小斷面高豎井開挖施工方法

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550008)

山西省小浪底引黃工程施工Ⅱ標出水豎井高284m、開挖和襯砌后的豎井直徑為5.5m和4m，是限制本標段完工的關鍵項目之一，也是限制整個工程上水目標時間的咽喉項目和關鍵項目，出水豎井的施工進度直接影響到整個項目上水目標的實現(xiàn)，意義重大。由于出水豎井的高差大、斷面小、施工穿越的地層復雜、圍巖條件差，造成豎井施工難度大、安全隱患大，為此必須研究出一套適用于小斷面、高豎井的開挖施工技術。國內(nèi)外缺少對類似的小斷面、大高差的豎井施工技術研究。本文針對施工中將出現(xiàn)的技術難度較大的開挖、除渣，以及設備對比選擇、正井和反井法施工進行研究和對比，總結(jié)一套施工方法，對類似項目有指導和參考作用。

1 工程概述

1.1 工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。工程年引水量為2.47億m3，設計流量20m3/s。工程引水干線起始于垣曲縣境內(nèi)板澗河河口右岸的小浪底水庫庫區(qū)，終止于聞喜縣境內(nèi)的呂莊水庫，線路總長度59.6km。

出水豎井是限制整個工程上水目標的關鍵項目，出水豎井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，總高差283.92m，出水豎井倒掛井段(492.72～470m高程)的開挖直徑為6.5m，噴混凝土厚15cm，鎖口混凝土厚0.5m；高程470m以下豎井段Ⅲ類圍巖的開挖直徑為5.4m，噴混凝土厚10cm，Ⅳ、Ⅴ類圍巖的開挖直徑為5.5m，噴混凝土厚15cm，井壁混凝土厚0.6m。

1.2 工程地質(zhì)條件

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15～60MPa，圍巖結(jié)構破碎，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，巖體破碎松散，呈碎裂、塊裂結(jié)構，層面軟弱滑塌嚴重，圍巖極不穩(wěn)定，以Ⅴ類圍巖為主。

2 施工技術方案

2.1 正井法、反井法施工工藝的對比和論證

2.1.1 施工工藝選擇

正井法是自上而下鑿井，最常用的辦法是采用人工或機械打眼放炮，人工裝巖或抓斗抓巖，吊桶出清。對于特殊地層也可以使用特殊方法，包括導井法、凍結(jié)法、帷幕法和注漿法等，有時幾種方法同時使用，施工效率隨著施工深度逐漸降低。

反井鉆機導井法是自下而上鑿井，利用反井法施工深井較正井法施工深井設備投入少、速度快、綜合經(jīng)濟效益高。但由于反井鉆機設備及配套設施費用較高，反井法多用于須多次或長時間使用反井鉆機的煤礦連通礦井和大型水電工程豎井的開挖，施工效率基本保持不變。

豎井施工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。由于出水豎井高度較高，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(見圖1)，為加快豎井施工進度，早日實現(xiàn)貫通，采取先正井開挖后反井開挖的施工方式。根據(jù)豎井底部壓力管道開挖進度安排，同時根據(jù)規(guī)范《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)要求，考慮開挖面爆破震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)合的方式進行開挖，即上部52m采用全斷面正井開挖，下部采用反井開挖，詳見圖2。

圖1 出水豎井布置

圖2 出水豎井開挖示意圖

2.1.2 正井法、反井法施工效益分析

在其他條件相同的情況下，在豎井深度較淺時正井法施工較反井法施工具有較大的優(yōu)勢，但隨著開挖深度的上升，正井法的施工效率逐漸降低，正井法施工的弊端就會逐漸暴露，排煙時間逐漸增長，垂直運輸時間也逐漸增長，施工效率降低。由此，反井鉆機施工在深豎井施工中具有較大的優(yōu)越性。

在出水豎井施工中，正反井相結(jié)合法和純反井法所需投資相差不大，但采取正反井相結(jié)合施工，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，能夠加快豎井施工進度，節(jié)約工期。

