付 兵，陳紅衛(wèi)，陳 達

(四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院，四川成都 611731)

四川安谷水電站勘探豎井及試驗平硐施工工藝

付 兵，陳紅衛(wèi)，陳 達

(四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院，四川成都 611731)

四川安谷水電站勘探豎井所處地層河床砂卵石層深厚，采用傳統(tǒng)的人工挖掘護壁或沉井施工工藝，施工難度大。針對地層的特點，采用沖擊鉆機成孔的方式施工。同時，在豎井中開挖試驗平硐，遵循多炮眼、小進尺、小藥量，光面爆破的施工方案，圓滿完成試驗平硐的開挖。介紹了其施工技術及注意事項。

勘探豎井;平硐;沖擊成孔;光面爆破;深厚砂卵石層;水電站

1 概況

安谷水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)嘉農(nóng)鎮(zhèn)(左岸)和安谷鎮(zhèn)(右岸)接壤的大渡河干流上，距兩鎮(zhèn)分別為1.5～4.0 km和4～6 km。壩址距上游正在修建的沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區(qū)15 km，有省道S103從樞紐區(qū)左岸通過，對外交通較方便。工程開發(fā)任務為發(fā)電、防洪、航運、灌溉、供水等，電站采用混合式開發(fā)方式，設計水庫正常蓄水位398.00 m，電站裝機容量680 MW。工程樞紐由砼閘壩、非溢流壩、電站廠房、船閘、副壩及尾水渠等建筑物組成，最大壩高58 m。

可行性研究階段在上壩址廠房軸線布置一個勘探豎井，其主要目的是為了查明廠房地基中厚層砂巖、薄層砂巖、泥巖、軟弱夾層的分布，以及其物理力學性質(zhì)。同時，通過在豎井中開挖試驗平硐進行現(xiàn)場承載力試驗、砼/巖石的現(xiàn)場大剪試驗、巖體變形試驗和聲波測試，用以確定廠房地基中薄層砂巖的承載力、巖體變形及聲波波速指標和砼與巖石之間的抗剪強度指標。因此，其工程意義非常重大。

2 地質(zhì)條件及技術要求

2.1 地質(zhì)條件

豎井位于安谷水電站上壩址廠房軸線上，距安上ZK24鉆孔約2 m，根據(jù)鉆孔揭示，豎井所處地層其上部為砂卵礫石層，厚度21.6 m，下伏基巖為夾關組(K1j)之砂巖夾薄層或透鏡體狀泥巖?？咨?5.34～25.52、34.90～36.20 m為泥巖夾層;孔深22.80～25.34、28.98～29.35、31.60～34.2、36.70～37.10 m為薄層狀構造弱膠結細砂巖;孔深25.16～25.52 m有泥化夾層;37.84～37.93 m發(fā)育巖塊巖屑型破碎帶。巖體無強風化，弱風化帶下限深度29.40 m。

在孔深36.2 m附近揭露有承壓水，承壓水頭約37.12 m，流量4.5 L/min。

受河水漲落的影響，孔內(nèi)地下水水位為0.5～3.0 m。

2.2 豎井及試驗平硐施工技術要求

2.2.1 豎井施工技術要求

設計豎井深度為40 m，直徑≮1.2 m。

2.2.2 平硐施工技術要求

在豎井中不同深度施工2個試驗平硐，長度約為8 m，高1.8 m，寬2.4 m。掘進方向與壩軸線平行，其底板高程由地質(zhì)人員現(xiàn)場確定，但硐頂以上巖體厚度≮10.0 m。

試驗平硐施工中，應采用光面爆破或預裂爆破，以盡量減少對巖體的人為破壞。同時，為了保證巖石變形試驗的順利進行和試驗資料的準確性，在平硐底板處預留200 mm厚度，采用人工修整和鑿平，以免底板巖體遭到人為松動破壞。

