徐　迪 修仁義

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130000）

土質(zhì)圍巖大直徑調(diào)壓井施工安全支護設(shè)計思路與施工技術(shù)

徐迪 修仁義

（中國水利水電第一工程局有限公司，吉林 長春 130000）

在全風(fēng)化圍巖及土質(zhì)圍巖中施工大直徑深調(diào)壓井，施工安全支護難度及風(fēng)險均較大，本文通過成功地設(shè)計與施工方案實例來討論其施工安全支護的設(shè)計與施工思路。

土質(zhì)圍巖；調(diào)壓井；安全支護

一、工程概況

剛果（金）ZONGOⅡ水電站位于剛果（金）下剛果省境內(nèi)，水電站由攔河壩、泄洪沖沙閘、電站進水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠房及開關(guān)站等主要建筑物組成。水電站設(shè)計水頭105.0m，總裝機3臺，單機容量50MW，總?cè)萘繛?50MW。

二、土質(zhì)圍巖調(diào)壓井施工安全支護方案的設(shè)計思路

本工程調(diào)壓井為阻抗式調(diào)壓井，主井內(nèi)徑18m，外徑21m，設(shè)計壁厚1.5m，高74.3m，原設(shè)計調(diào)壓井結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

1.在調(diào)壓井上游附近設(shè)施工支洞，后期兼作永久交通支洞。在主井開挖前，施工支洞及調(diào)壓井下部隧洞段開挖完成，并在調(diào)壓井中心先期形成出渣導(dǎo)井。

2.從鉆孔地質(zhì)條件及附近已開挖項目揭露的圍巖情況分析，調(diào)壓井井口處黏土覆蓋層較薄，開挖面直立性較好；下部全風(fēng)化砂巖層強度低但不松散，相對致密，開挖面直立性也較好，但在全風(fēng)化與強風(fēng)化分界處巖石較為破碎、裂隙較多，因此存在地下水影響的可能性較大，即巖土分界處的圍巖自身穩(wěn)定性較差，在水的作用下強度較低的圍巖臨空面可能會產(chǎn)生局部崩塌；強風(fēng)化層巖石強度低，完整性差；弱風(fēng)化層巖石強度較高、完整性相對較好。調(diào)壓井圍巖情況見表1。

3.調(diào)壓井土質(zhì)圍巖開挖支護方式

經(jīng)過對沉井法與逆作法的方案對比后，考慮到沉井法在斜向巖土分界處附近的處理難度、下部爆破開挖對上部懸空井壁穩(wěn)定的影響，因此，采用逆作法分層開挖、分層澆筑混凝土的方式進行土質(zhì)圍巖開挖與支護，然后再采用常規(guī)巖石井挖的方式利用正作法施工剩余部分的巖石井壁。

考慮到調(diào)壓井臨近的已開挖項目全風(fēng)化土質(zhì)圍巖在開挖后直立性較好的具體情況，因此，調(diào)壓井周邊圍巖的固結(jié)灌漿將在調(diào)壓井完成后進行。

4.調(diào)壓井土質(zhì)圍巖逆作法的施工支護分析

（1）土質(zhì)圍巖逆作法施工時，圍巖混凝土安全支護厚度的選擇

土質(zhì)圍巖施工安全支護厚度在任何情況下，應(yīng)使其長細比不得超過下列數(shù)值：

對圓形平面井壁的混凝土結(jié)構(gòu)：

對圓形平面井壁的鋼筋混凝土：

式中：h—井壁支護厚度；Lb—圓環(huán)的換算長度，Lb=1.82r；其中：r—井壁半徑。

調(diào)壓井外半徑r=10.5m，采用鋼筋混凝土支護，最小厚度：h≥0.637m。考慮永臨結(jié)合，永久井壁分兩次施工，第一次施工厚度為0.75m，第二次為0.75m，其中，第一次壁厚作為臨時支護厚度在后期并入永久井壁厚度中，剩余井壁結(jié)構(gòu)采用滑模施工方案至井口，以保證調(diào)壓井結(jié)構(gòu)的整體性及外觀質(zhì)量不受影響。

