(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650051)

豎井開挖支護及混凝土襯砌施工工法技術

劉偉熊富有

(中國水利水電第十四工程局有限公司， 云南 昆明 650051)

水電站豎井施工利用反井鉆機進行導井施工，根據(jù)實際情況分一次或兩次采用正井法或正井法與反井法相結合的施工方法擴挖至設計斷面，最終利用滑模從下而上全斷面一次澆筑成型。豎井施工采用上述施工方法能夠加快施工速度，減少安全隱患，獲得較好的施工質量，代表目前最先進的施工方法。

水利水電工程；豎井；開挖支護；混凝土；滑模

1 豎井施工技術概述

1.1 豎井開挖支護施工技術概述

豎井開挖施工方法有全斷面一次開挖法和導井開挖法兩種方式，其中傳統(tǒng)導井開挖法開挖方式有正井法、正反井結合法、深孔爆破法、吊罐法、爬罐法[1-2]。反導井施工通常采用吊罐法、爬罐法或普通掘進反井法，傳統(tǒng)導井法施工目前在水利水電工程中應用比較普遍，施工工藝較為成熟，但需要人員及設備至開挖掌子面進行鉆爆施工，因此在施工過程中不可避免存在安全隱患，而通風散煙困難，進度也容易受限制[3]。反井鉆機導井法施工，于1950年在北美首先發(fā)展，20世紀60年代中期，這種方法在歐洲，特別是德國受到歡迎。中國自20世紀70年代開始研制反井鉆機，先后在媒炭和冶金系統(tǒng)中應用。1992年水電系統(tǒng)第一次引進反井鉆機并迅速推廣使用，目前反井鉆機施工導井法已廣泛用于豎井實際施工中，技術成熟，工藝完備[4]。

地下式豎井開挖前先開挖支護完成井口及井底通道，敞口式豎井開挖前開挖支護完成井底通道，然后在井口豎井設計中心位置安裝反井鉆機進行豎井導井施工，導井施工先利用反井鉆機自上而下施工導孔，導孔貫通后在豎井底部安裝反拉鉆頭，將導孔自下而上反拉至直徑為1.4m或更大。導井施工完成后根據(jù)圍巖情況及設計開挖洞徑等因素采用一次或兩次將導井擴至設計斷面。其中一次擴挖至設計斷面采用自上而下方式；兩次擴挖中第一次采用自下而上方式，第二次采用自上而下方式擴至設計斷面。

1.2 豎井襯砌施工技術概述

豎井混凝土襯砌最早利用腳手架固定組合鋼模板進行澆筑，襯砌的方法有兩種，一種是隨著掌子面的掘進，搭設腳手架，邊掘邊襯；第二種是將豎井開挖完成后從井底邊搭設腳手架邊澆筑混凝土。以上兩種方法均存在澆筑效率低、勞動強度大、現(xiàn)場施工環(huán)境差、安全風險高、施工縫較多等缺點，在深度較大的豎井襯砌中，利用該法襯砌豎井混凝土已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在施工進度要求，隨著滑模技術的出現(xiàn)，采用滑模襯砌豎井混凝土成為可能，經(jīng)過近20年的發(fā)展，水電站地下廠房豎井滑模襯砌施工技術日趨成熟[5]。從材料的運輸，滑模的安裝、滑升、拆除及混凝土抹面收光、養(yǎng)護等方面均實現(xiàn)程序化、流水化作業(yè)，且各道工序間相互不影響，使得豎井混凝土的襯砌速度和質量均有了空前的提高[6]。

2 豎井施工工藝原理

2.1 豎井開挖支護施工工藝原理

地下廠房豎井導井施工完成后，根據(jù)設計開挖斷面、地質條件等因素考慮是否進行一次擴挖，設計開挖斷面大或地質條件較好，采用反井法將導井一次擴挖擴至直徑3～3.5m，然后再利用正井法將豎井擴挖至設計斷面。設計開挖斷面小或地質條件較差則直接利用正井法將導井全斷面擴至設計斷面，豎井未經(jīng)一次擴挖進行全斷面擴挖施工時要采取措施防止爆破石渣堵塞導井。一次擴挖及全斷面擴挖(或二次擴挖)均在豎井井口布置提升系統(tǒng)，施工人員、材料及小型機具均通過吊籠運至作業(yè)面。

