300m級小斷面深豎井正反井結(jié)合法開挖施工技術

向 前，梁 劍，蔡 暢，沈國武

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

在水利水電工程中一般的豎井開挖斷面較大，高度多數(shù)在200m以內(nèi)，對于高度大、斷面小、地質(zhì)條件復雜的豎井研究較少。豎井斷面小必然造成機械化施工效率低，而豎井高度高則易造成先導孔產(chǎn)生偏移、施工人員井下作業(yè)安全隱患大等問題；地質(zhì)條件復雜則安全風險大。上述問題往往對豎井的開挖支護及施工進度產(chǎn)生較大影響，甚至造成安全事故。本文通過對山西省小浪底引黃工程地下泵站300m級出水豎井開挖研究，從方案比選、機械設備定制與配套、先導孔精度控制、石渣出運、安全防護與管理等方面，形成一套300m級小斷面深豎井正反井結(jié)合法施工技術，可供類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡況

山西省小浪底引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設中一項重要的工程，本工程干線自小浪底庫區(qū)取水，供水范圍包括5個縣(區(qū))，規(guī)劃年引水量2.47億m3。出水豎井作為地下泵站主要建筑物，位于出水壓力管道末端，底部與出水壓力管道相接，頂部與出水池相連，豎井底部彎管底板高程為208.8m，豎井頂部井口高程為492.72m，總高度283.92m，倒掛井段開挖直徑6.5m，其余段開挖直徑5.5m，豎井壓力鋼管安裝后直徑4m。

1.2 地質(zhì)情況

出水豎井從上至下巖性分別為奧陶中統(tǒng)(O2)雜色薄層～中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r、黃綠色微薄層泥灰?guī)r、棕黃色薄-中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖，奧陶系下統(tǒng)(O1)灰白～淺黃色薄～中厚層泥質(zhì)白云巖、白云巖夾泥質(zhì)軟弱夾層。出水豎井在開挖過程中揭露巖石多為中硬巖，飽和單軸抗壓強度為15MPa～60MPa，圍巖結(jié)構(gòu)破碎，裂隙很發(fā)育，裂隙面平直粗糙，泥鈣質(zhì)充填其中，小型溶腔、溶洞發(fā)育；巖體受SE向、NE向和層面切割影響，呈塊裂結(jié)構(gòu)，巖體破碎松散，呈碎裂、塊裂結(jié)構(gòu)，層面軟弱滑塌嚴重，圍巖極不穩(wěn)定，以Ⅴ類圍巖為主。

2 背景

受前期進廠交通洞工期延誤的影響，出水豎井成為了限制整個工程上水目標實現(xiàn)的關鍵線路。出水豎井頂部具備施工條件，通往出水豎井底部的壓力管道仍有348m未開挖完成，若等待通往出水豎井底部的壓力管道貫通后再實施反井法施工，已無法滿足工程進度目標。為此必須研究出一套適用于小斷面、深豎井的開挖施工技術，解決工期問題，早日實現(xiàn)上水目標。

備注：出水豎井井口具備開挖條件時豎井底部壓力管剩余348m未開挖

3 豎井開挖方案比選

結(jié)合國內(nèi)外豎井施工經(jīng)驗，針對豎井常用的開挖施工工法及特點見表1。

表1 豎井施工方法對比

根據(jù)表2工程特點分析，豎井施工常見的為正井開挖和反井開挖兩類，豎井施工具體要采取正井還是反井開挖，應根據(jù)施工場地、施工進度、施工成本及安全因素等工程條件來確定[1]。由于本工程出水豎井高度較高，開挖必須采取反井開挖的方式進行施工，但鑒于豎井底部壓力管道暫未貫通，不具備反井開挖條件。表2中滿足工期要求的只有分段反井法與正反井結(jié)合法，對這兩者進行了經(jīng)濟性對比，最終選擇經(jīng)濟性較優(yōu)的正反井結(jié)合法。根據(jù)豎井底部壓力管道開挖進度安排，同時根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)要求，考慮開挖面爆破振動對上部門機的影響，此處安全距離取52m，即在正井開挖52m后再進行門機的安裝，門機安裝完成緊接著利用門機進行反井鉆機安裝。反井鉆機安裝完成時，豎井底部壓力管道正好可以完成開挖支護施工，具備豎井底部出渣條件。為此出水豎井采取正反井結(jié)合法開挖，即上部52m采用全斷面正井開挖，下部采用反井開挖。

表2 本工程出水豎井施工方法對比

4 施工設備的定制與配套技術

由于出水豎井高度高、斷面小，受作業(yè)空間限制，普通的機械設備無法滿足施工要求，同時也無多余空間布置供人員上下的升降設備，故首先要結(jié)合開挖方案對施工設備進行定制與配套。