（2）調(diào)壓井土質(zhì)圍巖逆作法井壁支護豎向穩(wěn)定分析

如果使井壁施工支護結(jié)構(gòu)體不產(chǎn)生下滑，井壁與土質(zhì)圍巖間的摩阻力必須大于井壁自重，則應(yīng)滿足：

其中：fk—單位摩阻力（kPa），h—井壁支護高度（m），u—井壁外周長（m），Gk—井壁支護結(jié)構(gòu)重力（kN），K—穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)大于1.2。

參考相關(guān)規(guī)范摩阻力經(jīng)驗值見表2。本工程井壁上部黏性土層單位摩阻力取fk=15，下部全風(fēng)化砂巖層單位摩阻力取fk=12。

當(dāng)沿井深向下土層為多種類別時，單位摩阻力可取各土層單位摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的加權(quán)平均值，該值按下式計算：

其中：fk—多土層單位摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值的加權(quán)平均值（kPa）；fki—第i層土的單位摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；hsi—第i層土的厚度（m）；N—沿井深度不同類別土層的層數(shù)。

根據(jù)公式（4），調(diào)壓井井壁與土層間的綜合單位摩阻力fk=12.17kPa。

在土質(zhì)圍巖中采用逆作法施工調(diào)壓井時，向下每開挖一層，就要澆筑一層支護體混凝土，調(diào)壓井井壁支護體下端經(jīng)常處于懸空狀態(tài)，直到支護到穩(wěn)定的巖石層后，再采用正作法由下向上澆筑混凝土。

調(diào)壓井井壁與土層間的綜合單位摩阻力沿井壁高度分布情況，按傳統(tǒng)計算模型如圖2所示。

根據(jù)圖2中單位摩阻力模式及上述的已知條件，計算摩阻力與井壁重力的關(guān)系見表3。

根據(jù)表3分析，井壁沿豎向全長為直線型時，不能滿足施工支護豎向穩(wěn)定安全要求，主要原因是調(diào)壓井直徑大、支護壁厚大，井壁支護結(jié)構(gòu)重力大于外壁與土體間的摩阻力。

三、調(diào)壓井井壁設(shè)計結(jié)構(gòu)形式的調(diào)整

逆作法施工井壁的情況下，當(dāng)施工支護的井壁不能滿足自身抗滑穩(wěn)定條件時，必須采取井壁抗滑或井口鎖定的安全措施，以保證施工支護的安全。具體方案分析如下：

1.井壁外側(cè)增加根鍵方案

經(jīng)計算，如果在調(diào)壓井每2m施工層的支護結(jié)構(gòu)外側(cè)均增加外凸的環(huán)形根鍵，則除第一層井壁支護體豎向穩(wěn)定系數(shù)K＜1不能滿足豎向穩(wěn)定外，從向下第二層開始，支護體豎向穩(wěn)定系數(shù)K＞1.1，從井口向下6m深時，整體豎向穩(wěn)定系數(shù)K＞2，自身豎向穩(wěn)定能夠滿足要求。

2.井口井盤方案

如果在調(diào)壓井井口設(shè)置井盤，如圖3所示，則井壁支護體的下滑力由井盤和井壁的摩阻力共同承擔(dān)。當(dāng)單位摩阻力不能確定或單位摩阻力較小時，出于安全考慮，可由井盤單獨承受逆作法施工時井壁支護體的全部拉力，而摩阻力可作為因地質(zhì)偏差造成的土質(zhì)層超深、井壁超厚而引起結(jié)構(gòu)重力加大的安全儲備。

3.井壁根鍵方案和井口井盤方案對比

（1）根鍵方案需要在井口處采取加固措施，保證第一層井壁支護體不下滑。每層支護體需要在土質(zhì)圍巖立面上挖環(huán)向土槽，人工工作量較大，而且受井壁豎向鋼筋的影響，施工難度較大，工期較長。

（2）井盤方案施工方便，可應(yīng)對調(diào)壓井下部不良地質(zhì)情況，但鋼筋用量略有增加。

結(jié)合本工程地質(zhì)條件及調(diào)壓井直徑較大的實際特點，經(jīng)技術(shù)與經(jīng)濟對比，井壁支護體采用井口井盤方案，其中，井壁施工支護厚度0.75m，如圖3所示。

四、土質(zhì)圍巖調(diào)壓井施工方案設(shè)計

1.出渣導(dǎo)井的施工方案設(shè)計

（1）出渣導(dǎo)井位于調(diào)壓井中心，總深度65m，其中，在弱風(fēng)化巖層中約25m，在強風(fēng)化巖層中約8m，在黏土及全風(fēng)化土層中約32m?？紤]通風(fēng)、操作、出渣等因素，導(dǎo)井外徑按2.1m設(shè)置。