2.2 豎井混凝土襯砌施工工藝原理

豎井滑模通過千斤頂沿爬桿爬升而頂升模板裝置襯砌混凝土,混凝土經(jīng)安裝固定于井壁的溜管輸送至作業(yè)面，為防止混凝土在溜管中發(fā)生骨料分離，溜管每隔10～15m安裝一個緩降器。鋼筋、爬桿及其他工器具和人員通過吊籠送至作業(yè)面。爬桿采用1.5寸(1寸=3.333cm)鋼管制作，爬桿接頭處通過螺紋連接?；炷寥雮}經(jīng)振搗后達到起滑條件(倉內混凝土面距離模板頂部30cm左右)，啟動液壓千斤頂提升滑模裝置，位于滑模底部抹面平臺上的施工人員立即對新露出的混凝土成型面采用原漿進行抹面收光處理，布置于抹面平臺底部的養(yǎng)護水管(花管)不間斷噴水對混凝土進行養(yǎng)護。

3 豎井施工流程及方法

地下廠房豎井開挖支護施工包括導井(含導孔)施工、擴挖井口設施施工、一次擴挖施工及全斷面擴挖與支護施工。混凝土襯砌施工包括滑模的安裝、拆除，鋼筋綁扎，混凝土下料、入倉、振搗，模板的滑升與混凝土抹面收光、養(yǎng)護等內容。

3.1 地下廠房豎井開挖支護施工

3.1.1 豎井導孔施工

目前水電站地下廠房豎井導井施工采用的反井鉆機一般為LM型，具體型號根據(jù)井深值確定，成型后的導孔一般比鉆桿直徑大5cm左右。反井鉆機采用液壓馬達驅動水龍頭，后者將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動鉆具旋轉，破巖采用鐮齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆導孔時碎屑沿鉆桿與孔壁間的空間由洗井液提升到井口循環(huán)水池中，經(jīng)沉淀后從水池中掏出運走[7]。采用反井鉆機進行豎井導孔施工工藝流程圖如圖1所示。反井鉆機導井施工照片如圖2所示。

圖1 豎井導孔(反井鉆機)施工工藝流程

圖2 反井鉆機導孔施工照片

導孔鉆進過程中隨著鉆進逐節(jié)加長鉆桿，導孔鉆透后，停止泥漿循環(huán)，但鉆機不能停轉，向進水孔加清水，直到鉆機轉動平穩(wěn)，扭矩變化不大時停鉆。停鉆后安裝反拉鉆頭準備導井反拉。

3.1.2 豎井導井施工

反井鉆機鉆通導孔后，在豎井底部安裝擴孔鉆頭，進行導井的擴孔施工。導井施工按照開孔、擴孔鉆進、完孔、拆機、出渣的流程組織施工。

當擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石,然后停止上提,用最低轉速(5～9rpm)旋轉,并慢慢鉆進,保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊破壞,待刀齒把凸出的巖石破碎后繼續(xù)鉆進。開始擴孔時,下部設觀察人員將情況及時通知操作人員,待鉆頭全部均勻接觸巖石后正常擴孔鉆進。

3.1.3 豎井一次擴挖施工

設計開挖斷面直徑在8m以上且地質條件較好的豎井有必要進行一次擴挖施工，一次擴挖采用反井法施工，將導井直徑擴至3～3.5m，能夠很大程度減小全斷面開挖施工時的扒渣量，并杜絕全斷面擴挖導井堵井的風險。豎井導井一次擴挖施工工藝流程如圖3所示。

圖3 豎井一次擴挖施工工藝流程

地下廠房豎井一次擴挖時在井口安裝吊籠提升系統(tǒng)，吊籠由鋼絲繩通過絞車牽引提升，井口安裝井架，井架頂部布置轉向滑輪，提升鋼絲繩經(jīng)井架頂部轉向滑輪導向后提升吊籠。施工人員乘吊籠沿導井下至豎井底部，從下到上采用反井法對豎井進行一次擴挖，擴挖時鉆工站在吊籠中進行打鉆、裝藥等工作。地下廠房豎井一次擴挖施工示意圖如圖4所示。

