黄金峡水利枢纽泵站出水洞竖井施工技术研究

晏安平 邵北涛 王 博

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710024)

在抽水蓄能电站、泵站等工程建设中,为发挥引调水、通风、交通等作用,常需采用竖井这一特殊隧洞形式。目前国内常用的施工方法分为正井法和反井法,选择适合的施工方案,有效保证安全施工,提高施工效率是近年来技术人员重点研究的问题之一。梁剑等[1]依托山西省小浪底引黄工程施工Ⅱ标出水竖井开展方案比选,在竖井底部压力管道暂未贯通,不具备反井开挖条件时,采取先正井开挖后反井开挖的施工方式;安徽绩溪抽水蓄能电站水库导流泄放洞根据施工整体进度,制定了先期采用正井法全断面开挖施工,平洞贯通后竖井底部具备出渣条件后改用“先导井,后扩挖”法的竖井施工方案[2];长沙市森林防火监测站项目竖井虑到岩石表层风化严重,在反向开挖到离地面15m处时停止,剩余段采用正向开挖[3];山西中部引黄工程电缆竖井针对既有土方开挖又有石方开挖的复杂地质条件,选用土方段采用正井法开挖,石方段采用反井钻机导井掘进,自上而下爆破扩挖的施工方式[4]。本文结合已有案例,总结出两种施工方法的适用条件,并依托黄金峡水利枢纽输水竖井开挖方案,对传统的反井法根据工程实际进行优化。

1 概 述

黄金峡水利枢纽系引汉济渭工程的龙头工程,为引汉济渭工程主要水源地之一,由挡水建筑物、泄水建筑物、泵站电站建筑物、通航建筑物和过鱼建筑物等组成,其中抽水泵站位于工程左岸,安装7台1.8万kW立式水泵机组,总装机12.6万kW,抽水流量70m3/s,设计扬程106.45m。

泵站出水洞布置于泵站左侧山体内,由水平段、圆弧段和竖井段组成,水平段长184.37m,圆弧段长28.27m,竖井段长103.13m。竖井为圆形断面,内径6.0～8.0m,开挖直径7.8～9.4m。竖井顶部布置出水池,末端接黄三隧洞。出水竖井纵剖面见图1。

图1 出水竖井纵向剖面

2 竖井开挖施工特点与难点

a.竖井段围岩为闪长岩,高程500m以上主要为弱风化下带岩体,属Ⅳ类围岩,稳定性较差,可能局部垮塌或变形破坏;高程500m以下主要为微新岩体,属Ⅲ类围岩,基本稳定,局部可能产生掉块。总体上看,竖井围岩古老,断裂构造较发育,开挖过程中受爆破和卸荷影响,易形成局部块体,发生掉块或局部垮塌现象,对竖井开挖施工安全构成较大隐患。

b.竖井深埋于左岸山体内,竖井深且断面大,井深达103.13m,最大开挖直径达9.4m,开挖过程中出渣、通风困难,施工条件差,难度大。

3 竖井开挖方案研究

目前国内常用的竖井开挖方法分为正井法和反井法两种,国内、外竖井特点及开挖施工方法见表1,如山西省小浪底引黄工程施工Ⅱ标出水竖井,开挖时,因竖井底部压力管道未贯通,不具备反井开挖条件,采取先正井开挖、后反井开挖的方式施工;安徽绩溪抽水蓄能电站导流泄放洞竖井,为满足施工整体进度要求,采用先正井法全断面开挖,待下部平洞贯通、竖井底具备出渣条件后,改用先导井、后扩挖法施工;湖南长沙市森林防火监测站项目竖井,考虑到岩石表层风化严重,采用反向开挖到离地面15m后,剩余段改用正向开挖的方式施工;山西中部引黄工程电缆竖井,针对既有土方开挖又有石方开挖的复杂地质条件,采用土方段正井法开挖、石方段反井钻机钻设导井、自上而下爆破扩挖的方式施工[5-11]。

表1 国内典型工程竖井施工方法

由国内、外竖井施工案例可知,采用正井法施工时,爆破岩渣需采用吊具从井口运出,人力资源和设备投入量大,特别是深竖井,吊篮出渣慢,施工效率低。因此,对于深度大、断面大、有水平通道的竖井,一般都采用反井法施工,只有当底部无交通通道、地基条件差或受总工期制约与下部平洞发生施工干扰时,才采用正井法施工。竖井开挖方法适用条件见表2。

表2 竖井开挖方法适用条件对比

鉴于黄金峡泵站出水洞竖井围岩主要为Ⅲ、Ⅳ类围岩,成井条件较好;竖井施工前,顶部出水池、底部水平段各自已布置了一条施工支洞,且已施工完成,可为竖井交通、出渣和反井钻机施工提供良好的作业条件,确定泵站出水洞竖井开挖采用反井法施工。相应的开挖施工程序为:钻设导孔→扩挖导井→二次扩挖至设计断面。