結(jié)合開挖及后期壓力鋼管吊裝需要，在豎井頂部布設一臺MGR25/3-11A4通用門式起重機，可用于豎井施工人員、施工機械設備及材料的運輸。

正井開挖采取井口布置一臺50t汽車吊，吊運機械設備和石渣，井內(nèi)用SY16C小型挖機進行出渣。

豎井反井段采用LM-300型反井鉆機。

豎井底部利用3.0m3裝載機裝車，20t自卸汽車運輸渣場棄渣。

門式起重機及SY16C小型挖機是結(jié)合出水豎井施工特點，由廠家專門定制。門式起重機、SY16C小型挖機、反井鉆機主要技術參數(shù)詳見表3-表6。

表3 MGR25/3-11A4通用門式起重機主要技術參數(shù)(一)

表4 MGR25/3-11A4通用門式起重機主要技術參數(shù)(二)

表5 SY16C小型挖機主要參數(shù)

表6 LM-300型反井鉆機主要參數(shù)

5 流程及關鍵工序施工工藝

5.1 流程

圖2 正反井結(jié)合法施工工藝流程

5.2 關鍵工序施工工藝

5.2.1 導孔施工

出水豎井采用LM-300型反井鉆機，反井鉆機布置在豎井內(nèi)，先鉆一個φ250mm的導孔與豎井底部相通，再在豎井底部安裝φ1.4m的反井鉆頭，自下而上擴挖，形成一個φ1.4m的溜渣井，然后自上而下對豎井進行全斷面開挖支護施工，開挖的石渣經(jīng)溜渣井滑至豎井底部采用裝載機裝車運至渣場。在反井鉆機安裝平臺右側(cè)區(qū)域豎井內(nèi)壁擴挖一個液壓洗井泵洞室，基礎澆筑完成后進行反井鉆機安裝。

圖3 反井鉆機基礎平面布置

由于出水豎井高度高，必須控制好反井鉆機先導孔鉆進精度，反井鉆機產(chǎn)生偏斜主要是由于鉆機定位不穩(wěn)、開孔控制不當、鉆機鉆進壓力和鉆進速度控制不當、鉆桿軸向自重影響等原因造成。為此，在施工過程中必須對上述影響因素進行控制，將孔底偏差控制在3‰以內(nèi)。

為了便于挖機翻渣，出水豎井反井開挖溜渣井選擇布置于井內(nèi)一側(cè)?？紤]到鉆孔過程孔底偏差影響，根據(jù)采取先導孔鉆進精度控制預期效果，將溜渣井布置于靠出水壓力管道側(cè)，距出水豎井開挖邊線50cm處。

(1)鉆機定位及開孔控制

首先反井鉆機安裝位置必須精確放樣，反井鉆機安裝時采用水平尺和鉛垂球從多角度進行精確測量，并對中心點進行校核，無誤后再對鉆機地腳螺栓孔澆筑混凝土固定。另外，為確保順利開孔，開孔鉆桿選用直徑與φ250mm的導孔鉆頭同等大小并且加工精細的穩(wěn)定鉆桿，再配合扶正器慢速開孔。開孔第1根、第2根鉆桿均為特殊穩(wěn)定鉆桿，第1根鉆桿完全進入巖石后，再接上一根同樣的鉆桿繼續(xù)鉆進，第3根鉆桿換用普通鉆桿，這樣繼續(xù)鉆進，始終保持穩(wěn)定鉆桿緊緊貼住孔壁，直至無法繼續(xù)鉆進時，提出所有鉆桿，卸下第1和第2根特殊穩(wěn)定鉆桿，換上正常的穩(wěn)定鉆桿，配合正常的鉆具組合，放入孔內(nèi)，繼續(xù)鉆進，這樣就結(jié)束了開孔，開始正常的導孔鉆進了[2]。

(2)鉆進速度控制

在導井鉆進過程中要根據(jù)巖石地質(zhì)條件調(diào)整合理的鉆壓和轉(zhuǎn)速，鉆進速度必須均勻，切忌忽快忽慢。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，出水豎井導井鉆進過程中Ⅴ類圍巖鉆桿壓力在12kN～15kN，鉆速在20r/min，鉆進速度在1.5m/h左右；Ⅳ類圍巖鉆桿壓力在15kN～26kN，鉆速在20r/min左右，鉆進速度在1.0m/h左右。

(3)減小鉆桿軸向自重對先導孔的影響

為克服鉆桿軸向自重等造成偏斜，在鉆進過程中采取間隔10m～20m放置一根穩(wěn)定鉆桿，這樣可減少鉆桿軸向偏移，保證先導孔鉆進精度。

5.2.2 豎井擴挖及支護

出水豎井導孔鉆孔完成后在導孔底部更換φ1.4m的反井擴孔鉆頭，自下而上擴孔開挖溜渣井。根據(jù)豎井導井鉆進過程觀測以及反出的巖屑情況，經(jīng)對巖屑的初步定性分析，出水豎井圍巖較為破碎，基本以Ⅴ類圍巖為主、Ⅳ類圍巖為輔。為此，豎井擴挖按照“多布孔、少裝藥、周邊光爆”的原則進行爆破參數(shù)設計。

