土石復(fù)合地質(zhì)條件下豎井開挖與支護施工方法分析

牛 銳

（山西省柏葉口水庫建設(shè)管理局 山西太原030002）

1 工程概況

山西中部引黃工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為II 等。工程包括水源工程和輸水工程，水源工程位于山西省保德縣。水泵設(shè)計揚程200.0 m；總裝機容量9.6 萬kW。電纜豎井出口位于泵站廠房上部地面廠區(qū)綜合設(shè)備樓內(nèi)部，為連接泵站廠房和地面廠區(qū)的主要通道，內(nèi)設(shè)一部高速電梯和步行樓梯供運行維修人員使用。井內(nèi)主要布置技術(shù)供水管、消防水管、正壓通風(fēng)井、澆筑母線、動力電纜、控制電纜及通訊電纜等。電纜豎井?dāng)嗝鏋閳A形，井口高程1 028 m，下部通往泵站廠房電纜連接洞，井底高程830.7 m，總高度為197.3 m。豎井襯砌后內(nèi)徑為8.4 m。土洞段深度71 m，開挖斷面直徑11.4 m，石方段深度126.3 m，開挖直徑9.8 m。

2 地質(zhì)情況

通過地質(zhì)勘探，地面廠區(qū)至地下廠房豎井部位，1028～957 高程主要是覆蓋層，地質(zhì)成分主要為低液限粉土、黏土、砂巖，此段為土洞段；957～935 高程屬強風(fēng)化-弱風(fēng)化過度段，多為鈣化土，部分圍巖為泥灰?guī)r、礫巖、頁巖及煤層，巖體較為破碎，完整性差；935～845 高程為中厚層灰?guī)r，巖石堅硬，巖體完整性好；845～828 高程地質(zhì)成分為泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖。

3 豎井土方段開挖支護

3.1 豎井土方段開挖

3.1.1 開挖方案

電纜豎井土洞部分開挖采用垂直明挖法進行施工，挖掘機具為小型挖掘機，深度達到一定程度后，特別是臨近土洞段末期，圍巖慢慢變硬，小型挖掘機的施工會變得越來越吃力，此時，改用鉆孔爆破的方式進行開挖，扒渣還采用小型挖掘機來完成，吊車負責(zé)吊渣，再由自卸車運渣到指定位置傾倒。根據(jù)電纜豎井倒掛混凝土施工的分層高度，確定豎井開挖分層高度為2～3 m/層，開挖過程中根據(jù)施工難易程度適當(dāng)調(diào)整開挖分層高度。

3.1.2 施工重點與難點

電纜豎井在露天的環(huán)境下進行施工，施工區(qū)域處于濕陷性黃土地區(qū)，在正常濕度下，這種土的壓縮性較低。同時，受天氣影響較大，雨天無法施工，雨大時封閉井口。

由于電纜豎井開挖高度為200 m 左右，施工高度大、空間狹窄、施工程序復(fù)雜，且有71 m 左右的土方段豎井開挖，土方段豎井開挖只能采用正井開挖，開挖一段，澆筑一段倒掛井混凝土，施工難度較大。

3.1.3 開挖支護工藝及措施

1）開挖準備

施工人員、機具準備就位；施工用水、用電、通訊系統(tǒng)的建立；臨建搭設(shè)。

2）測量放線

前期采用萊卡TS02 全站儀放線，后期采用激光指向儀控制開挖，定期進行激光指向儀校正，確保開挖方向無誤。同時可采用吊垂線等方法控制豎井軸線。

3）鎖口段開挖

豎井井口鎖口段采用225 挖掘機直接開挖，20 t自卸汽車出渣。人工清基，然后進行鎖口段掛網(wǎng)、噴混凝土施工，最后進行鎖口段混凝土澆筑。

4）1 000 m 高程以上部分土方段豎井開挖

豎井高程約1 000 m 以上為可以采用小型挖掘機直接進行開挖，采用自制出渣吊斗裝渣，25 t 汽車吊將渣料吊至地面堆存，堆至一定數(shù)量的時候，再采用裝載機配合自卸汽車將渣料運輸至渣場。

5）1 000 m 高程至957 m 高程土方段豎井開挖

豎井高程約1 000 m 以下為無法直接采用小型挖掘機進行開挖的部位，只能采用爆破開挖，出渣程序同上。

3.2 豎井土方段支護

3.2.1 支護施工參數(shù)

