丝网+钢纤维混凝土”。从上至下扩挖贯通后，即完成全部开挖工作，后续可进入衬砌/钢衬阶段。如图2所示。

图2 施工程序示意图

通常情况下，上述施工程序中，导井形成初期和正向扩挖过程，易因井壁垮塌、渣料粒径过大等问题造成堵井事件。

1.3 工程地质条件

苏基克纳里水电站处于喜马拉雅褶皱带的哈扎拉-克什米尔共轴褶皱体低喜马拉雅构造带，区域构造背景复杂，地震活动强烈，活断层发育，工程区地质条件较差。工程区的地震烈度在Ⅷ以上，50年超越概率10%的地震动峰值加速度达到0.34g。其中，程沿线近场区发育12条区域性深大断裂，大断裂具有“带中带”的特征。地下工程区洞室稳定条件一般，洞室围岩以Q2～Q5类为主，少量为Q1和Q6类。

由于工程区岩性构造复杂，开挖过程在穿过节理发育密集段、断层及其破碎带、过沟浅埋段或遭遇持续强降雨时，易出现塌方、涌水、涌泥、堵井等极端问题。其中，竖井群直接穿越F18断层、F25-1断层及其挤压破碎带，且多以碳质片岩、砂岩为主，地质条件十分恶劣。临近竖井群区域地质剖面图如图3所示。

图3 临近竖井群区域地质剖面图

2 堵井处理方法

苏基克纳里水电站项目竖井施工过程中，遭遇的3次堵井事件，按堵井特点可分为：短距离堵井、稳定围岩条件长距离堵井、不良围岩条件长距离堵井等3类。

2.1 短距离堵井处理

2.1.1堵井事件经过

调压竖井通过反井钻机布设形成φ2m的溜渣导井后，在调压井上室开挖过程中，因井内围岩条件较差发生井壁垮塌，导致溜渣导井底部堵塞57.7m，现场清理下平段积渣后，导井下部自然滑落疏通22m，剩余堵塞段35.7m。

堵井位置海拔高程为2035～2068m，岩性为石英云母片岩为主，伴有少量碳质片岩，因调压井临近F18断层区域，岩体的完整性一般。根据前期导井反拉出渣情况，推断竖井整体围岩破碎，主要以Q5-Q6类围岩为主。由此进一步推断导井内堵塞体主要为破碎渣料，无大块石卡塞情况。

2.1.2堵井处理重难点分析

(1)堵井区域位于导井中下部，距离导井上方施工掌子面距离超过150m，无法自上而下通过钻机疏通。

(2)调压竖井堵塞段主要为爆破形成的碎渣，疏通过程中，可能发生堵塞段瞬间全部滑落。因此，自下而上疏通需重视井下施工人员安全防护。

2.1.3堵井处理方式及过程

考虑到堵井区域距离底部较近，且堵塞区段较短，优先考虑采用氦气球托举炸药爆破扰动方式尝试疏通，待氦气球方案受水雾、上升通道等影响不再适用时，改为底部打斜孔牵引爆破扰动方式。

2.1.3.1 氦气球托举炸药爆破

(1)准备氦气球及炸药。采用直径为1～1.4m的氦气球，托举炸药按不超过1.0kg考虑，实施前需经放升试验确定参数。炸药方面采取φ32乳化炸药，装药2～4节，具体需根据现场情况调整，药卷需与气球牢固绑扎。

(2)放升气球就位。用细绳系住氦气球，通过细竹竿向上牵引、缓慢放升，直至炸药贴住堵塞体下方。

(3)完成爆破。爆破前，确保人员、设备全部撤离至安全区域，由专业爆破人员引爆。待炸药引爆、堵塞体稳定、通风排烟后，利用装载机、自卸汽车完成出渣。

如图4所示。重复上述步骤，直至导井疏通或该方法已无法取得实质效果。

图4 氦气球托举炸药爆破示意图

2.1.3.2 底部打斜孔顶装炸药爆破

(1)准备平台、安装钻机。清理导井下平洞渣料，并平整场地形成可施工作业平台，利用钢板、型钢焊接形成稳固挡板。在施工平台上安装锚索钻机，连接好操作平台及高压风管。

(2)钻孔。通过锚索钻机斜向上钻孔，在调压井中心点上游4m处开孔，孔径φ110，钻孔角度约75°，孔深约30m。布孔完成后，用高压风吹孔从而确保炸药能装入导井范围内。

