土石方与导截流工程

倾倒蠕变岩体深竖井快速开挖支护技术

张永岗，杨育礼，何玉虎

（中国水利水电第十四工程局有限公司）

关键词：倾倒蠕变岩体　深竖井　加强支护　设备扒渣　快速施工

1 工程概况

1.1 工程简介

黄登水电站在主变室右端布置一条出线竖井，下部与主变室连通，上部与出线楼连接，深208.8m，圆形，高程1690.3～1481.5m，开挖直径10.4m，衬砌后直径8.5m。

1.2 地质条件

出线竖井岩性为变质火山角砾岩夹变质凝灰岩，竖井井口0～50m段为倾倒蠕变岩体分布区，岩体为强风化、强卸荷、松散破碎、夹泥，以散体结构为主，岩体类别为Ⅴ类；50～58m段为强卸荷带，顺层挤压面发育的t_j5、断层f₂₃₀破碎带及影响带范围，岩体较破碎，结构面发育，属镶嵌夹碎裂结构，为Ⅳ类围岩，井壁稳定性差。竖井井口以下58～208m段，为弱风化、卸荷及卸荷岩体，岩体结构类型以次块状结构为主，局部镶嵌结构，节理裂隙发育，围岩类别为Ⅲ类。

2 施工程序及方法

2.1 施工程序

测量放线→反井钻机基础施工→反井钻机安装→导孔钻进→反导井施工→一次扩挖卷扬系统布置→一次扩挖→二次扩挖材料、人员提升系统布置→二次扩挖及支护。

2.2 施工方法

（1）导孔及反导井施工。用全站仪放出竖井轴线位置，然后进行反井钻机基础预埋件安装和混凝土浇筑，强度达到70%时进行反井钻机安装及调试。导孔钻进采用φ216钻头自上而下进行，钻渣用大流量高压水冲洗从孔口返出。导井钻穿后，从下部安装直径1.4m反井钻头，自下而上进行反导井施工。

（2）一次扩挖。在竖井上部设置简易门型架和卷扬系统，并用直径1.2m圆形导向吊笼承担人员、材料、设备的上下运输，吊笼设置防坠装置，确保施工人员安全。一次扩挖自下而上沿轴线中心造辐射孔，分段进行爆破开挖，分段长度控制在4m左右，扩挖后形成直径3.4m溜渣井。

（3）二次扩挖及支护。二次扩挖自上而下分层进行，分层高度：Ⅳ～Ⅴ类围岩为1.0～1.5m，Ⅱ～Ⅲ类围岩为2.5～3.0m。二次扩挖采用“钻孔样架技术”用手风钻造垂直孔进行爆破开挖，设计轮廓线进行光面爆破。采用非电雷管微差起爆法爆破。爆破渣料用小反铲扒渣从一次扩挖形成的导井溜渣至主变室运走。

二次扩挖期间，分别设置载人吊笼、载物吊笼、井盖和设备吊运三套垂直运输系统。二次扩挖每完成一个钻爆开挖循环后及时进行安全支护施工。

3 主要施工技术

3.1 竖井导孔及反导井施工

（1）反井钻机基础及泥浆系统施工。确定好竖井中心后，以此为基础中心，开挖长4m、宽3m、深0.5m的槽子，清基后浇筑钻机基础混凝土。在钻机基础周围砌筑3m×2m×1.0m的水池用于导孔钻进排渣及循环供浆（水）。

（2）供电、供水。反井钻机电机功率87.5kW，钻机用高压泥浆泵90kW，主油泵75kW，副油泵7.5kW，电压等级为380V，总功率260kW。导孔钻进需水5～10m³/h，用于循环排渣。冷却反井钻机液压系统，扩孔钻进需水15m³/h，用于冷却液压系统和扩孔钻头。

（3）钻机安装调试及试运转。①接通所有电机电源，进行短暂通电，观察电机转向；②接通钻机泵车到操作车、钻机之间进回油管路；③安装机械手和转盘吊；④钻机调平、找正；⑤安装下支撑和前后斜拉杆；⑥ 浇地脚螺栓孔；⑦接通冷却水系统；⑧进行泥浆泵调试，形成水（泥浆）循环系统。