2.2 小斷面、高豎井開挖施工設備的定制與配套技術

2.2.1 設備選擇

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。考慮到后期出水豎井壓力鋼管吊裝需要，在豎井頂部布設一臺MGR25/3-11 A4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。出水豎井采取正反井結(jié)合的方式進行開挖，即上部52m采用全斷面正井開挖，下部采用反井開挖。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)采用SY16C小型挖機進行出渣；出水豎井正井段施工完成后，進行門機安裝，門機安裝完成后進行豎井余下部分反井施工，豎井余下部分采用LM-300型反井鉆機開挖的方法進行施工，利用反井鉆開挖先導孔、導井，然后利用導井作為豎井全斷面開挖時的溜渣井，開挖石渣采用SY16C小型挖機翻渣經(jīng)溜渣井滑落至豎井底部，利用3.0m3裝載機裝車，20t自卸汽車運至渣場。

結(jié)合出水豎井施工特點，門式起重機由特種設備生產(chǎn)廠家專門定制。門式起重機、小型挖機、反井鉆機主要技術參數(shù)詳見表1～表4。

表1 MGR25/3-11 A4通用門式起重機主要技術參數(shù)(一)

表2 MGR25/3-11 A4通用門式起重機主要技術參數(shù)(二)

表3 SY16C小型挖機主要參數(shù)

表4 LM-300型反井鉆機主要參數(shù)

2.2.2 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φ250的導孔與豎井底部相通，再在豎井底部安裝φ1400的反井鉆頭，自下而上擴挖，形成一個φ1400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。

在反井鉆機安裝平臺右側(cè)區(qū)域擴挖一個尺寸5m×2m×2m(長×寬×高)區(qū)域安裝液壓洗井泵，右側(cè)區(qū)域擴挖一個尺寸5m×2.5m×2.5m(長×寬×高)區(qū)域平臺作為反井鉆機操作室，詳見圖3。

圖3 反井鉆機基礎平面布置(單位：cm)

基礎施工：對出水豎井井內(nèi)布置的液壓洗井泵及操作車部位井壁進行擴挖，反井鉆機基礎采用C25混凝土分二期澆筑而成，一期形成基礎并預留反井鉆機地腳螺栓坑，待機體到位并進行初校后，澆筑二期混凝土，以確保反井鉆機與基礎牢固銜接，不發(fā)生移位?；A長3.0m、寬3.0m、高1.5m，基礎尺寸位置以鉆孔中心(豎井中心)定位?；A混凝土施工完畢后待強度達到70%以上，即可進行反井鉆機安裝。采用全站儀對開口點進行放樣，在反井鉆機機身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。

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)生偏斜的主要原因是鉆機定位不穩(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。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)。考慮到鉆孔過程孔底偏差影響，采用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。

2.2.2.1 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φ250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。開孔第一根、第二根鉆桿均為特殊穩(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，這樣便結(jié)束了開孔，開始正常的導孔鉆進了。

2.2.2.2 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12～15kN，鉆速在20r/min，鉆進速度在1.5m/h左右；Ⅳ類圍巖鉆桿壓力在15～26kN，鉆速在20r/min左右，鉆進速度在1.0m/h左右。

2.2.2.3 減小鉆桿軸向自重對先導孔的影響

為克服由鉆桿軸向自重等造成的偏斜，在鉆進過程中每隔10～20m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。

2.2.3 豎井擴挖

出水豎井導孔鉆孔完成后在導孔底部更換φ1400的反井擴孔鉆頭，自下而上擴孔開挖溜渣井，擴孔開始前，應先將動力頭出軸轉(zhuǎn)速調(diào)整為低速。開始擴孔時，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～12r/min)旋轉(zhuǎn)，并慢慢跟進，保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，鉆頭全部均勻接觸巖石后，才能正常擴孔鉆進。擴孔鉆進時破碎下來的巖渣靠自重落到豎井底部，由裝載機或其他設備運出。

溜渣井形成后進行豎井擴挖，根據(jù)豎井導井鉆進過程觀測以及反出的巖屑情況，對巖屑進行初步定性分析，結(jié)論為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。出水豎井擴挖炮孔布置見圖4,爆破參數(shù)詳見表5。

圖4 出水豎井擴挖炮孔示意圖

出水豎井擴挖過程中每輪炮出渣完畢后及時進行支護，支護采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土支護的方式進行施工，對于圍巖極差部位采取增設鋼筋骨架或環(huán)形拱架的方式聯(lián)合支護。

表5 出水豎井Ⅳ、Ⅴ類圍巖爆破參數(shù)

2.2.4 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小型挖機翻渣至溜渣井，渣溜至出水豎井底部，從壓力管道出渣。

