深竖井滑塌体开挖施工工法

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024)

1 前 言

竖井是工程施工中常遇到的类型。施工受地质情况制约较大，工程风险及施工风险较平洞开挖均高出许多。

溧阳抽水蓄能电站2号引水竖井井深172m，Ⅴ类围岩设计半径5.6m。所在区域地下水丰富，安山岩脉及断层在不同位置切割竖井围岩，竖井下部约50m范围为蚀变安山岩脉，受上部岩屑石英砂岩透水的影响，岩脉吸水软化，反井钻机反拉施工完成后出现导井塌方，塌方区域随后不断向上及周边扩展，超出开挖边线的塌方高度为100m，已不具备反井法施工条件，最终竖井开挖方式变更为在滑塌体内以正井法开挖。

竖井滑塌体开挖施工要解决的首要问题是开挖中采取何种方式有效维持井壁堆渣稳定，不出现二次滑塌，避免井壁出现空腔；其次需要解决的是开挖后采用何种方式维持井壁稳定。经过多方咨询，通过现场生产试验，最终决定多种加固措施联合运用，保证竖井塌滑体井壁稳定。

竖井滑塌体开挖利用该工法施工，过程中未发生井壁大范围滑塌，整体开挖效果良好，满足规范及设计要求。

2 工法特点

a.采用本工法最高月施工强度达到20m，平均月开挖强度15m，有效保证了工期。

b.检测数据显示，竖井未出现超出设计要求的变形，与其他方法比较，施工全过程安全、可靠，取得了良好的施工效果。

3 适用范围

本工法适用于类似地质条件的竖井施工，对于其他复杂地质条件下竖井施工，具有较强的参考和指导意义。

4 工艺原理

本工法关键技术为滑塌体内超前小导管配合水泥固结灌浆，保证竖井开挖成型，成型后采用圈梁混凝土、锚筋桩、钢拱架网架等加强支护形式稳定竖井，其工艺原理为：利用超前小导管灌注水泥净浆胶结周边岩石，使之与小导管共同形成薄壁壳体，滑塌体灌注水泥净浆，利用水泥净浆向下渗透，胶结下部滑塌体，形成第二道挡渣壳体，两者结合，有效地拦挡滑塌体二次滑落，保证竖井在滑塌体内开挖成型；采用加密环向拱架，增加纵向连接槽钢，两者连接成整体，形成类似于钢拱架网架的形式，提高支护的抗变形能力。同时增加环向钢筋混凝土圈梁及锚筋桩，再次加强支护体的抗变形能力。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

竖井滑塌体采用多种加固措施联合运用，其工艺流程如图1所示。

5.2 操作要点

以下结合溧阳抽水蓄能电站2号引水竖井滑塌体开挖叙述施工方法。

图1 竖井塌滑体施工工艺流程

5.2.1 开挖施工

5.2.1.1 系统布置

引水竖井开挖方式变更后，为满足开挖要求，在竖井井口布置了一套提升系统，满足人员上下、施工平台的需要。出渣采用布置在井口用于压力钢管安装的100t龙门吊。

5.2.1.2 开挖、出渣

井内采用0.3m3的85小反铲开挖，利用两个6m3出渣桶出渣。出渣桶装满后，由龙门吊提升至上部出渣平台的集料槽内卸料，集料槽底部自卸车装渣运至渣场。

5.2.2 水泥灌浆

滑塌体内利用一定水灰比的水泥净浆固结灌注范围内松散堆积体，使之形成一道胶结成整体的挡渣帷幕，可以有效阻拦井壁堆积体随开挖滑落，避免出现二次滑塌及井壁空腔。

竖井滑塌体由井壁剥落的岩体组成，岩体块径不一，极易因大块径岩块阻碍超前小导管顶入，出现小导管长度不够、注浆效果不理想等现象，造成部分井壁在开挖过程中塌滑，为防止此类情况发生，根据井壁堆渣体松散情况，进行滑塌体水泥灌浆。

2号引水竖井开挖施工中共进行了4次水泥灌浆，经过灌浆效果比较，浅层灌浆比深层灌浆更能够有效将井壁松散体固结，形成挡渣帷幕，达到灌浆目的。

为防止过量水泥浆进入竖井开挖区域，固结井内松散体，增加施工难度，最终灌浆参数为间距1.5～2.0m，灌浆花管1.5m长，灌注0.6∶1纯水泥浆，单孔灌浆3～5t，堆渣体内灌浆不起压。