（4）导孔钻进。导孔钻进参数主要依据地层条件、钻进部位等多方面因素确定。一般按表1所示参数施工，在施工时根据不同岩石及地质情况调整。

（5）反导井钻进。导孔钻穿后，拆下导孔钻头，接上扩孔钻头，然后开始缓慢上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速（5～9r/min）旋转，并慢慢递进，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏。等刀齿把凸出的岩石破碎掉，钻头全部均匀接触岩石，开始正常进行扩孔钻进。当钻头钻至距钻机基础混凝土2.5m时，降低钻压慢速钻进，慢慢上提扩孔钻头，直至钻头安全露出地面。

（6）导孔不反水处理。黄登水电站出线竖井开始钻进导孔内就无返水，先采用常规固壁处理方法，历经16天，导孔才钻进18m。后来调整方案：对竖井中心4m直径范围基岩进行预固结灌浆，根据倾倒蠕变岩体及强卸荷岩体取灌浆孔深69m，共布置4个孔，其中一孔在导孔中心，另外3个布置在圆周边线上，中心角120°。灌浆孔采用地质钻机造孔，自上而下分段孔口封闭法灌浆。孔口2m设置孔口管，钻孔孔径φ75。钻灌分段控制，第1段段长2m，第2段段长3m，第3段及以下段长6m。浆液采用0.5∶1。灌浆压力：周边孔0.2MPa，中心孔0.5MPa。注入率不大于1L/min时，继续灌注15min结束。

在完成灌浆后，重新启动导孔钻进。钻孔到距离井口121m的地方后再次出现不返水情况。将反井钻钻杆和钻头提出，采用0.5∶1∶1的水泥砂浆灌注，灌注总量为将整个已钻的导孔灌满。

出线竖井在导井钻进过程中先后经历了一次预固结灌浆和两次固壁灌浆，有效解决了导孔不返水问题。

3.2 一次扩挖施工

（1）卷扬系统布置。一次扩挖卷扬系统采用10t卷扬机，配一个直径1.2m导向吊笼用于手风钻、钻杆、爆破材料及人员吊运，吊笼设置防挂和防坠装置。一次扩挖卷扬系统布置见图1。

（2）一次扩挖钻孔及爆破。一次扩挖采用YT-28手风钻自下而上造环向辐射孔，分段造孔爆破开挖。辐射孔间距按照中心角40°均匀布置，每排布置9个孔，排距0.8m，钻孔下倾10°，孔深1.0m。装药长度0.65m，堵塞长度0.35m，单孔装药量0.65kg，微差毫秒雷管磁电起爆，分段长度4m。爆破设计参数见表2。

3.3 二次扩挖施工

二次扩挖自上而下分层开挖，采用YT-28手风钻造竖直孔，轮廓线采用“钻孔样架技术”钻孔、光面爆破，分层开挖高度按Ⅳ～Ⅴ类围岩1.0～1.5m、Ⅱ～Ⅲ类围岩3.0m控制。

（1）井口锁口支护。在二次扩挖前，先进行井口锁口混凝土和锚筋桩施工。锁口混凝土厚1.5m，高3.0m，采用C25钢筋混凝土；锚筋桩沿竖井周边布置，钻孔与井壁方向夹角15°向外倾斜，规格L=9.0m，3φ32@2.0m。采用组合钢模及拉筋加固，泵送及溜槽直接入仓，人工平仓，插入式振捣器振捣。

（2）二次扩挖提升系统设置。二次扩挖期间，在井口上方设置提升系统负责人员、材料、设备及井盖下井。竖井提升系统包括135kN矿用绞车、龙门架、滑动平台及轨道、卷扬机（吊井盖、稳绳、载人吊笼、滑动平台共4台）、井盖、反铲底座等，在提升系统上部设置雨棚确保雨季施工。出线竖井提升系统布置见图2、图3。