(3)装药爆破。根据上述参数钻孔，孔底可嵌入堵塞体底部范围内，为避免爆破引发井壁坍塌，需控制装药量为2～3kg。从底部用PVC管沿孔向上推顶炸药，并用炮泥堵孔。人员及设备安全撤离后，由专业人员引爆炸药。

如图5所示。逐步调整开孔位置、钻孔角度及钻孔深度，经过多循环引爆，完成导井疏通。

图5 底部打斜孔顶装炸药爆破示意图

现场实际按照前述两套方案实施，依靠氦气球托举炸药爆破方式完成约12m堵塞体疏通，依靠多循环底部打斜孔顶装炸药爆破方式完成约24m堵塞体疏通，整体堵井处理工期控制在2个月内完成。

2.2 稳定围岩条件长距离堵井处理

2.2.1堵井事件经过

苏基克纳里水电站下部压力竖井1#管道(以下简称下部竖井)深247m，前期已采用BMC300型反井钻机施工形成φ1.4m的溜渣导井。在竖井自上而下扩挖初期，初步判定由于大块渣料卡塞原因，造成导井自底部起堵塞138.5m，现场在发现堵井初期即从底部采取了氦气球托举炸药包、反铲扰动等方式紧急疏通了底部21.5m，但中间段堵塞体仍有117m无法通过上述方式疏通。根据现场实际反馈，中间段堵塞体中可能存在支护喷护料板结而成的整体结构，为后续全面疏通增加了难度。堵井情况如图6所示。

下部压力竖井堵井部位埋深在358～453m，岩性为变质玄武岩和绿泥石片岩，洞室围岩洞室围岩具中等地应力。根据下部平洞开挖揭露围岩情况，推测堵井段整体围岩完整性较好，推断堵井区段围岩类别主要为Q3。

2.2.2堵井处理重难点分析

(1)因现场设备受限，无法对原导井堵塞段渣体进行固结灌浆，即无法在原导井位置重新利用反井钻机钻进疏通，其他钻机如锚索钻机、潜孔钻等亦难以实现长距离钻进疏通。

(2)由于下部竖井剩余堵塞段长达117m，后续继续从导井下部顶送炸药爆破扰动疏通难度将逐步增大。

(3)竖井底部已疏通区段存在大量散状渗水，下部导井空间内水雾严重，且疏通形成的导井形态不规整，欲通过氦气球托举炸药上升到位难度极大。

(4)由于堵塞体中包含大量大块石及喷护料板结体，爆破扰动可能导致堵塞体瞬间下滑，需重视相关安全风险。

2.2.3堵井处理方式及过程

根据堵井处理重难点分析，通过下部顶送或托举炸药，爆破扰动疏通剩余117m中间段堵塞体难度极大，现场实际继续采取爆破扰动方式收效甚微。考虑到下部竖井整体围岩情况较好，且正向扩挖掌子面距离竖井顶部仅30m，可在竖井顶部重新安装反井钻机布设形成新导井，具体施工方式如下。

(1)回填原导井。采用强度为C10的混凝土回填原导井，避免后续反井钻机造孔过程中通过原导井处漏浆。

(2)掌子面集水井施工。在扩挖掌子面处开挖集水井，尺寸2.0m×1.2m×1.0m，用于后续反井钻机钻进返渣集水，掌子面集水井需与竖井顶部平台集水井形成泥浆循环系统，确保泥浆可导出井外。

(3)反井钻机安装。通过门机将提前安装好的反井钻机平台吊至井口处架设牢固，并在其上方安装反井钻机。反井钻机钻头垂线向下应对准拟开孔点位，拟开孔点位以偏离原导井中心线1m为宜。