3 豎井施工

3.1 豎井施工工藝的選擇

由于豎井所處地層砂卵石深厚，地下水豐富，若采用傳統(tǒng)的人工挖掘護壁或沉井施工工藝，需先在豎井周邊施工多口降水井，進行人工降水;然后采用人工挖掘、清渣，現(xiàn)場澆筑護壁筒。進入基巖后，需采用爆破掘進，人工清渣。此工藝施工速度慢、工程成本高、施工風險大，施工人員安全難以保證。為此，經(jīng)過反復研究、論證，決定采用大口徑?jīng)_擊鉆機成孔的方式施工豎井，在鉆穿砂卵石層進入基巖一定深度后，下入護壁筒，并對護壁管管腳進行止水處理，然后換小一徑的沖擊鉆頭鉆進至成井。

3.2 豎井施工主要設備

3.3 豎井施工工藝

在鉆機安裝就位后，先人工開挖小井0.5 m深，埋好內(nèi)徑為1600 mm井口管。然后采用1500 mm十字鉆頭泥漿護壁沖擊鉆進，進入基巖約3.5 m后，下入外徑為1300 mm的護壁管，并對管腳進行灌漿止水處理。最后，換用1200 mm十字鉆頭沖擊鉆進至40 m成井，豎井結構見圖1。

鉆進注意事項:

(1)在鉆進過程中，要保持孔內(nèi)泥漿高度及泥漿密度，同時跟進井口管至井深3～5 m，以防止鉆孔垮塌。

(2)成井過程中應確保機架平穩(wěn)，不產(chǎn)生移位，以保證成孔傾斜度≯1%。

(3)在砂卵石層鉆進，要隨時關注泥漿的性能，確?？妆诘姆€(wěn)定。特別是鉆進至接近基巖界面時，應適當提高泥漿的濃度，加大黃泥的投入量，以防止泥漿在砂卵石層與基巖接觸面突然大量漏失，從而引起井壁垮塌。

圖1 豎井結構示意圖

(4)換徑后，應采用小沖程，防止鉆頭碰撞護筒管腳，而破壞止水效果。

3.4 護壁管的安裝

(1)在鉆穿砂卵石層進入基巖約3.5 m后，適當降低泥漿的濃度，對井深、井徑及垂直度進行校核，經(jīng)現(xiàn)場技術負責人確認達到要求后，即可進行下入護壁管的工作。

(2)護壁管由厚度為8 mm鋼板卷制而成，內(nèi)徑為1300 mm，每節(jié)1260 mm。安裝前，先在地面將護壁管平放進行3根對接，對接時應注意保持護壁管的水平度。

(3)在進行吊裝時，應確保護壁管之間焊接牢固、安裝垂直，防止安裝過程中護壁管斷裂或焊接不嚴密而產(chǎn)生漏水，影響下一步試驗平硐施工的進行。

(4)安放時，應在護壁管四周每隔5 m左右焊接4個扶正塊，使護壁管直立于豎井中心，上端保持水平，確保井管的偏斜度≯1%。

(5)護壁管應高于地面0.5 m，以防止地面異物掉入井中，確保下一步豎井中試驗平硐施工的安全。3.5 護壁管管腳止水

(2)為防止水泥漿從護壁管管腳處大量滲入井內(nèi)，灌漿采用間歇施工法，水灰比為0.5，摻入3%水玻璃，灌漿壓力控制在0.1 MPa以內(nèi)。當出現(xiàn)較大滲漏時應暫停灌注，30～60 min后再重新灌漿。

(3)在水泥漿灌注過程中，間隔5 min觀測一次管壁與井壁間水泥漿的注入深度，使管腳水泥止水厚度達到3.5 m以上，即可停止灌注。

(4)起拔注漿管，在管壁與井壁間回填砂卵石至井口。最大粒徑控制在50～60 mm，以防止砂卵石井壁的坍塌，造成地面沉陷，影響后續(xù)施工。

3.6 豎井施工中存在的問題及處理方法

在豎井施工完畢后，進行了換漿、清渣和井內(nèi)抽排水工作。當井內(nèi)水位降至11.6 m時(井內(nèi)外水位差約為9.2 m)，管腳止水突然失效，上部砂卵石層中的潛水大量涌入，經(jīng)過2個多小時的抽水工作，排量60 t/h的水泵只能使井內(nèi)水位降至4.5 m，豎井及試驗平硐的施工工作被迫停止。