（3）二次扩挖施工。竖井二次扩挖采用手风钻垂直钻孔分层爆破开挖，周边孔光面爆破，分层高度据围岩类别确定，爆破孔布置按照主爆孔间距0.8m、周边光爆孔间距0.5m进行控制。主爆孔超深0.8m，光爆孔超深0.5m。主爆孔采用φ32药卷连续装药，周边孔采用φ22药卷竹片间隔装药，孔口用砂袋堵塞。起爆分段采用圆周分段法，爆破孔用非电毫秒雷管起爆网络。出线竖井二次扩挖钻孔及爆破设计见图4，爆破参数见表3。

（4）二次扩挖测量控制。出线竖井扩挖测量采用分段控制法，利用出线平台、上坝交通洞、新增6#施工支洞、主变室作为通道将竖井测量分为三段。采用垂球吊线定点、钢尺量距的方法进行测量放样，超欠挖检查。分别在上坝交通洞、新增6#施工支洞、主变室使用全站仪测设三维坐标进行规格检查、断面复核。采用全站仪测量高程基准点，利用50m钢尺量取垂直距离计算与基准高程的高差来控制。

3.4 支护施工

3.4.1 出线竖井支护参数

竖井上部井口3φ32@2m×2m，L=9m，偏角15°锁口锚筋桩；下部井底与主变室交叉口φ32@1.5m×1.5m，L=9m，125kN预应力锁口锚杆；井筒φ25(28)@2m×2m，L=4.5m(6m)系统锚杆交错布置；井筒边墙局部挂φ6.5mm钢筋网；喷C20素混凝土15cm。

实际施工阶段，地质条件发生变化，设计对井筒进行了加强支护调整。调整后支护参数如下：

（1）井口0～3m段：增加3m锁口钢筋混凝土，同时将3m范围内原设计系统锚杆φ25/φ28@2m×2m，L=4.5/6m，调整为3φ32@2m×2m，L=9m锚筋桩。

（2）井口0～10m段：增加环向钢支撑（采用I20b工字钢），上5m榀间距为0.5m，下5m榀间距为0.75m，钢支撑纵向采用［12.6槽钢连接，间距1.5m。

（3）井口0～50m段：

1）出线竖井采取分层开挖，开挖高度1.2～1.5m。在开挖前井壁周边向外倾10°～15°钻孔进行超前预固结灌浆，钻孔间距2m，孔深3m，分两序进行，灌浆压力控制在0.1～0.3MPa。由于围岩破碎，对下部预固结灌浆参数调整为：孔深3.0m，孔距0.75m，排距3.0m，钻孔方向沿孔壁外倾10°～15°，预固结灌浆采用水泥砂浆进行，若每孔耗灰量达到500kg时孔口未返浆即结束灌浆。

2）有护壁混凝土段，每隔三排锚杆替换一排锚筋桩3φ32@2m×4.5m（间距×排距），L=9m。

3）竖井采取1.5m一个循环进行护壁处理，如超挖大于30cm的面积小于该循环30%，则采用喷C20混凝土方式支护，喷混凝土面齐平开挖面；如超挖大于30cm的面积超过该循环30%，则采用立模板进行C₂₈20自密实混凝土浇筑，护壁配筋采用单层（环向φ28@200，纵向φ18@200）钢筋，护壁钢筋与锚杆及锚筋桩焊接为一整体，确保护壁混凝土的稳定。为了便于下料，每层护壁混凝土厚度上部可比下部厚10cm，形成倒锥形，但不侵占后期0.8m厚混凝土永久衬砌结构。

（4）井口以下53～65m段：首先对出线竖井高程1625～1637m范围内的松动岩体进行人工清撬，然后挂设φ6.5@0.2m×0.2m钢筋网，喷C20厚15cm微纤维混凝土。高程1625～1637m，从上坝交通洞口外壁沿顺时针方向180°范围内增加3φ32@1.5m×1.5m、L=9m锚筋桩，安装前先用0.5∶1的浆液、0.3MPa的压力对开裂破碎松散的围岩进行预固结灌浆。待锚筋桩施工完成之后，对同区域挂设GPS2型主动防护网，防止出线竖井继续下挖时掉块对下部施工造成安全隐患。