圖4 地下廠房豎井一次擴挖施工示意圖

3.1.4 豎井全斷面開挖(二次擴挖)支護施工

對于設計開挖斷面不大的豎井，可以不用進行一次擴挖。地質條件較差的豎井由于成型后的導井井壁圍巖破碎、危石較多，對該井壁進行支護比較困難，利用吊籠在導井中人工對豎井進行一次擴挖風險較大，不具備一次擴挖施工的條件。上述兩種情況下不進行一次擴挖，而在反井鉆將導井反拉成型后，直接全斷面正井法進行擴挖支護施工。為減少這種情況下堵井的風險，除通過爆破參數(shù)控制爆破塊石的最大塊徑外，也可以利用現(xiàn)有設備，在反井鉆機反拉時安裝大的鉆頭，盡量使導井的成型直徑較大。

具備一次擴挖條件的豎井完成一次擴挖后，從井口開始正井法二次擴挖，二次擴挖至設計開挖洞徑，不管豎井是否經(jīng)過一次擴挖施工，在按照設計開挖斷面進行最終全斷面擴挖施工時，其施工方法、流程均一致。豎井全斷面開挖支護施工流程如圖5所示。

圖5 豎井全斷面開挖支護施工流程

豎井全斷面開挖支護施工時，先擴挖豎井上井口5m，澆筑一期鎖口混凝土，然后再向下擴挖15m后安裝井口施工平臺及提升系統(tǒng)。吊籠利用一臺雙筒絞車用兩根鋼絲繩同步牽引，井蓋利用一臺卷揚機進行牽引，井蓋為施工人員在掌子面上進行打鉆、支護、裝藥時封堵導井井口的防護設施，在進行爆破作業(yè)時利用卷揚機提升至爆破飛石影響區(qū)外(距離爆破面約30m)，在爆破提升時將掌子面上所有設備及施工用風、水、電管路等全部放至井蓋上一同提升至爆破飛石影響區(qū)外。吊籠作為施工人員、設備、材料等上、下井的運輸設備。豎井全斷面開挖支護施工示意圖(提升系統(tǒng)布置圖)如圖6所示，豎井全斷面開挖支護井口提升系統(tǒng)布置照片如圖7所示，全斷面開挖支護施工照片如圖8所示。

圖6 豎井全斷面開挖支護施工(提升系統(tǒng)布置)示意圖

圖7 豎井全斷面開挖支護井口提升系統(tǒng)布置照片

圖8 豎井全斷面開挖支護施工照片

3.2 地下廠房豎井混凝土襯砌施工

與常規(guī)腳手架分段澆筑施工方法相比，采用滑模澆筑豎井混凝土具有一次澆筑成型、施工速度快、無施工縫、表觀質量好、周轉材料消耗少、節(jié)省大量拉筋和架立筋、大幅減少施工腳手架搭設工程量等優(yōu)點。因此，在水電工程中，對于深度較大的豎井選用滑模進行混凝土襯砌施工是最好的選擇[8-9]。

3.2.1 施工流程

采用滑模澆筑地下豎井混凝土時，從下往上進行澆筑，澆筑至井口拆除滑模，施工流程如圖9所示，滑模安裝施工照片如圖10所示。

圖9 豎井滑?；炷烈r砌施工流程

圖10 豎井滑模安裝施工照片

3.2.2 施工方法

a. 提升系統(tǒng)布置。吊籠提升系統(tǒng)的布置與二次擴挖提升系統(tǒng)基本相同，為減少后期施工不必要的改動，豎井提升系統(tǒng)的布置要根據(jù)豎井各階段施工的特點，統(tǒng)籌考慮，盡量做到各階段施工時其提升系統(tǒng)不做改動或改動較小就可繼續(xù)使用，以節(jié)省時間和資源。