溜渣井采用反井鉆機開挖，在出水壓力管道平洞開挖過程中將出水壓力管道豎井底部沿轉(zhuǎn)彎段起始位置水平擴挖至豎井側(cè)邊墻處，同時在平洞靠近豎井底部圍巖較好部位水平擴挖一個4m×4m×8m(高×寬×長)錯車道利于裝載機或挖掘機裝渣，詳見圖5。在反井開挖過程中開挖石渣將直接落入豎井底部，進行石渣出運；豎井擴挖采用SY16C挖掘機扒渣，將石渣通過導井溜至豎井底部，進行石渣出運；出渣完畢后，再次人工清除上部施工部位上殘渣及危石。開挖石渣采用3.0m3側(cè)卸式裝載機裝車，20t自卸汽車運至渣場堆放。

圖5 錯車道平面布置

2.2.5 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，由于豎井底部壓力管道必須開挖至豎井正下方后方可進行豎井反井施工，若按照設計圖紙，則彎段必須采用自下而上的爬罐法進行開挖，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，經(jīng)項目部研究決定，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。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，在出水壓力管道平洞靠近豎井部位設置錯車道。

2.3 豎井安全措施

在豎井開挖施工過程中，由于豎井高度高，圍巖條件差，故在開挖過程中安全隱患大。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。

2.3.1 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。

2.3.2 圍巖變形觀測

由于豎井圍巖條件較差，為確保豎井開挖安全，在豎井井壁每間隔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，豎井圍巖變形的觀測按照3天一測、5天一查的方式進行檢查。豎井安全檢查必須由專職安全員進行，在檢查過程中做好安全檢查記錄，若發(fā)現(xiàn)豎井存在變形，及時采取加強支護等措施保證安全。

2.3.3 人員上下通行

由于豎井斷面小，不具備單獨設置人員上下通行設備的條件。為此，經(jīng)咨詢特種設備生產(chǎn)廠家，在豎井布置的門式起重機上增設供安裝人員上下的專用吊籠；同時在豎井井口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，詳見圖6。

圖6 豎井爬梯布置

2.3.4 通風排煙

由于豎井高度高，在豎井開挖過程中井下鉆孔、出渣產(chǎn)生的煙塵難以散去。為此，在豎井井口安裝一臺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)時對豎井內(nèi)通風降塵。

2.3.5 通信及安全教育

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。

3 主要結(jié)論

a.在豎井底部壓力管道暫未貫通，不具備反井開挖條件時，采取先正井開挖后反井開挖的施工方式。采取正反井相結(jié)合施工，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，能夠加快豎井施工進度。

b.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。通過在門式起重機上增設供人員上下的專用吊籠，提高了人員通行的效率，保證了人員的通行安全，加快了施工進度。

c.以往常規(guī)做法溜渣井均設置在豎井中央，為提升小斷面豎井翻渣效率，將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。

d.反井法施工，必須控制好反井鉆機先導孔鉆進精度，鉆孔過程中采用穩(wěn)定鉆桿及開孔扶正器控制鉆孔精度，鉆進過程中合理控制鉆孔壓力、造孔速度等。為克服由鉆桿軸向自重等造成的偏斜，在鉆進過程中采取間隔10～20m放置一根穩(wěn)定鉆桿，減少鉆桿軸向偏移，保證先導孔鉆進精度。

4 結(jié) 語

豎井施工在國內(nèi)外已經(jīng)有了較為豐富的經(jīng)驗，但國內(nèi)外缺少對地質(zhì)條件復雜、圍巖條件差的小斷面、大高差的豎井施工技術研究。在山西省小浪底引黃工程施工Ⅱ標出水豎井施工中，通過對施工中將出現(xiàn)的技術難度較大的開挖、除渣，以及設備對比選擇、正井和反井法施工進行研究和對比，解決了斷面小、豎井高、地質(zhì)條件復雜的豎井施工難題，并總結(jié)了一套完整的施工方法，對今后類似小斷面高豎井工程開挖施工具有一定借鑒作用。在小斷面高豎井反井法開挖時，為了便于機械翻渣，將溜渣井布置于豎井一側(cè)，提高了施工效率；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；同時研制的一種適用于小斷面高豎井的人貨兩用龍門吊，有效提高了豎井施工效率，節(jié)省了施工成本，加快了施工進度，得到了業(yè)主的肯定，可為同類水利工程施工提供有力的技術支持。?