（5）井口以下65～208.5m段：维持原参数，井筒砂浆锚杆φ28/φ25@2m×2m、L=6m/4.5m，梅花形交替布置；喷C20素混凝土，厚0.15m；视情况局部挂φ6.5@0.2m×0.2m钢筋网。

3.4.2 竖井支护施工

竖井支护施工程序：施工准备→锚杆→挂网→喷混凝土→护壁混凝土→下一循环。

（1）锚杆和锚筋桩施工。4.5m、6m锚杆采用YT-28手风钻造孔，大于6m锚杆和锚筋桩采用QZJ-100B轻型潜孔钻造孔，人工在爆渣上安插锚杆，UH4.8注浆机注浆。

普通砂浆锚杆采用“先注浆后安装锚杆”的施工工艺，大于6m的普通砂浆锚杆或锚筋桩采用“先安装锚杆后注浆”的施工工艺。

（2）挂网喷微纤维混凝土施工。先喷1层3～5cm厚混凝土后，人工挂铺钢筋网，并与锚杆和附加插筋连接牢固，然后进行第2、3层施喷，每层喷厚3～6cm，第4层一般情况下作为复喷。竖井段采用人工在爆渣上或短梯上作业。喷混凝土用6m³搅拌运输车从拌和楼运输，溜管溜至工作面，TK500混凝土喷射机施喷。喷微纤维混凝土3～4层，一次喷护到位。

钢筋网为屈服强度300MPa的光面钢筋（Ⅰ级钢筋）或GPS2型主动防护网（4m×5m）；微纤维采用聚丙烯微纤维，其纤维抗拉强度应不小于450MPa、纤维杨氏弹性模量应不小于500MPa、纤维断裂伸长率不大于25%，微纤维长度14mm，掺量0.9kg/m³。

钢筋网在钢筋加工厂编焊，8t载重汽车运至工作面后人工铺挂。钢筋网与锚杆焊接牢固，且尽量紧贴初喷面。对有凹陷较大部位，可加设短插筋或膨胀螺杆拉紧钢筋网。

3.4.3 型钢拱架施工

型钢拱架在加工厂分段加工制作，8t载重车运输至现场，人工安装。圆弧形工字钢加工采用自制的工字钢弯曲机冷弯而成，制作成单元标准件，单元标准件端头部位焊接连接钢板，连接钢板上设置螺栓孔，用于井内现场安装时的快速连接。单元件上间隔80cm焊接φ38的短钢管，用于现场安装时榀与榀之间的连接钢筋的固定，榀与榀之间的连接钢筋采用φ25钢筋。拱架安装后与系统锚杆或随机锚杆焊接固定。

3.4.4 护壁混凝土施工

竖井井口以下50m段由于岩石极其破碎，自稳能力差，采用护壁混凝土进行支护，施工程序为：施工准备→钢筋绑扎→立模→浇筑→拆模→下一循环。护壁混凝土钢筋在场内加工，8t载重车运至现场人工绑扎，模板采用组合钢模拉筋加固，混凝土采用搅拌运输车运至现场、溜管输送至仓面、人工插入式振捣器振捣。

4 结语

黄登水电站倾倒蠕变岩体内深竖井开挖支护的安全快速施工完成，摸索出了一套适合复杂地质条件下深竖井快速施工的方法，对今后竖井快速施工有一定的借鉴意义。其中设备下井扒渣施工方法的成功使用，具有安全、快速、经济等特点，大幅度提高竖井二次扩挖施工效率，取得较好的经济效益和社会效益。施工中积极总结所使用的新技术，申请获批了“一种中小型断面竖井下井扒渣装置”“一种竖井开挖期吊笼稳绳装置”和“一种竖井一次扩挖导向吊笼”三项实用新型专利。