原因分析:在進行護壁管管腳止水過程中，由于管腳與基巖接觸面并未完全密封，導致灌注的水泥漿從管腳滲入井內(nèi)，形成了約1.5 m厚的水泥層。在后續(xù)的沖擊鉆進時，由于水泥層已達到一定的強度，在用沖擊鉆頭破除水泥層以及進行基巖沖擊鉆進的過程中，必然會產(chǎn)生強烈振動，使護壁管管壁與井壁間的水泥止水層產(chǎn)生裂隙，最后在水柱壓力下產(chǎn)生較大的破壞，造成管腳止水基本失效。

3.6.1 第一次護壁管管腳止水處理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過認真分析和討論，確定如下處理方案。

第二步:用高壓水泵向一個孔內(nèi)壓入清水，壓力0.5～0.7 MPa，將夾泥和松散的水泥渣沖洗出來;

第三步:實施間歇灌漿，漿液水灰比為0.5，摻入3%水玻璃，每次灌漿約5 min，暫停30～60 min后再重新實施灌漿，如此反復多次，直至灌實為止;

第四步:待凝3天，下入潛水泵(60 t/h)進行抽水，水位降至35.3 m，經(jīng)觀察，止水效果較好，但護壁管管腳仍有上部潛水滲入，水量約5 t/h。

3.6.2 第二次護壁管管腳止水處理

雖然第一次護壁管管腳止水處理取得了一定的效果，地質(zhì)人員可下入井中對地層進行詳細的觀察和描述，但護壁管管腳的滲水對下一步試驗平硐的施工仍有較大的影響。因此，為了確保試驗平硐施工的順利進行，必須徹底封堵護壁管管腳的滲水，以保障施工人員的安全和良好的施工作業(yè)環(huán)境，決定在第一層護壁管內(nèi)再下入一層護筒，對護壁管管腳進行第二次止水處理。具體方案如下。

(1)護筒結構:第二層止水護筒由護筒及上、下止水環(huán)組成。護筒的豎向和橫向環(huán)型焊縫，需用厚度為5 mm鋼板覆蓋，以防止焊縫破裂。

護筒外徑為1100 mm，壁厚為8 mm，總長度為3780 mm，在護筒上、下兩端焊接止水環(huán)，其結構見圖2。

圖2 護筒結構示意圖

上止水環(huán)與護壁管連接，其外徑為1260 mm，內(nèi)徑為1100 mm，厚度為8 mm，分為4段。在止水環(huán)上對稱焊接2根20 mm的鋼管，分別作為灌漿管和回漿管，在止水環(huán)上、下部分長度均為200 mm。在護筒下入井中，并完成護筒管腳初步止水后，再與護筒及護壁管進行焊接。

下止水環(huán)與基巖井壁連接，其外徑為1170 mm，內(nèi)徑為1100 mm，厚度為8 mm。在止水環(huán)上對稱焊接2根20 mm的鋼管，作為引流管，以便將護壁管管腳滲水引入豎井。引流管在止水環(huán)上面部分長度為300 mm，下面部分長度為200 mm，并安裝球閥，在灌漿時關閉。

