□雷敬義 □雷春華（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

大傾角巖層地質(zhì)條件下深豎井施工方案

□雷敬義 □雷春華（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司）

尼泊爾某水電站深豎井施工，剛開(kāi)始采用傳統(tǒng)的反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工方法，但由于本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石堅(jiān)硬且?guī)r層傾角大，導(dǎo)致反井鉆機(jī)施工失敗。后經(jīng)過(guò)研究，最終采用正井法和爬罐法完成施工。文章結(jié)合該工程案例，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下深豎井施工不同的施工方法進(jìn)行了總結(jié)，可為類(lèi)似地質(zhì)條件下深豎井的施工方法選擇提供參考。

豎井；大傾角巖層；反井鉆機(jī)；導(dǎo)井；正井法

0 引言

豎井是引水式水電站常見(jiàn)建筑物，例如引水系統(tǒng)中的豎井、調(diào)壓井、閘門(mén)井、出線井、通風(fēng)井及交通井等。豎井施工具有工作面狹小、出渣困難、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)，是水電工程難點(diǎn)工程之一。

對(duì)于深度超過(guò)約50 m的深豎井，創(chuàng)造豎井底部出渣通道，采用反井鉆機(jī)開(kāi)挖導(dǎo)井，進(jìn)一步擴(kuò)挖形成豎井是一種安全、快速、經(jīng)濟(jì)的施工方法，已成為目前水電站豎井施工的首選方法。但在特殊地質(zhì)條件下，可能導(dǎo)致反井鉆機(jī)應(yīng)用失敗，采用正井法及爬罐法進(jìn)行深豎井施工仍然是可能的可選方案。

尼泊爾某引水式水電站工程，裝機(jī)容量4.00x9.30 MW。其中引水系統(tǒng)壓力鋼管豎井高度378 m，直徑4.40 m，豎井圍巖為片麻巖，屬Ⅱ～Ⅲ類(lèi)圍巖，巖石硬度較大，巖層傾角約70～85°。豎井施工采用反井鉆機(jī)施工過(guò)程中，先導(dǎo)孔鉆進(jìn)失敗，最終采用正井法、爬罐法完成豎井開(kāi)挖。

1 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程

1.1 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)先導(dǎo)孔

本工程采用常州市立鼎煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZFY3. 50/120/400型反井鉆機(jī)施工，計(jì)劃導(dǎo)井直徑1.40m，先導(dǎo)孔直徑250 mm。在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)機(jī)架垂直度，并采用CX-5C型測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)孔底鉆頭位置，先導(dǎo)孔正常鉆進(jìn)速度約1 m/h，具體實(shí)施工藝不再贅述。

先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至36 m深度時(shí)，測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示孔底偏移39 cm，偏向WS。因孔底偏移過(guò)大，停止鉆孔。

在對(duì)已鉆孔位進(jìn)行混凝土回填后，對(duì)鉆桿、鉆頭等設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步矯正更新，在距離原孔位50 cm處重新開(kāi)鉆先導(dǎo)孔。鉆進(jìn)至53 m深度時(shí)，測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示孔底偏移58.93 cm，偏向和首次鉆進(jìn)同為WS;另外鉆孔反碴出現(xiàn)原孔回填混凝土材料，判斷和原孔位出現(xiàn)串孔，停止鉆孔。

1.2 加裝RVDS鉆進(jìn)先導(dǎo)孔

1.2.1 RVDS智能糾偏設(shè)備

德國(guó)RVDS智能糾偏設(shè)備（Rotary Vertical Drilling System，即旋轉(zhuǎn)垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)），為德國(guó)Micon公司產(chǎn)品，曾成功應(yīng)用于冰島兩條414 m深豎井施工，最終垂直度偏移量為0.05%～0.06%。該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)孔偏移，并實(shí)時(shí)對(duì)鉆頭方向進(jìn)行調(diào)整，保證鉆進(jìn)垂直度始終動(dòng)態(tài)受控。該設(shè)備為獨(dú)立的系統(tǒng)，只需整體加裝在反井鉆機(jī)的鉆頭上，并與鉆桿連接，無(wú)需改變反井鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)。

1.2.2 加裝RVDS鉆進(jìn)效果

加裝RVDS設(shè)備后，先后在兩個(gè)孔位進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)。第一次先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至36 m時(shí)，RVDS反饋數(shù)據(jù)顯示孔底偏移40 cm，因偏移過(guò)大停止鉆孔；第二次先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至61 m時(shí)，孔底偏移29.90 cm，鉆進(jìn)至70 m時(shí)，孔底偏移33.90 cm。兩次鉆進(jìn)均因孔底偏移過(guò)大，停止鉆孔。兩次偏向均為WS。

1.3 引進(jìn)較大功率反井鉆機(jī)并加裝RVDS鉆進(jìn)先導(dǎo)孔

歷經(jīng)四次先導(dǎo)孔鉆進(jìn)失敗后，項(xiàng)目部引進(jìn)一臺(tái)型號(hào)為250RBM的反井鉆機(jī)，并加裝RVDS設(shè)備進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，該鉆機(jī)曾被成功用于尼泊爾其他項(xiàng)目100 m深斜井反井施工，考慮到此前鉆孔均向WS方向偏斜，將開(kāi)孔位置向EN方向偏移1.75 m。

首次先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至27 m時(shí)，RVDS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示孔底偏移17.40 cm；第二次先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至25 m時(shí)，孔底偏移8 cm，鉆進(jìn)至50 m時(shí)，孔底偏移76.28 cm，偏向均為WS。兩次鉆進(jìn)均因孔底偏移過(guò)大，停止鉆孔。現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過(guò)程顯示，鉆進(jìn)超過(guò)25 m時(shí)，鉆機(jī)震動(dòng)明顯，偏移量加大，反映出地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