为便于反井法施工,施工中,对水平段与竖井之间的圆弧段开挖形态进行了适当调整,平洞段开挖至圆弧段后,继续向山体内开挖20.2m至竖井底部,作为竖井开挖通风、出渣通道。圆弧段开挖见图2。

图2 圆弧段开挖示意图 (单位:m)

4 关键工序施工控制

4.1 导井钻孔

导井钻孔采用BMC 300(ZFY1.4/300)型反井钻机钻孔。施工时,先自上而下钻设直径244mm导孔,导孔贯通后,在竖井底部安装扩孔钻头,自下至上将导孔扩挖成直径1.4m导井。现场施工证明,采用反井钻机反拉形成的导井井壁光滑,轴线顺直,是良好的出渣通道。导井施工见图3。

图3 导井施工示意图

4.2 锁口圈梁浇筑

考虑到井口岩体较破碎,为控制卸荷变形,防止井口坍塌,在竖井井口设置钢筋混凝土圈梁锁口。施工时,先采用1.5m的短进尺进行竖井扩挖,开挖至井深5m左右时,暂停竖井开挖,进行锁口圈梁施工。

4.3 竖井扩挖

大型竖井采用反井法施工时,传统施工方法多采取在反井钻机完成导井钻孔后,先采用自下而上或自上而下的方式,人工将导井扩挖成直径3～4m溜渣井,再二次扩挖至设计断面。采用自下而上人工反向扩挖溜渣井时,施工人员在吊笼内进行钻孔、装药作业,因工作面狭小,井壁无支护,人工扒渣、井内钻孔、爆破后排危时,易出现掉块或垮塌问题,安全风险高;采用自上而下开挖溜渣井时,施工人员处于井壁下方,需采取大量的临时支护措施以保证施工安全,且人工撬渣成本高,进度慢。鉴于两种人工扩挖溜渣井存在的弊端,泵站出水洞竖井扩挖过程中,通过优化爆破参数,控制爆破石渣块径后,在确认反井钻机反拉形成的直径1.4m导井可满足溜渣需要的基础上,对竖井扩挖方式进行了优化,取消了人工扩挖直径3～4m溜渣井的施工工序,直接利用导井作为溜渣井,将竖井开挖简化为全断面一次性开挖至设计断面,加快竖井开挖施工进度。

竖井扩挖采用“短进尺、弱爆破、紧支护、勤监测”的方式自上而下分层开挖,施工工艺流程见图4。

图4 竖井扩挖施工工艺流程

4.4 竖井底部圆弧段开挖

竖井扩挖至底部圆弧段时,考虑到井底水平段已开挖完成,开挖岩体临空,为避免钻爆作业时,岩体垮塌,引发安全事故,开挖至最后两个循环(约4m)时,采取在井底预留石渣、利用岩渣支撑被开挖岩体的处理措施。现场施工证明,该措施能够有效避免岩体垮塌。

4.5 爆破作业

a.爆破孔布置。爆破孔采用YTP-28手风钻钻孔,钻孔直径42mm。爆破孔采用梅花形布置,排距0.8m,间距0.70～0.95m,周边光爆孔间距加密至50cm。开挖循环进尺1.5～2.0m。钻孔时,分别控制各环爆破孔孔深,按向竖井中心方向逐环加深原则钻孔,以便爆破后形成一个向井中心方向的漏斗状溜渣口。施工实践表明,通过控制各环爆破孔孔深,可形成一个向井中心方向的漏斗状溜渣口,大部分石渣可通过导井自然下落至井底,剩余石渣采用人工扒渣至导井方式出渣。爆破孔布置见图5。

图5 竖井扩挖爆破孔布置图 (单位:cm)

b.爆破参数。光爆孔使用φ32乳化炸药,采用导爆索串联、毛竹片绑扎、空气间隔不耦合装药。崩落孔使用φ32乳化炸药,采用连续装药。周边孔选用φ32光爆药卷,人工装乳化炸药非电毫秒雷管起爆。竖井爆破参数见表3。

表3 竖井段爆破参数

c.爆破作业循环时间。泵站出水洞竖井扩挖时,每循环爆破作业时间见表4。

表4 竖井开挖作业循环时间

4.6 开挖临时支护

为保证围岩稳定,竖井扩挖过程中及时进行喷锚支护。喷锚支护施工顺序为:开挖→初喷混凝土→锚杆、排水孔施工→挂钢筋网→复喷混凝土。挂网锚杆长3.0～4.5m,环距1.25～1.50m,钢筋直径25mm;喷混凝土厚度10cm,Ⅲ类围岩采用C30混凝土喷护,Ⅳ类围岩采用钢纤维混凝土喷护。施工过程中,根据地下水情况,随机布设排水孔,排水孔直径56mm,深2.5m。

