破碎圍巖深大調(diào)壓井安全快速施工與質(zhì)量控制

陳 波，陶益民

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

目前亞洲最大容積的毛爾蓋水電站調(diào)壓井已建成1年，運行情況正常。

該調(diào)壓井井深171m，上部0～30m段為強卸荷Ⅴ類巖體;中下部30～70m段為弱風(fēng)化Ⅳ類巖體，以砂巖夾含炭絹云母千枚巖組成，圍巖破碎，巖體完整性差。調(diào)壓井設(shè)計采用開敞阻抗式的圓形斷面結(jié)構(gòu)，開挖直徑26m，內(nèi)徑22m。

建設(shè)過程中，運用快速施工理念、創(chuàng)新施工技術(shù)、改良工藝和及時有效的質(zhì)量控制手段，達(dá)到了安全、經(jīng)濟(jì)、建設(shè)工期短、質(zhì)量優(yōu)的效果。

2 重點技術(shù)難題

(1)圍巖及井壁加固安全施工技術(shù);

(2)快速安全開挖施工技術(shù);

(3)開挖爆破振動效應(yīng)及安全評價;

(4)混凝土快速經(jīng)濟(jì)施工新技術(shù)和新裝備;

(5)超高落距混凝土垂直運輸?shù)膹姸缺ＷC及防止離析的有效手段;

(6)滑模施工井筒混凝土檢查驗收方式與質(zhì)量評定的創(chuàng)新與改進(jìn)。

3 總體施工程序

總體施工程序是:超前預(yù)固結(jié)灌漿施工→反井鉆機φ216mm先導(dǎo)孔施工(自上而下)→反井鉆機擴(kuò)孔1.4m(自下而上)→人工擴(kuò)挖導(dǎo)井2.5m(自下而上)→大井開挖→錨噴初期安全支護(hù)+分區(qū)倒掛混凝土護(hù)壁(70m深)→滑模井筒混凝土襯砌→固結(jié)灌漿。

4 重點技術(shù)難題解決方案

4.1 圍巖及井壁加固安全施工技術(shù)

4.1.1 鎖口和預(yù)固結(jié)灌漿加固技術(shù)

據(jù)設(shè)計地質(zhì)勘察和補充勘察資料，調(diào)壓井地層為三疊系雜谷腦組第一亞層中厚層石英砂巖夾深灰色薄層含炭絹云母千枚巖，中上部近70m范圍巖體破碎，裂隙極其發(fā)育，聲波波速平均在2 600m/s以下，透水率普遍在1 000Lu以上，圍巖穩(wěn)定性非常差。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查和圍巖穩(wěn)定數(shù)值分析結(jié)果，以及調(diào)壓井開挖井口部位圍巖塑性區(qū)分布情況(見圖1)，對井筒中上部圍巖采取超前預(yù)固結(jié)灌漿等補強加固措施，以解決大井開挖過程中的圍巖失穩(wěn)、大塌方等問題。

鎖口加固:在井口采用蓋重混凝土與鎖口混凝土合二為一的鎖口加固保護(hù)方式(見圖2)。

圍巖超前預(yù)固結(jié)灌漿加固:孔深50～70m，共布置預(yù)固結(jié)灌漿孔113個，平面上分Ⅰ、Ⅱ序，立面上按5m分段，XY－2型地質(zhì)鉆機鉆孔。預(yù)固結(jié)灌漿總量6 999.5m，共注入水泥4 548.33t，平均單耗650kg/m。各灌漿孔灌漿施工完畢后在孔內(nèi)設(shè)置3φ28mm(32)錨筋束。

圖1 調(diào)壓井圍巖塑性區(qū)分布

圖2 鎖口(蓋重)混凝土結(jié)構(gòu)

經(jīng)質(zhì)量檢查，灌后巖體波速提高200～900m/s及以上，圍巖整體性明顯增強，為大井安全順利開挖創(chuàng)造了有利條件，爭取了工期。

4.1.2 上部倒掛混凝土加固技術(shù)