(2)護筒安裝位置:上端距護壁管管腳為1780 mm，下端距護壁管管腳為2000 mm。

(3)護筒安裝和灌漿止水。

第一步:護筒吊裝。在地面將護筒分節(jié)焊接，然后吊入井中相應位置，將上端與護壁管焊接固定，下端與基巖井壁用木楔固定。

第二步:護筒管腳止水。用編織袋和棉花將護筒下端面與基巖井壁間隙做初步封堵，然后通過護筒上端的環(huán)狀空間投入止水材料。止水材料由錨固劑摻入適量的水玻璃制成，邊投邊進行搗實，對護筒止水環(huán)與井壁間隙進行初步止水處理，止水厚度控制在200 mm以內(nèi)，此時由護壁管管腳滲入的水可通過止水環(huán)上的引流管排入豎井中。

第三步:焊接上止水環(huán)。將分成4段的上止水環(huán)，在井下與護筒及護壁管進行焊接，使護筒與護壁管、基巖井壁間形成密封的空間。井下焊接時，要采取多種措施確保焊接的質(zhì)量，以避免灌漿時壓力過大，導致焊縫破裂。

第四步:檢查護筒密閉性。將護筒上止水環(huán)上的灌漿管、回流管與地面相應管路連接，并關閉護筒下止水環(huán)上的引流管閥門，利用井內(nèi)外自然水頭差進行試壓，以檢查護筒焊縫質(zhì)量及管腳止水情況，確保護筒與護壁管、基巖井壁間的密閉性，避免灌漿時漿液滲入井內(nèi)。

第五步:灌漿。試壓結束后，即可進行灌漿止水。漿液水灰比為0.8～0.5，先清后濃，水玻璃的加入量為0.5%～3%，逐漸增加。待回出濃漿后，即可閉漿待凝。

第六步:待凝3天，下入潛水泵(60 t/h)進行抽水，水位降至38.7 m。經(jīng)下井觀察，護壁筒管腳滲水被完全封堵，止水效果良好。至此，豎井施工全部結束。

4 試驗平硐施工

4.1 試驗平硐位置的確定

通過地質(zhì)人員下豎井后對地層認真觀察和現(xiàn)場研究，1號試驗平硐底板位置距井口地面34.40 m處，沿壩軸線向左岸掘進;2號試驗平硐底板位置距井口地面34.60 m處，沿壩軸線向右岸掘進。其結構見圖3。

圖3 試驗平硐結構示意圖

4.2 搭設試驗平硐掘進平臺

根據(jù)試驗平硐底板高程，確定將試驗平硐掘進平臺搭設在距井口地面35.10 m處。先由施工人員在井壁對稱位置鉆孔，孔徑50 mm，深度300 mm，共鉆6對孔。然后插入48 mm相應長度的鋼管，每邊入孔長度為150 mm，并用木楔固定。最后鋪上木板，木板上再鋪上篷布，再用編織袋將縫隙填塞，以防止爆破石渣落入井底。

4.3 試驗平硐施工

根據(jù)施工區(qū)巖體較完整、風化較弱的特點，為盡量減少爆破對周圍巖體及管護壁筒管腳止水的影響，平硐施工遵循多炮眼、小進尺、小藥量，光面爆破的實施方案。

由于2個試驗平硐高差不大，決定沿垂直于壩軸線方向，以1號試驗平硐底板高程為基準，先掘進一長2.4 m、寬1.2 m、高2.3 m的掘進洞室，然后再沿壩軸線方向分頭掘進，先施工1號平硐，然后施工2號平硐。

4.3.1 試驗平硐掛口

為了降低爆破產(chǎn)生的震動，減少對護壁管管腳止水的影響，有利于施工安全，在試驗平硐掛口時，采用小斷面、短進尺、小藥量的掘進方式，即先在試驗平硐中心鉆空眼1個，四周間隔400 mm布置4個爆破眼，深度為500 mm，每孔裝藥75 g。然后按階梯形方式，逐步加深和擴大斷面，直至形成長2.4 m、寬1.2 m、高2.3 m的掘進洞室。

4.3.2 試驗平硐掘進

在掘進洞室開挖完畢后進行試驗平硐的掘進。根據(jù)地層情況，并參考試驗平硐掛口爆破效果，試驗平硐開挖掘進采用全斷面光面爆破方案。采用光面爆破技術，能降低爆破產(chǎn)生的強烈震動，以減少對圍巖破壞，確保平硐內(nèi)試驗數(shù)據(jù)準確、可靠。