電纜豎井土方段支護主要有Φ22@1.5 m×1.5 m，L=5.0 m，外露1.0 m，末端彎折0.7 m，梅花型布置的系統(tǒng)錨桿，掛Φ8 鋼筋網(wǎng)@20 cm×20 cm，I18 型工字鋼@60 cm 環(huán)形支撐，噴射C20 混凝土，厚度20 cm，再澆筑C20 倒掛井混凝土，厚度為80 cm。

3.2.2 支護施工方案

1）錨桿施工

根據(jù)施工條件，錨桿孔以風(fēng)煤鉆為主，手風(fēng)鉆為輔，均采用砂漿注漿，錨桿采用“先注漿、后插桿”的施工工藝。錨桿采用汽車吊吊運至井內(nèi)作業(yè)面，人工安裝，現(xiàn)場拌制漿液，自拌式注漿機注漿，錨桿支護跟進開挖掌子面。

2）掛網(wǎng)

井壁掛網(wǎng)一般在錨桿施工完成后進行，按照先制作網(wǎng)片、后掛設(shè)的工藝施工，在鋼筋加工廠按照網(wǎng)格間距加工成3.0 m2至5.0 m2一片，運輸至工作面后，貼在巖面上，與錨桿間牢固焊接或綁扎固定。

3）噴混凝土

噴混凝土料在現(xiàn)場拌合系統(tǒng)拌制，通過Φ80 垂直噴漿管垂直輸送至施噴工作面。

3.2.3 倒掛井混凝土施工

1）施工分層、分塊

電纜豎井土方段深度為71 m，倒掛井混凝土施工分為2 m/層。開挖一層，支護一層，澆筑一層混凝土，再進行下一層開挖。

2）施工通道布置

礦用絞車提升系統(tǒng)投用前，施工通道利用垂直鋼爬梯人員上下，后期乘坐礦用絞車提升系統(tǒng)至作業(yè)面。

3）材料運輸方案

礦用絞車提升系統(tǒng)投用前，采用25 t 汽車吊進行豎井施工材料運輸，后期采用絞車垂直運送材料。

4）模板及加固方案

根據(jù)分層、分倉規(guī)劃，圓形豎井混凝土倉位較大，模板規(guī)劃是影響進度的重要因素之一。經(jīng)綜合研究，電纜豎井配置一套定型鋼模板、一套定型鋼模板支撐架用于倒掛井混凝土施工。前期利用腳手架、組合鋼模、木模板拼裝。

5）混凝土澆筑方案

電纜豎井一襯混凝土采用8 m3混凝土運輸車運輸至現(xiàn)場，采用溜管、溜槽入倉，人工抹面。錨桿施工工藝流程見圖1，噴混凝土施工工藝流程見圖2。

4 豎井石方段開挖支護

4.1 開挖方法

圖1 錨桿施工工藝流程

圖2 噴混凝土施工工藝流程

豎井土方段開挖支護、倒掛井混凝土施工完成后，進入豎井石方段開挖、支護作業(yè)。豎井石方段開挖分為三個步驟，首先自上而下先導(dǎo)孔施工，然后更換擴孔鉆頭自下而上1.4 m 擴孔鉆進，最后采用鉆孔爆破的方法將豎井?dāng)U挖至設(shè)計斷面。

反導(dǎo)井：電纜豎井反導(dǎo)井采用LM-200 型反井鉆施工，導(dǎo)井直徑1.4 m，導(dǎo)井開挖高度126.3 m（EL957 m～EL830.7 m）。導(dǎo)孔鉆進強度為8 m/d，擴孔鉆進強度為10 m/d，局部斷層破碎帶根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行灌漿固壁處理。

上部反井鉆機由1#公路進入EL957 施工平臺，下部出渣采用3 m3裝載機運渣至電纜連接洞裝20 t自卸汽車出渣。

直徑1.4m 反導(dǎo)井形成后，采用正井法全斷面擴挖大井，人工扒渣。井筒巖壁支護滯后開挖工作面3～4 m。

設(shè)計輪廓線采用手風(fēng)鉆光面爆破，循環(huán)進尺控制在3 m；鉆孔及井壁支護施工時，對導(dǎo)井口進行封閉。

反井鉆機施工工藝流程見圖3。

圖3 反井鉆機施工工藝流程

4.2 提升系統(tǒng)安裝

擴孔完成后，即進行豎井?dāng)U挖提升系統(tǒng)的制作安裝。提升系統(tǒng)包含1 臺10 t 變頻卷揚機牽引井蓋，1臺16 t 雙筒絞車牽引吊籠。通過井蓋運送設(shè)備和材料，吊籠運送人員至掌子面施工。