(4)钻孔及反拉成井。按前述1.2节施工程序完成导孔钻设及导井反拉，此处不再赘述。

现场按上述方案施工，准备工作及钻孔、反拉形成新导井过程共计耗时2.5个月。

2.3 不良围岩条件长距离堵井处理

2.3.1堵井事件经过

上部压力竖井1#及2#管道(以下简称上部竖井)溜渣导井反拉完成后，正向扩挖至50m左右起，竖井中部不间断发生小规模井壁塌方，并伴有较大涌水，因泥渣细碎，可通过导井正常溜渣。后续继续开挖至70m左右深度，同一区域发生大规模塌方。

经井内视频探测显示，1#管道塌方形成的空腔体上口距井口85m，2#管道塌方形成的空腔体上口距井口76m，两井塌方体体积预估均不小于1000m3，且腔体仍有进一步扩大风险。同时，上部竖井导井已堵井。塌方情况如图7所示。

图7 上部竖井塌方堵井示意图

上部竖井位于F18断层下盘，井深80m左右以上为泥质变质岩屑砂岩(AMLS)和变质岩屑细砂岩(MLFS)，以下为炭质片岩(C.Sch)，且存在大量裂隙，围岩类别主要为Q5-Q6。

2.3.2堵井处理重难点分析

(1)塌方形成的空腔体存在倒悬状临空面，临空面围岩薄弱，需及时回填封闭。

(2)采取相关措施疏通堵塞的导井，可能会造成更大程度的井内塌方。

(3)在临近区域布设新导井，将穿越相同的地质条件区域，同样可能造成井内塌方、堵井。

(4)竖井内伴有较大渗水，处理堵井过程需考虑排水问题。

2.3.3堵井处理方式及过程

为避免塌方范围扩大及二次塌方，决定对上部竖井采取“先回填，后井挖”的方式处理堵井问题，具体施工方式如下。

(1)回填空腔。采用高流态、低标号混凝土对空腔部位进行一次回填，为确保回填密实，待一次回填混凝土达到一定强度后，通过锚索钻机打孔方式，对可能未填密实部位进行二次回填。

(2)空腔固结灌浆。空腔体内已积累大量松散渣体，为便于后续处理，待开挖至80m深度后，通过锚索钻机斜向下布设3环灌浆孔，孔深25～30m，角度以覆盖空腔范围为宜，并完成相应灌浆。

(3)井挖法开挖、出渣。空腔回填及灌浆后，采取“井挖法”完成竖井剩余约110m开挖支护。每循环开始前，先进行超前小导管灌浆支护；通过人工钻爆或风镐开挖，开挖循环控制在1.0～1.5m；开挖后通过吊罐将渣料提出井外，吊罐运输过程中应确保井下无人施工。开挖过程中，如遇较大渗水，可采用地质钻沿竖井原导井位置竖直向下钻孔，尽可能将渗水疏导至下平段。

(4)竖井支护。采取“初喷+系统锚杆+网片+固结灌浆+型钢拱架+复喷”的方式支护。对空腔回填段，可简化支护参数。

按步骤(3)、(4)循环开挖，直至竖井贯通。

现场按上述方案执行后，自堵井起至竖井开挖支护完成，日均开挖效率可达到0.4m，工期共计12个月。

3 结论与建议

处理堵井问题是水利水电工程竖井施工的难点问题。针对短距离堵井、稳定围岩条件长距离堵井和不良围岩条件长距离堵井等类堵井提出了相应处理措施，有效解决了相应堵井问题。上述处理措施可为同类项目处理堵井问题提供实例借鉴。同时，建议相关专家、学者在研究解决堵井问题时应综合考虑以下因素。

(1)考虑竖井断面尺寸。竖井断面尺寸决定了可采用的机械设备类型及型号，从而决定处理工效。

(2)考虑堵井发生位置。堵井区域靠近掌子面或下平洞情况下，处理手段较多；堵井区域远离工作面时，主要依赖反井钻机、锚索钻机等长距离钻孔设备处理。

(3)竖井围岩稳定性问题。稳定围岩条件下，因井内塌方发生的可能性较小，可以考虑疏通原导井或布设新导井；不良围岩条件下，应谨慎判断疏通导井后是否存在进一步塌方可能性。

(4)考虑地下水问题。富含地下水区域，考虑堵井处理方案时需提出有效的排水措施，否则可能引发相关安全问题。