弱風(fēng)化層的導(dǎo)井，圍巖條件較好，采用由下向上爆破開挖的方案，其余部分的導(dǎo)井采用自上而下的人工土方開挖、部分爆破開挖的方案。上、下井在開挖臨近接頭處，預(yù)留一次爆破成型的巖塞厚度。

（2）土質(zhì)圍巖的導(dǎo)井設(shè)計

土質(zhì)圍巖的導(dǎo)井?dāng)M采用直壁型混凝土襯砌，并采用逆作法施工至強風(fēng)化層。

根據(jù)公式（1），計算導(dǎo)井襯砌最小厚度為9.5cm，取15cm厚。井壁豎向穩(wěn)定計算分析見表4。

根據(jù)豎向穩(wěn)定計算結(jié)果，需要在導(dǎo)井井口處設(shè)小型井盤，同時在井口向下3m范圍內(nèi)配置豎向鋼筋，從3m～32m范圍內(nèi)不需要井盤拉力，豎向自身穩(wěn)定。

（3）導(dǎo)井構(gòu)造要求，

對于圓形導(dǎo)井平面尺寸，凈空應(yīng)不少于φ1.2m，混凝土強度等級不低于C15。水平環(huán)筋直徑不宜小于φ10mm，間距不大于250mm；豎向鋼筋每米不少于3根，直徑不小于φ8mm。

2.調(diào)壓井開挖與井壁施工

（1）設(shè)一臺反鏟挖掘機從井口開始向下開挖，渣土由導(dǎo)井排至下部的隧洞內(nèi)，由裝載機裝自卸汽車外運。至主井下部巖石爆破開挖時，對反鏟挖掘機進行安全防護。開挖至阻抗孔上部井底后，由70t汽車吊吊出反鏟挖掘機。

土質(zhì)圍巖一次開挖深度為2m，視圍巖土質(zhì)情況，最大不超過3m。

（2）調(diào)壓井主井井壁分外壁和內(nèi)壁兩次施工，第一次采用逆作法施工外壁支護部分，第二次采用滑模方案施工內(nèi)壁部分。

（3）除井圈附近外，第一次支護的井壁內(nèi)圈可不設(shè)鋼筋，但所有的外圈豎向鋼筋接頭必須全部焊接。

（4）土質(zhì)圍巖外壁支護結(jié)構(gòu)從上至下每次施工的混凝土層高為2m，根據(jù)圍巖土質(zhì)直立性情況，最高不超過3m。為保證下層混凝土有效排氣，施工縫必須設(shè)傾斜面，坡度不緩于1∶2。為便于混凝土入倉，每層立面模板的上口應(yīng)超出上一層混凝土底部寬度10cm，即每層混凝土上口寬度為80cm，下口寬度為70cm，井壁平均厚度為75cm。

每層外井壁模板拆除后，必須進行表面鑿毛處理。

（5）遇有地下水時，應(yīng)在圍巖面漏水處鉆孔設(shè)排水管，并將水有組織地排到井壁混凝土外，并視下部井壁支護體施工時地下水情況或管內(nèi)無水時再適時封堵。

（6）其他按常規(guī)施工方法及相關(guān)規(guī)范進行施工。

結(jié)論

（1）土質(zhì)圍巖調(diào)壓井設(shè)計與施工重點在于前期地質(zhì)勘測以及施工安全支護方案的選擇。（2）土質(zhì)圍巖調(diào)壓井宜設(shè)置在山脊處，因受地下水影響相對較小，有利于施工安全支護，并宜于旱季施工土質(zhì)圍巖的井壁支護體。（3）土質(zhì)圍巖情況下，無論是調(diào)壓井主井還是施工導(dǎo)井均應(yīng)設(shè)置井盤。（4）當(dāng)導(dǎo)井下部地質(zhì)情況不明時，導(dǎo)井上部井壁應(yīng)設(shè)置環(huán)形根鍵。

［1］胡志英.復(fù)合式支護技術(shù)在大型土質(zhì)調(diào)壓井中的研究與應(yīng)用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2014（12）：143-144.

TU74

A