水泥灌浆与超前小导管相互补充有效地解决了井壁堆渣体稳定的难题。

5.2.3 超前小导管

滑塌体自身稳定性差，为防止开挖过程中出现大范围二次滑塌，井壁出现空腔，影响施工及工程安全，在每开挖循环滑塌区域范围增加φ42、间距0.3m、长度4.5m的竖向超前小导管，孔向外倾10°～15°，并通过向小导管内灌注纯水泥浆固结周边松散体，使之与小导管形成壳体，共同拦挡滑塌体内石渣，维持井壁稳定。

经过灌浆效果对比，水灰比0.6∶1的纯水泥浆在堆渣体内固结效果优于其他水灰比。水灰比大于0.6∶1的水泥浆扩散性强，但易使水泥浆渗入井内，造成工作面内的石渣固结，增加施工难度，同时水泥用量增大，灌注时间过长，严重影响工程进度；水灰比小于0.6∶1的水泥浆扩散性弱，易出现扩散半径小、固结效果差、堆渣体松散和不同程度的二次塌滑。

5.2.4 支护

为加强竖井拱架的承载能力及抗变形能力，拱架间距加密至50cm，并在原有环向拱架的基础上增加纵向连接[14槽钢，间距1.5m，将环向拱架利用纵向槽钢连接成整体，纵向槽钢按照一个开挖循环一安装的原则，纵向槽钢与环向拱架交接处两侧焊缝满焊处理，上下两个循环的槽钢交错布置，接头处满焊。塌方区范围内无法施工普通砂浆锚杆，更改为自进式锚杆，未塌方区域仍施工砂浆锚杆。

5.2.5 混凝土圈梁与锚筋桩

为防止塌滑区域开挖使未塌方区域受力情况变化，而出现井壁变形、失稳，在滑塌范围上部浇筑钢筋混凝土圈梁，并施工锚筋桩，形成“锁口”结构，维持未塌方区竖井稳定。

塌滑体内每隔15m浇筑一次30cm钢筋混凝土圈梁，圈梁高度不小于2m。钢筋与模板通过井口布置的龙门吊吊运入井，安装模板时，预留6个进料口，同时在工作面中间挖容量为4～5m3的存料坑，放置吊运入井的混凝土料，采用0.3m3小反铲配合浇筑混凝土。

安装模板时，按照设计要求在圈梁上预埋φ100@300cm×300cm钢管，以便在混凝土圈梁拆模后进行锚筋桩钻孔施工。

混凝土圈梁拆模后，吊运潜孔钻入井施工锚筋桩，完成一孔后人工配合安插9.0m锚筋桩。

6 材料与设备

本工法采用的主要设备见表1。

表1 滑塌体施工设备

7 质量控制

7.1 工程质量控制标准

本工法以《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》《水电水利工程斜井竖井施工规范》为依据进行施工与质量控制。

7.2 质量保证措施

a.每1～2个循环由测量人员进行一次轴线偏差与井壁超欠挖复核，同时复核竖井顶拱的激光指向仪。

b.锚杆孔位、孔深、数量严格按照规范要求及设计图纸要去施工，偏差数不得大于要求。

c.超前小导管需保证顶入长度，严禁随意切割；灌注的水泥浆必须按照搅拌时间、水灰比的要求搅拌到位，单管注浆量满足设计量要求，保证水泥浆扩散半径达到15～20cm。

d.混凝土圈梁浇筑过程中严禁擅自加水。

e.水泥灌浆严格控制水灰比，灌注过程中依照规范要求，使用比重计定量检查水灰比，并做好记录备查。

f.增加的纵向连接槽钢，必须保证与环向拱架满焊，严禁出现点焊；上下连接槽钢上下交错，交接处满焊。

g.喷锚过程严格按照规范要求作业，保证喷锚厚度。

8 安全措施

a.本工法以《水利水电工程施工安全防护设施技术规范》《水利水电工程施工通用安全技术规程》为依据进行安全控制。

b.本工法为井下作业，安全问题突出。作业前与作业中的安全技术交底必须按要求执行。

c.提升系统必须每日检查，并详细填写检查记录，对发现的问题及时处理。

d.井壁堆渣体出现塌方，及时采用超前小导管将滑塌处封闭，如需要可进行水泥灌浆。

e.作业人员入井作业前，必须由管理人员认真检查各类防护用品的佩戴情况，严禁不佩戴、佩戴不合格人员下井作业。

f.由于作业面狭小，空气不流通，施工过程中井内空气污染严重，除加强通风外，作业人员必须戴特定口罩，并在作业面工作盘内放置氧气袋。

9 环保与资源节约

a.成立施工环境卫生整治机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有关防火及废弃物处理的规章制度。