利用有限元分析方法，對比調(diào)壓井上部0～70m是否實施倒掛混凝土襯砌支護(hù)(見圖3)，以研究、評價倒掛混凝土對圍巖所起的穩(wěn)定作用。

由圖3可以看出，在沒有采用倒掛混凝土襯砌之前，圍巖的變形在50～60mm左右;經(jīng)倒掛混凝土襯砌過后，最大圍巖變形控制在15～20mm左右，圍巖的變形及穩(wěn)定性得到了有效控制和改善。倒掛混凝土襯砌很大程度上限制了調(diào)壓井中上部圍巖的變形，保證了施工期圍巖的穩(wěn)定及施工安全。

4.1.3 中下部錨筋束加強支護(hù)技術(shù)

調(diào)壓井上部破碎圍巖采取預(yù)固結(jié)灌漿和倒掛混凝土襯砌加固后穩(wěn)定狀況得到有效改善，在深井井筒繼續(xù)下挖過程中，中下部將出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)壓井上部加固措施的有限元分析結(jié)果，上部加固對下部圍巖的變形和塑性區(qū)影響很小。為解決下部開挖過程中圍巖的失穩(wěn)問題，采用了后期課題研究成果，即經(jīng)有限元分析、論證，實施了局部錨筋束加強支護(hù)和常規(guī)錨噴支護(hù)相結(jié)合的加固技術(shù)，保證了全井的施工安全。

4.2 快速安全開挖施工技術(shù)

4.2.1 溜渣導(dǎo)井施工技術(shù)

圖3 z=2 170m剖面圍巖總位移變化情況

對于大型調(diào)壓井，溜渣導(dǎo)井施工是決定調(diào)壓井開挖成功與否的的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。毛爾蓋水電站調(diào)壓井的溜渣導(dǎo)井施工，采用反井鉆機鉆先導(dǎo)孔、擴(kuò)孔和人工擴(kuò)挖相結(jié)合的方法。施工程序為:沿豎井中心線布置LM300型反井鉆機自上而下形成φ216mm導(dǎo)孔，導(dǎo)孔完成后，在豎井底部安裝φ1400mm擴(kuò)孔鉆頭，自下而上擴(kuò)孔。溜渣導(dǎo)井形成后，其直徑尚不能滿足正常溜渣需要，采取人工擴(kuò)孔將孔徑擴(kuò)大至2.5～3.0m(見圖4)。

4.2.2 大型調(diào)壓井平面多分區(qū)短臺階擴(kuò)挖施工技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、補勘和三維有限元數(shù)值模擬結(jié)果，針對調(diào)壓井不同圍巖區(qū)段，分兩段采取不同的開挖方法。

將高程2 183.5～2 113.5m井段在平面上分六區(qū)進(jìn)行短臺階開挖，臺階高度不超過3m;將高程2 113.5m～底板井段在平面上分4區(qū)進(jìn)行短臺階開挖，臺階高度不超過2m。在平面上形成鉆孔、甩渣、支護(hù)、倒掛混凝土等工序平行施工、工序循環(huán)且互不干擾的局面，大大提高了施工效率。應(yīng)當(dāng)注意的是，扒渣工序結(jié)束后應(yīng)立即用鋼筋安全網(wǎng)蓋住溜渣井口，確保井內(nèi)施工人員及設(shè)備安全。

圖4 溜渣導(dǎo)井施工示意

4.3 開挖爆破振動效應(yīng)及安全評價

4.3.1 爆破振動效應(yīng)監(jiān)測

由四川大學(xué)爆破監(jiān)測小組分兩個階段對調(diào)壓井豎井開挖所引起不同部位的振動效應(yīng)共進(jìn)行了13組爆破振動監(jiān)測。