CT組CT檢查損傷總診斷率為70.83%，關(guān)節(jié)鏡診斷率為91.67%，兩種診斷方式診斷結(jié)果有顯著差異（P＜0.05），見(jiàn)表2。

2 反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)失敗原因分析

反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)多次嘗試失敗，基本證明了采用反井鉆機(jī)無(wú)法成功實(shí)施本項(xiàng)目豎井施工，初步判斷為復(fù)雜地質(zhì)條件所致，為進(jìn)一步驗(yàn)證地質(zhì)條件，使用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)該豎井位置進(jìn)行了50 m深度取芯實(shí)驗(yàn)。

2.1 巖芯分析結(jié)果

對(duì)豎井50 m深度內(nèi)巖石取芯，并對(duì)不同深度的3組巖芯做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖芯試樣抗壓強(qiáng)度表

2.2 反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)失敗原因

通過(guò)巖芯破壞測(cè)試，以及6次反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，均因孔底偏移過(guò)大而導(dǎo)致失敗結(jié)果分析，認(rèn)為本工程圍巖70～85°大傾角斜紋巖體構(gòu)造是反井先導(dǎo)孔偏移無(wú)法控制的主要原因。在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，巖體在鉆頭沖擊作用下，極易產(chǎn)生沿巖體天然斜紋方向破壞，同時(shí)因巖體硬度較大，需要較大的垂直鉆進(jìn)壓力，導(dǎo)致鉆頭沿斜紋破壞方向滑移，即使采用RVDS設(shè)備也無(wú)法克服鉆進(jìn)偏移，實(shí)際結(jié)果證明在大傾角片麻巖層地質(zhì)條件下，反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)方向難以控制。

3 正井法全斷面開(kāi)挖豎井和爬罐法開(kāi)挖導(dǎo)井法施工

3.1 正井法全斷面開(kāi)挖豎井

正井法全斷面開(kāi)挖與一般隧洞鉆爆開(kāi)挖循環(huán)作業(yè)類(lèi)似，每循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)高度2.50 m，每開(kāi)挖支護(hù)循環(huán)作業(yè)時(shí)間約24 h。正井法全斷面開(kāi)挖方案的要點(diǎn)是配置合理可靠的材料垂直輸送系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)配置的合理性是施工成敗的關(guān)鍵因素，其他開(kāi)挖支護(hù)所需風(fēng)水電供應(yīng)、排水系統(tǒng)配置和隧洞鉆爆作業(yè)類(lèi)似。材料垂直輸送和安全防護(hù)系統(tǒng)裝置具有很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性和實(shí)踐性，本文不做說(shuō)明。

3.2 爬罐法導(dǎo)井施工

爬罐法是利用可沿軌道爬升的爬罐設(shè)備作為鉆爆工作平臺(tái)，自下而上進(jìn)行導(dǎo)井鉆爆開(kāi)挖，導(dǎo)井貫通后再自上而下擴(kuò)挖成井。本工程采用Alimar公司生產(chǎn)的STH-5EE型電動(dòng)爬罐，與正井法相比較，爬罐法施工效率較低，通風(fēng)排煙困難，特別是隨著導(dǎo)井高度增加，作業(yè)效率降低。由于爬罐法必須使用專(zhuān)業(yè)爬罐設(shè)備，目前應(yīng)用日趨減少。

4 三種開(kāi)挖方式經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)本工程豎井施工成本統(tǒng)計(jì)和測(cè)算，正井法施工成本約為爬罐法施工成本的1.40～1.60倍，爬罐法的施工成本約為反井鉆機(jī)法的1.50～2.00倍。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于一般水電站工程深豎井工程，在具備豎井頂部和底部作業(yè)面的情況下，反井鉆機(jī)具有無(wú)可比擬的進(jìn)度、安全和成本優(yōu)勢(shì)；但對(duì)于大傾角層狀堅(jiān)硬巖石，先導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)方向會(huì)產(chǎn)生沿巖層結(jié)構(gòu)面方向偏移，可能導(dǎo)致無(wú)法成功實(shí)施，同時(shí)，對(duì)于非常破碎且地下水發(fā)育的惡劣地質(zhì)條件，也曾有導(dǎo)井貫通后發(fā)生大面積坍塌導(dǎo)致導(dǎo)井廢棄的先例。因此，采用反井鉆機(jī)方案前，應(yīng)對(duì)圍巖地質(zhì)條件予以評(píng)估，以確定反井鉆機(jī)的適應(yīng)性。

正井全斷面開(kāi)挖豎井，經(jīng)濟(jì)性差，且須配置較為復(fù)雜的垂直提升系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)施，但適應(yīng)于各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，且無(wú)需豎井底部作業(yè)面，仍然是復(fù)雜地質(zhì)條件下廣泛使用的作業(yè)方案。

爬罐法適用于僅有底部作業(yè)面的豎井開(kāi)挖，經(jīng)濟(jì)性介于上述兩者之間，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性廣泛，但需要專(zhuān)業(yè)的爬罐設(shè)備，施工進(jìn)度劣于正井法開(kāi)挖。在非常破碎或富含地下水的地質(zhì)條件下，應(yīng)注意通過(guò)超前探孔判斷掌子面不良地質(zhì)條件狀況，必要時(shí)采取超前灌漿等措施改良地質(zhì)條件，預(yù)防出現(xiàn)頂部掌子面坍塌。

（責(zé)任編輯：趙 鑫）

TU 455.4

B

1673-8853（2016）11-0033-02

2016-08-08