4.3.2.1 鉆孔及炮眼布置

經(jīng)計算炮眼總數(shù)為31個，其中周邊眼12個，底板眼4個，輔助眼10個，掏槽眼5個(其中1個為空眼)。周邊眼和底板眼在斷面輪廓線上開孔，孔底落在設計輪廓線外5 cm處。

4.3.2.2 裝藥量

按規(guī)范要求，周邊眼線裝藥密度按0.09 kg/m計算，其它眼線裝藥密度按0.12 kg/m計算，則周邊眼單眼裝藥量為0.09 kg/m×0.9 m=0.081 kg，裝藥總量為0.081 kg×12=0.972 kg，其它眼單眼裝藥量為0.12 kg/m×1.0 m=0.12 kg，裝藥總量為0.12 kg×(10+4+4)=2.16 kg。每個循環(huán)的炸藥單位消耗量為(0.972+2.16)÷(0.8×4.1)=0.95 kg/m3。

4.3.2.3 裝藥參數(shù)

表1為試驗平硐施工爆破設計參數(shù)表。

表1 試驗平硐施工爆破設計參數(shù)表

4.3.3 試驗平硐施工注意事項

(1)布孔要精確。由技術人員嚴格按爆破設計在掌子面準確布出所有炮孔，要求誤差≯2 cm，并在拱頂部位線方向布設一條鉆孔方向控制線，所有炮孔和鉆孔方向控制線均用紅油漆標注，以便鉆孔作業(yè)人員準確掌握釬桿方向和角度。

(2)確保鉆孔質(zhì)量。良好的鉆孔質(zhì)量，是保證平硐開挖輪廓線規(guī)則、光滑的關鍵，特別是周邊光爆孔的鉆孔質(zhì)量。施工中，要求施鉆人員必須做到開孔準確，其誤差≯2 cm，為了保留下一循環(huán)的施鉆凈空及周邊孔抵抗線一致，周邊孔及次邊孔以相同的斜率外插，根據(jù)爆破設計，外插角≯2°為宜，孔底不超過開挖斷面輪廓線10 cm;當開挖面凹凸較大時，按實際情況調(diào)整炮孔深度，力求所有炮孔(掏槽眼除外)孔底處在同一垂直面上;鉆孔完畢，按爆破設計圖進行檢查并做好記錄，發(fā)現(xiàn)不符合要求的炮孔重新鉆孔，經(jīng)檢查合格后方能裝藥爆破。

(3)要選用高精度的毫秒雷管，以減少起爆時差，確保周邊孔同時起爆，只有相鄰孔之間同時起爆才能形成疊加應力，在垂直中心線方向形成合應力，最終形成光滑的破壞面。

(4)加強排煙與通風，以確保試驗平硐內(nèi)氧氣充足。

(5)定時抽排井底積水，定時清理井底沉渣。

5 結論與建議

(1)在較為深厚的河床砂卵石層中，采用大口徑?jīng)_擊鉆機成井工藝施工勘探豎井，實踐證明是切實可行的，對護壁管管腳所采取的止水措施，經(jīng)受住了后續(xù)試驗平硐爆破和汶川“5.12”地震的考驗。

(2)歷時47天，圓滿完成了勘探豎井和試驗平硐的施工，確保了現(xiàn)場承載力試驗、砼/巖石的現(xiàn)場大剪試驗、巖體變形試驗和聲波測試等工作的順利進行，獲得了真實、準確的試驗資料，為后續(xù)廠房地基的設計、施工打下了堅實的基礎，取得了良好的施工效果及經(jīng)濟效益。