第一階段2010年4月20日～4月30日，針對爆破過程對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)的影響情況，對調(diào)壓井高程2 038～2 047m爆破開挖工程共進(jìn)行了9組爆破振動安全監(jiān)測，取得有效數(shù)據(jù)207點次。

第二階段2010年5月20日～5月26日，針對爆破過程對井底引水隧洞的影響，對調(diào)壓井高程2 027～2 033m爆破開挖共進(jìn)行了4組爆破振動安全監(jiān)測，取得有效數(shù)據(jù)87點次。

通過分析最大振速出現(xiàn)的次數(shù)(見表1)并經(jīng)過計算，可得到水平徑向、水平切向及豎直向質(zhì)點振動速度的傳播規(guī)律。

表1 最大振速出現(xiàn)的次數(shù)統(tǒng)計

從表1分析最大振速出現(xiàn)時間，最大振速主要集中在MS9段和MS11段(共占總數(shù)的66.2%)。這正是最大段裝藥量所在的位置，符合藥量與振動關(guān)系的一般規(guī)律;同時也應(yīng)注意到有少量最大振速出現(xiàn)在裝藥較少的低段位(MS1與MS3段共占總數(shù)的21.3%)。通過對波形及爆破現(xiàn)場的分析可以看出，出現(xiàn)這種情況的原因為:①低段位為先起爆的部分，臨空面較小;②MS1與MS3段相隔時間較短，波形有疊加現(xiàn)象。

4.3.2 安全評價

(1)井挖爆破施工過程中，質(zhì)點振動速度高差效應(yīng)較為明顯，總規(guī)律是“中間最大，上下較小”。

(2)井挖爆破振動存在明顯的各向異性。臨空面的大小對爆破振動影響較大，低段位應(yīng)采取減少裝藥的措施。

(3)豎井內(nèi)監(jiān)測結(jié)果顯示，在爆源上方豎直向的一定范圍內(nèi)，質(zhì)點振動速度基本不衰減，甚至有些地方出現(xiàn)隨數(shù)值距離的增加振動速度也隨著增大，說明質(zhì)點振動速度高差效應(yīng)是較為明顯的。

(4)分析井筒內(nèi)各測點波形，與一般露天爆破有很大區(qū)別:波形變化沒有大的起伏，各爆破段別之間的界限不太明顯。

(5)混凝土襯砌與爆源相距較遠(yuǎn)，爆破振動對其影響較小。

(6)后期爆破振動對下方引水隧洞影響較大，振速隨水平距離的增加逐漸衰減。

4.3.3 爆破振動效應(yīng)監(jiān)測與分析評價

通過開展開挖爆破振動效應(yīng)監(jiān)測工作，并按照安全評價提供的理論分析，在調(diào)壓井開挖過程中，及時掌握開挖爆破誘發(fā)的地震波在巖體中的傳播對已開挖井壁及倒掛混凝土支護(hù)可能造成的振動影響;井筒開挖后期分析爆破對井底引水隧洞洞壁的影響，以得到爆破振動空間響應(yīng)情況，分析確定安全控制與評價標(biāo)準(zhǔn)，研究確定具有可實施性的爆破技術(shù)參數(shù)和安全保護(hù)措施，為工程施工和管理提供理論、技術(shù)依據(jù)和參考。

4.4 混凝土快速經(jīng)濟(jì)施工新技術(shù)和新裝備

4.4.1 倒掛混凝土腳手架支撐懸掛組合模板施工技術(shù)

倒掛混凝土采用全圓分塊法施工:將整個井圈分為4塊，循環(huán)澆筑，倒掛混凝土高3～4.0m，用φ50mm鋼管搭設(shè)施工平臺，用支護(hù)后的錨筋進(jìn)行加固。材料由布置于調(diào)壓井平臺上的QTZ630塔機進(jìn)行垂直運輸。倒掛混凝土入倉采用溜筒入倉方法，每隔20m以內(nèi)設(shè)置一緩降器。由于圍巖巖性較差，需邊擴(kuò)挖邊進(jìn)行倒掛混凝土施工。開挖進(jìn)尺3～4m，及時跟進(jìn)倒掛混凝土襯砌，襯厚0.8m。實踐證明:腳手架支撐懸掛組合模板具有就位快速、可靠度高、成型良好、周轉(zhuǎn)率高、作業(yè)方便等明顯優(yōu)勢。它是保證亞洲第一井安全施工的關(guān)鍵技術(shù)。