b.施工场地合理布置各种醒目标识，做到标牌清楚、齐全，场地整洁文明。

c.将施工废水、废浆集中排至系统排污沟内，引排至洞口三级污水沉积池内，集中处理，废水按环境卫生指标进行处理达标后，在当地环保部门要求的指定地点排放，做到无污染排放。

d.定期清理排污沟、污水沉积池，做好弃渣及其他工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施。弃渣及其他工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。

e.对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。

10 效益分析

10.1 经济效益

在关键线路上的竖井开挖施工中实施本工法后，工期大大提前，为首台机组按期发电打下了基础，创造了良好的经济与社会效益。另外，本工法的实施，可为今后类似竖井或其他复杂地质条件下竖井施工技术的设计、监理和实施提供参考和指导。节能环保方面，由于开挖施工实际完成时间较原计划提前，从而减少了机械设备对油料等资源的消耗，对于施工所用的“风、水、电”等资源的消耗亦大大减少。

10.2 社会效益

该项工法是在复杂地质条件下竖井开挖施工的经验总结，已经通过实践验证，月平均施工强度15m，最高月强度达到20m，在施工方面具有进度快、环保性好等特点。为今后同类地质条件下的竖井施工提供了宝贵经验，也为类似地质条件下的竖井施工开拓了新思路。

11 工程实例

江苏溧阳抽水蓄能电站主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4部分组成。电站安装6台单机容量250MW的可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1500MW。输水系统引水主洞共2条，断面为圆形，包括上平段、上弯段、竖井段、下弯段和下平段。

11.1 应用实例1

1号引水竖井实际开挖深度为174.5m(上部高程为124.9m、下部导洞顶拱高程为-49.6m)，设计开挖直径10.8m。竖井内设置内径9.2m的引水压力钢管，钢管与岩壁之间采用C20混凝土回填。受F54断层及影响带、节理裂隙发育的泥化夹层、45号安山斑岩岩脉影响，引水竖井工程地质条件极其复杂。

本工法于2013年9月在1号竖井工程得到应用验证，效果良好，顺利完成了高程74.5～62.5m塌方段开挖支护施工。经监测，目前1号引水竖井工程运行正常。

11.2 应用实例2

江苏溧阳抽水蓄能电站2号引水竖井深172m，竖井顶部高程127m，底部高程-45m，设计开挖直径10.8m。竖井内设置内径9.2m的引水压力钢管，钢管与岩壁之间采用C20混凝土回填。受F54断层及影响带、节理裂隙发育的泥化夹层、45号安山斑岩岩脉影响，2号引水竖井工程地质条件极其复杂。

施工中，在半径5.6m已滑塌竖井内采用正井法开挖施工，井壁无法自稳，采用竖向超前小导管灌浆与滑塌体水泥灌浆固结相结合的加固方式，与井壁松散岩块在开挖边线外形成薄壁壳体结构，保证滑塌体不随开挖出现二次滑塌。在开挖出渣完成后，测量人员入井检查，在对欠挖部位处理完成后，支护人员安装钢筋网、钢拱架，施工下循环超前小导管及系统锚杆，进行混凝土喷护。如开挖过程中井壁岩块出现大范围松散情况，在本循环喷锚完成后，立即利用预埋的注浆管进行水泥灌浆。每进尺15m，进行一次钢筋混凝土圈梁浇筑，等强后，吊运CM351履带潜孔钻入井，通过预留的管孔施工锚筋桩。通过混凝土圈梁、锚筋桩并结合原有的支护体系，共同加强竖井支护体的稳定性。

应用本工法，顺利完成了2号引水竖井开挖支护施工，较计划工期提前3天，效益显著。经检测，目前2号引水竖井工程运行正常。