(3)護壁管焊接工作應由專業(yè)人員進行，以確保焊接的質(zhì)量，以防止焊縫受擠壓變形、開裂，影響施工安全。

(4)為便于試驗平硐的施工，卵石層鑿井口徑增至2000 mm，護壁管外徑為1800 mm，基巖口徑為1500 mm較為適宜。

(5)加強護壁管管腳止水處理，建議在下入護壁管后，可先向護壁管和井壁間投入黃泥，厚度為1.5 m左右，邊投邊搗實，起到初步止水的作用，防止注漿時水泥漿液大量涌入井內(nèi)。然后在護壁管外側均勻布置9根直徑為40 mm的注漿管，底部距護壁管管腳約為1.5 m，出漿孔長度約為4 m，并用橡膠環(huán)封住，以避免下入時出漿孔堵塞，最后在護壁管與井壁間回填粒徑為10～30 mm的豆石至井口，以防止井壁坍塌。

在完成上述工作后，即可進行第一次護壁管管腳灌漿止水處理。通過3根對稱注漿管向管腳進行間歇灌漿，水灰比為0.5，加入3%～5%的水玻璃。注漿時，應同時觀測井內(nèi)沉漿情況，如沉漿量較大，應適當延長注漿間歇時間，并增大水玻璃的加入量，直到注漿基本飽和，待凝3天后，恢復鉆進至成井。

成井后，先進行清渣換漿處理，然后下入潛水泵抽水排漿，檢查管腳止水效果，如止水效果較差，則選另3根對稱注漿管對護壁管管腳進行第二次注漿，待凝3天后，再次抽水檢查管腳止水效果。

如前兩次對護壁管管腳進行灌漿止水處理效果不理想時，再采取下入第二層護筒的措施進行灌漿止水，最終達到管腳止水的目的。

(6)施工安全方面。本工程施工安全的重點在于爆破、施工人員上下井、井內(nèi)用電以及應急保證措施。由于各項安全措施應對有效，執(zhí)行到位，在整個施工過程中，未發(fā)生安全生產(chǎn)事故，但也存在不少隱患，需要在今后的工作中不斷完善和提高，以確保工程施工安全。

［1］曹濱.砂卵石河床沖擊成孔施工［J］.山西交通科技，2012，(2).

［2］王俊利，劉會林.砂卵石地層中鉆孔灌注樁成孔控制技術［J］，施工技術，2011，(13).

［3］DL/T 5148－2001，水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范［S］.

［4］馬鞍山礦山研究院地下采礦研究室.光面爆破［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1978.

［5］SL 378－2007，水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范［S］.

Construction Technology of Exploration Shaft and Test Adit of Hydropower Station in Sichuan

FU Bing，CHEN Hong-wei，CHEN Da(Investigation Branch，Sichuan Provincial Investigation，Design and Research Institute of Water Conservancy and Electric Power，Chengdu Sichuan 611731，China)

The sand-and-cobble layer of river bed is thick in the exploration shaft of Angu hydropower station of Sichuan，the construction was difficult to use traditional wall protection by manual digging.According to the formation characteristics，boring was constructed with percussion drill.And test adit was dug in the shaft，following the construction of scheme of more blast hole，small scale of drilling footage，small charge and smooth blasting.

exploration shaft;adit;impact holing;smooth blasting;thick sand-and cobble layer;hydropower station

P633

A

1672－7428(2012)06－0080－05

2011－11－09

付兵(1966－)，男(漢族)，四川成都人，四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院副院長、高級工程師、注冊巖土工程師，注冊安全工程師，鉆探工程、地質(zhì)工程專業(yè)，工程碩士，從事水利水電勘察技術與管理工作，四川省成都市郫縣犀浦鎮(zhèn)國寧路56號，373266175@qq.com;陳紅衛(wèi)(1967－)，男(漢族)，湖南蓮源人，四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院工程師，鉆探工程專業(yè)，從事水利水電鉆探技術工作;陳達(1966－)，男(漢族)，四川廣安人，四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院助理工程師，鉆探工程專業(yè)，從事水利水電鉆探技術工作。