4.4.2 超大直徑模塊組裝式液壓滑模系統(tǒng)

采用模塊組裝式液壓滑模澆筑襯砌混凝土。根據(jù)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)型式和布置特點，設(shè)計制作了一套內(nèi)徑22.0m、自重75t的滑模，主要由平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、液壓支承系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)滑模相比，該滑模系統(tǒng)有以下3方面改進(jìn)與創(chuàng)新:

(1)采用“一模多井”的設(shè)計理念，實現(xiàn)了液壓滑模的“模塊式組裝結(jié)構(gòu)”設(shè)計。即一套滑模由若干模塊組裝而成，通過增減模塊數(shù)量，調(diào)整滑模直徑，滿足不同直徑調(diào)壓井澆筑的需要，從而避免了發(fā)生滑模用后就報廢的現(xiàn)象，有效降低了施工成本。

(2)滑模增加了下料輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)配置16個輻射式分料溜槽完成混凝土入倉，對入倉強度及均衡性有重要保障作用。

(3)模體設(shè)置76個QYD－6型滑模液壓滾珠千斤頂，單個千斤頂工作起重量3t，最大起重6t。支承桿埋入混凝土中，液壓穿心千斤頂套在支承桿上。液壓穿心千斤頂與提升架螺栓連接，提升架連接平臺構(gòu)架圍圈。模板所有液壓穿心千斤頂用液壓油管與泵站相連。該提升系統(tǒng)具有集成化程度高、操作簡便、可靠性強、糾偏能力強的特點。

5 重點環(huán)節(jié)質(zhì)量控制技術(shù)措施和方法、手段

5.1 超高落距混凝土垂直運輸?shù)膹姸缺ＷC及防止離析的有效手段

5.1.1 超高落距混凝土直溜系統(tǒng)

針對毛爾蓋水電站調(diào)壓井工程混凝土超過160m的高落距垂直運輸，為控制混凝土溜送速度，確保直溜混凝土速度受控、不離析，在施工中經(jīng)過反復(fù)試驗，研制開發(fā)并成功運用了套接式混凝土溜管緩沖器(見圖5)。

圖5 套接式混凝土溜管緩沖器

5.1.2 技術(shù)措施

采用液壓滑模系統(tǒng)施工大直徑調(diào)壓井，因?qū)ζ溥B續(xù)施工及滑升速度均有極高要求，一般情況下，單日滑升高度在2.0～3.0m之間，每小時滑動高度在10cm左右，分3～4次滑動完成，月施工強度超過8 000m3，故需要采取切實有效手段，才能確保施工連續(xù)性，從而保證工程質(zhì)量。

(1)優(yōu)化施工輔助系統(tǒng)的布置。將混凝土拌合系統(tǒng)設(shè)置于井口平臺，直接與井內(nèi)混凝土溜送系統(tǒng)相接，提高了混凝土拌合及輸送保證率。即由調(diào)壓井井口HZS60拌和站出料口接溜槽至井口平臺集料斗集料，經(jīng)緩降溜管送至滑模集料斗內(nèi)，再由分料溜槽溜至澆筑倉內(nèi)。

(2)加強混凝土原材料供應(yīng)的物資保障。除在儲量倉隨時保障一定的備料外，各種運輸車輛應(yīng)保證2～3輛隨時處于排隊等候卸料的狀態(tài)。

(3)井內(nèi)設(shè)置旋轉(zhuǎn)工作梯比豎直爬梯更能減少施工人員上下交通難度，節(jié)省時間及工人體力，改善勞動條件，創(chuàng)造更好的安全施工環(huán)境。