5 施工揭示的问题与处理

5.1 钻孔纠偏

导孔钻孔时,由于孔径大、钻孔深,钻孔至一定深度后,受重力作用,钻杆容易发生弯曲变形。对此,施工中采取以下纠偏措施处理:

a.严格控制钻孔方向。钻进时,每3m测量一次钻孔方向和钻头位置,根据钻孔偏移情况,及时采取纠偏措施。

b.配置稳定钻杆。在钻头前端配置稳定钻杆,控制钻进方向,以保证钻孔偏差在允许范围内。

5.2 堵井预防与处理

a.堵井预防措施。因导井断面较小,溜渣时大块石相互挤压;爆破孔间、排距、装药量设计不合理,形成超径石;竖井偏斜严重,偏斜段溜渣延时导致溜渣集中;大量的锚喷支护砂浆固结在井壁,导致导井直径变小、摩擦系数增大等因素均容易造成堵井。对此,竖井开挖过程中采取如下预防措施:

ⓐ优化爆破参数,加密炮孔排距,控制爆破石渣粒径,使爆破石渣最大块体粒径小于溜渣井直径的1/3;

ⓑ控制溜渣量,避免大量石渣一起下井,对于个别块径较大的石渣,单独扒渣下井;

ⓒ保证井底出渣及时,避免井底堆渣堵塞下井口;

ⓓ导井钻孔时,加强钻孔偏斜量测量,及时进行纠偏处理;

ⓔ支护时尽量减少掉渣量,定期冲洗井壁,将黏结在井壁的喷混凝土料冲洗干净,减小井壁摩擦系数,使溜渣更顺畅。

b.堵井处理措施。井深5m以内发生堵井时,采用反铲挖除积渣,疏通堵井;不能疏通时,采用钻孔震动疏通;仍不能疏通时,采用钻孔爆破疏通。

井深超过5m以后发生堵井时,先用人工清理石渣,用龙门吊将石渣从井口吊出,再用高压水冲洗堵井,使堵井碎石自然滑落。效果不佳时,采用爆破方式疏通。爆破作业在下井口进行,当堵井部位距下井口高度在15m以内时,采用长杆绑炸药包的方法进行爆破疏通;超过15m时,采用氢气球携带药包飘升至堵塞部位进行爆破疏通。

6 安全保障措施

左岸泵站出水洞竖井地质构造发育,开挖施工难度大,安全风险高。为保障施工安全,施工过程中除采取“边开挖、边支护”等预防塌井、掉块的安全措施外,还采取了如下安全防护措施:

a.布设行人通道。为解决施工人员进出竖井的通行问题,在井壁安装成品钢结构螺旋式爬梯笼+成品钢结构休息平台,并随井深增加不断向下延伸。爬梯采用3cm×5cm方钢管制作,立柱每隔2m设一支腿,立柱、支腿均采用锚筋固定在岩壁上。在临空侧每隔90cm设置一个直径70cm的安全护笼,用40mm×4mm扁铁制作。爬梯每6～8m设一个成品钢结构休息平台,用角钢及圆钢管焊接制作,底部铺设2mm花纹钢板。钢结构爬梯笼及休息平台成品见图6。

图6 成品钢结构爬梯护笼

b.井口设置安全防护栏。扩挖前,在井口外侧浇筑50cm×30cm(高×宽)的安全挡墙,安装安全防护栏。护栏高1.2m,沿井圈布设,用φ48钢管制作,底脚采用插筋与挡墙连接。

c.通风排烟措施。施工期通风、排烟主要利用预先钻设的直径1.4m导井,通过1号、2号施工支洞形成自然风循环系统,并在1号、2号施工支洞处布设通风机,在自然风风力不满足施工通风要求时,采用通风机压风。通风系统资源配置见表5。

表5 通风系统资源配置

7 结 论

a.通过调研国内外竖井施工案例,从工程地质条件、竖井规模及施工要求等方面,分析、总结正井法及反井法适用条件及优缺点。结合泵站出水洞竖井开挖施工实践,认为对于岩体条件较好、开挖断面大的深竖井,特别是竖井底部具有交通、出渣通道时,宜优先采用反井法施工。该法施工效率高,安全隐患小。

b.在总结、分析传统的反井法施工技术的基础上,出水洞竖井开挖过程中,通过优化爆破参数,控制爆破石渣块径后,取消了人工扩挖溜渣井的施工工序,直接利用导井作为溜渣井。现场施工表明,该优化措施实用、可靠,简化竖井开挖施工工艺后,很大程度上加快了竖井施工进度,提高了施工效率。

c.通过对泵站出水洞竖井开挖施工技术总结,在反井法施工中的钻井纠偏、堵井预防与处理、安全防护等方面,提出了相应的处理措施和建议,可供类似工程参考。