每輪炮出渣完畢后及時進行支護，采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土地支護方式，對于圍巖極差部位采取增設鋼筋骨架或環(huán)形型鋼拱架的方式聯(lián)合支護。

圖4 出水豎井開挖示意

圖5 出水豎井擴挖炮孔示意

5.2.3 石渣出運

正井開挖倒掛井段(直徑6.5m)采用玉柴60挖機裝渣，利用50t吊車1.5m3吊罐從豎井井口出渣。

正井開挖倒掛井段以下(直徑5.5m)采用SY16C小型挖機進行裝渣，利用50t吊車1.2m3吊罐從豎井井口出渣。

反井開挖利用SY16C小型挖機進行翻渣至溜渣井，渣溜至出水豎井底部，從壓力管道出渣。

5.2.4 豎井底部擴挖施工

出水壓力管道平洞段與出水豎井由90°圓弧轉(zhuǎn)彎段相接，若按照設計圖紙開挖，安全風險大，同時底部彎段在豎井擴挖過程中從導井溜下的石渣必定將沿底部彎管弧線堆積，不利于底部出渣，而且易造成石渣堵塞溜渣井。鑒于上述原因，對豎井底部進行技術性超挖，將豎井底部彎管段擴挖成直角轉(zhuǎn)彎段(如圖4所示)。同時由于出水壓力管道斷面較小，為加快施工進度，便于裝載機及自卸汽車裝渣、掉頭，采取在出水壓力管道平洞靠近豎井部位設置錯車道[3]。

6 安全保障措施

豎井開挖過程中主要存在高空墜物、圍巖變形、人員上下通行不便、排煙降塵困難等較大的安全隱患，為此在豎井開挖施工過程中主要采取以下安全措施。

6.1 防止高空墜物

在出水豎井井口設置安全圍欄，并在圍欄底部設置30cm高的攔水坎，圍欄其余部位滿掛密目網(wǎng)；安全人員每天對井口施工區(qū)域進行清掃，保證無任何石塊、鋼筋頭等可掉落至井內(nèi)的重物。

6.2 圍巖變形觀測

沿井壁每間隔10m設置一道圍巖穩(wěn)定和變形的監(jiān)測點，對圍巖極差部位單獨設置變形觀測點，并按照3d一測、5d一查的方式進行觀測檢查，若發(fā)現(xiàn)存在變形，及時采取加強支護措施。

6.3 人員上下通行

在門式起重機上增設安裝人員上下的專用吊籠，同時設置應急供電柴油發(fā)電機，在停電的緊急情況下位于豎井井口的門式起重機仍能將人員吊運出豎井。另外，沿豎井井壁安設應急安全爬梯，安全爬梯一直延伸至豎井掌子面，遇緊急情況，人員可通過爬梯轉(zhuǎn)移至豎井外。

在豎井鉆孔、裝藥等過程中為防止人員掉入溜渣井中，在溜渣井頂部設置專用安全蓋板，蓋板采用φ25鋼筋焊接而成，放炮出渣時將安全蓋板移開，人員井下作業(yè)時則蓋上。

6.4 通風排煙

井口安裝一臺SDFw-No6.5(22×2)的軸流式風機，風帶沿豎井井壁掛設至掌子面，在人員井下作業(yè)時啟動對豎井內(nèi)進行通風降塵。

6.5 通訊及安全教育

在門機操作室與載人吊籠內(nèi)各配備2臺對講機，吊籠內(nèi)掛設安全標志牌及安全規(guī)程，下井前對工人進行班前五分鐘安全教育，乘坐吊籠前檢查對講機是否正常及電量是否充足，下井過程中乘行人員保持與門機司機溝通，確保吊籠正常下行和起吊。

7 結(jié)語

(1)采用正井反井相結(jié)合法開挖施工技術，豎井頂部正井開挖和倒掛井襯砌不受底部出渣通道限制，可以提前進行施工，能夠加快豎井貫通進度，節(jié)省直線工期達56d。

(2)通過先導孔施工精度控制技術，將孔底偏差精度控制在2‰以內(nèi)，確保了施工質(zhì)量，同時一種適用于小斷面高豎井的人貨兩用龍門吊，改善了深豎井人員通行的條件，提高了作業(yè)人員工效及安全保障率。

(3)300m級小斷面深豎井正反井結(jié)合法開挖施工技術，解決了斷面小、深度高、地質(zhì)條件復雜的豎井施工難題，并總結(jié)了一套完整的施工工法，施工安全、快速、質(zhì)量可靠。為山西小浪底引黃工程地下泵站早日上水創(chuàng)造了有利條件，對今后類似小斷面深豎井工程開挖施工具有重要借鑒作用。