5.2 井筒混凝土質(zhì)量的檢查與評定

由于調(diào)壓井滑模施工是連續(xù)作業(yè)，其中涉及質(zhì)量檢查與驗收的鋼筋、模板、澆筑等工序均是連續(xù)作業(yè)，必須采取靈活有效的檢查驗收方式以保證施工的連續(xù)性，為工程質(zhì)量提供保障。

(1)開挖與基礎(chǔ)面檢查與驗收在開挖階段進(jìn)行，開挖一片，現(xiàn)場檢查、驗收、記錄一片，但單獨的一片不作為驗收單元。一個驗收單元按5m高程范圍內(nèi)的整圈進(jìn)行評定，一個驗收單元通常包含6個以上的驗收片。

(2)鋼筋、模板、埋件、澆筑等工序，采用24h三班不間斷跟蹤檢查驗收方式。其中，鋼筋接頭質(zhì)量檢查，采用每完成10個接頭為1組進(jìn)行常規(guī)檢查，試驗抽樣則按時段抽取，每日白班、夜班各抽樣一組;而模板檢查則主要檢查其滑升系統(tǒng)可靠性，并每日進(jìn)行一次位移檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時糾偏;混凝土澆筑則重點跟蹤倉內(nèi)振搗和積水排除情況;混凝土試塊抽樣檢查也按時段抽取，每日白班、夜班各抽樣一組，坍落度檢查方式與試塊抽樣檢查一致。

(3)混凝土澆筑一個驗收單元按3m高程范圍內(nèi)的整圈進(jìn)行評定，一個驗收單元可能在時段上出現(xiàn)跨天的情況，其相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)保持連續(xù)性和閉合性。

6 實施效果

(1)在破碎圍巖地質(zhì)條件下，亞洲最大容積的調(diào)壓井，通過安全快速施工技術(shù)研究與實踐，及時掌握圍巖變化情況，調(diào)整圍巖加固及支護(hù)措施，有效抑制了圍巖變形，避免了井壁塌方，未發(fā)生人員傷亡事故，順利實現(xiàn)了安全、快速施工。

(2)在工程質(zhì)量方面，對調(diào)壓井共評定459個單元工程，結(jié)果全部合格，其中優(yōu)良單元425個，優(yōu)良率92.6%，涉及的6個分部工程全部評定為優(yōu)良，單位工程質(zhì)量優(yōu)良。

(3)在工程實施階段，通過科學(xué)管理、精心組織和施工新技術(shù)的研究與應(yīng)用，井筒中上部開挖及倒掛混凝土施工平均月強度8～10m，中下部開挖及初期支護(hù)施工月平均強度18～20m，井筒液壓滑模混凝土襯砌日平圴滑升2m，日最高滑升3.5m。在受“5·12”地震影響開工時間推遲110天情況下，也確保了2011年7月30日調(diào)整節(jié)點協(xié)議目標(biāo)，實際工期995天，較合同工期縮短80天。

(4)通過擴(kuò)大溜渣導(dǎo)井、超大直徑液壓滑模系統(tǒng)和超高落距混凝土直溜系統(tǒng)安全快速施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，加快了施工進(jìn)度，為電站汛前提前下閘蓄水、提前發(fā)電奠定了基礎(chǔ)，取得4 400余萬元的提前發(fā)電效益，并減少施工成本近百萬元。

［1］周家文，等.調(diào)壓井施工過程圍巖穩(wěn)定及反饋優(yōu)化研究［R］.成都:四川大學(xué)、中國水利水電第十工程局有限公司，2012.

［2］周家文，等.調(diào)壓井開挖爆破震動效應(yīng)及安全研究［R］.成都:四川大學(xué)、中國水利水電第十工程局有限公司，2012.