提升系統(tǒng)工作示意圖見圖4。

圖4 提升系統(tǒng)工作示意圖

4.3 豎井石方段支護

電纜豎井石方段支護包括掛網(wǎng)噴混凝土、砂漿錨桿、工字鋼支護等內(nèi)容。

全斷面鋼筋混凝土襯砌厚50 cm。初期支護采用錨噴支護，Ⅲ類圍巖支護參數(shù)為：錨桿Φ22 mm@1.5 m×1.5 m，L=3.0 m，外露0.4 m，末端彎折0.2 m，梅花形布置；噴C20 混凝土厚15 cm；Ⅳ類圍巖支護參數(shù)為：錨桿Φ22 mm@1.5 m×1.5 m，L=4.5 m，外露0.4 m，末端彎折0.2 m，梅花形布置；噴C20 混凝土厚20 cm，掛鋼筋網(wǎng)Φ8 mm@20 cm×20 cm；Ⅴ類圍巖支護參數(shù)為：錨桿Φ22 mm@1.2 m×1.2 m，L=4.5 m，外露0.4 m，末端彎折0.2 m，梅花形布置；I18 型工字鋼@60 cm 環(huán)形支撐，噴C20 混凝土厚20 cm，掛鋼筋網(wǎng)Φ8 mm@20 cm×20 cm。

圖5 豎井?dāng)U挖支護工藝流程

支護施工措施基本參照土方段的支護方法執(zhí)行。豎井?dāng)U挖支護工藝流程見圖5。

5 經(jīng)驗與建議

5.1 經(jīng)驗

此豎井工程施工，斷面直徑寬、深度長，為典型的深大豎井開挖支護施工范例。同時地質(zhì)條件復(fù)雜，既有土方開挖，又有石方開挖。土方段采用正井法開挖，石方段采用了反井鉆機導(dǎo)井掘進，然后自上而下爆破擴挖；支護方式除了應(yīng)用了常規(guī)噴錨、掛網(wǎng)、工字鋼支護，還進行了倒掛井混凝土澆筑支護。整個施工過程機械化程度較高。

反井鉆機導(dǎo)井施工是一種簡單高效的施工方法，不僅能節(jié)約工期，而且能夠?qū)Φ刭|(zhì)情況提前摸清，對后期爆破擴挖施工中爆破參數(shù)確定、爆破方法采用提供了支持，大大增加了施工安全性，避免了對周圍巖石不必要的擾動。

豎井施工中垂直運輸及提升設(shè)備的體統(tǒng)設(shè)計是施工中的重點，更是施工安全的保障。采用同步卷揚機，多吊點起吊方式既可增加載重量，又可以保證運輸平穩(wěn)可靠。

開挖施工過程中如遇到溶洞與豎井垂直相交，可采用泵送混凝土加溜混凝土管的方式進行回填，回填完成后在井壁進行接觸灌漿的方式解決。

開挖施工過程中遇到井壁滲水的情況時，可采取灌漿堵水的方法進行處理，這項工作于初期支護后，井壁混凝土襯砌前進行。襯砌后如發(fā)現(xiàn)混凝土井壁依然出現(xiàn)滲水，此時可用化學(xué)灌漿的方法進行封堵。

5.2 建議

反井鉆機導(dǎo)井施工遇到不同圍巖類別的巖石應(yīng)對應(yīng)調(diào)整工作壓力，避免造成塌孔；同樣爆破擴挖過程中遇到不同地質(zhì)條件應(yīng)及時調(diào)整爆破參數(shù)。

在反井鉆機開挖過程中應(yīng)嚴格控制導(dǎo)井掘進垂直度，并加強圍巖變形觀測，以測量數(shù)據(jù)作為施工指導(dǎo)，做到信息化施工。切不可盲目最求進度，造成導(dǎo)井斜率過大，對后期爆破擴挖增加難度，甚至難以彌補。

一次爆破深度不宜過長，容易在溜渣過程中造成堵井，另外，應(yīng)注意視圍巖情況及時調(diào)整爆破方式和參數(shù)，避免出現(xiàn)大塊碎石堵塞導(dǎo)井，避免二次爆破。

加強相關(guān)法律條文、規(guī)程規(guī)范、特別是強制性條文的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，并嚴格執(zhí)行，此項內(nèi)容為保證施工安全、優(yōu)化施工方案、加強施工管理的有力措施。