為防止吊籠提升鋼絲繩斷裂后吊籠沿豎井墜落，造成施工人員傷亡，吊籠上安裝防墜系統(tǒng)，制動鋼絲繩一端固定在井口井架上，另一端固定在豎井井底底板上。豎井滑模混凝土襯砌施工示意圖如圖11所示，豎井滑模襯砌混凝土施工照片如圖12所示。

圖11 豎井滑模混凝土襯砌施工示意圖

圖12 豎井滑模襯砌混凝土施工照片

b. 混凝土輸送系統(tǒng)布置。采用滑模澆筑地下廠房豎井混凝土時，利用混凝土攪拌運輸車將混凝土運至豎井井口，然后經(jīng)溜槽溜至集料斗，集料斗固定在井口施工平臺上，集料斗底部與混凝土溜管相連，為防止混凝土在溜管中垂直輸送時發(fā)生骨料分離，溜管每隔10～15m安裝一個緩降器，溜管間及溜管和緩降器間采用法蘭通過螺栓連接，在靠近滑模處的溜管端頭利用鐵絲綁扎安裝竹節(jié)桶，竹節(jié)桶底部安裝溜槽，溜槽將混凝土輸送至滑模頂部中心的旋轉分料器。旋轉分料器出料口可通過人工轉動轉盤繞其支座中心轉動，沿豎井滑模圓周倉面均布一定數(shù)量溜槽，混凝土下料入倉時通過人工轉動將旋轉分料器出料口轉至各個溜槽，均勻下料。

c. 滑模正?；凉仓炷?。

? 鋼筋加工、運輸、安裝。鋼筋表面應潔凈，不應有污垢、油漬、漆垢及其他雜質等。鋼筋經(jīng)除銹后進行調直，為便于井內運輸，鋼筋下料時根據(jù)設計要求及井內運輸要求，單根長度控制在4～6m。鋼筋運至井口后通過吊籠運至襯砌作業(yè)面?；^程中，嚴格控制滑模平臺上鋼筋堆放量，以免造成過大的集中荷載而導致滑模偏斜。為保證鋼筋安裝的速度能夠滿足滑模襯砌的要求，鋼筋一般采用綁扎的方式。

? 爬桿安裝。爬桿采用標準的1.5寸焊管制作，單根長6m。爬桿是滑模千斤頂爬升的支撐體，爬桿接頭處采用螺紋進行連接并安裝。

? 混凝土拌制、運輸、澆筑。拌和混凝土時必須嚴格遵守實驗室出具的混凝土配料單進行配料，定時測定砂、石骨料的含水量。實驗室必須進行與滑?；俣认嗥ヅ涞幕炷脸瞿姸汝P系試驗，并在施工過程中隨時進行調整?；炷了竭\輸選用8m3混凝土攪拌車，由混凝土攪拌車將混凝土運至井口，通過安裝在井壁帶有緩降器的8寸溜管將混凝土溜至井下分料平臺上的中心旋轉分料器，再通過溜槽溜至倉面內。

? 滑?；?。滑模從初次滑升正常后施工轉入正?；?，應保持連續(xù)施工，根據(jù)現(xiàn)場條件確定合理的滑升速度和分層澆筑厚度，日滑升高度控制在5～7m。

? 抹面收光?；５撞吭O計有專門的抹面平臺，施工人員在抹面平臺上對每次滑模爬升后初露出模板的混凝土立即用人工采用原漿進行抹面。

? 混凝土養(yǎng)護?；炷琉B(yǎng)護設置在抹面平臺底部，沿周邊布置一趟花管通水養(yǎng)護。

豎井滑?；炷翝仓瓿墒┕ふ掌鐖D13所示。

圖13 豎井滑?；炷翝仓瓿墒┕ふ掌?/p>

4 結 語

在豎井工程施工過程中，根據(jù)工程施工特點，通過一系列技術創(chuàng)新工作，圓滿完成了工程施工任務，其施工過程中采用的施工方法和技術是對國內現(xiàn)有豎井施工技術的一種提高，確保了工程施工質量及安全。工程施工技術人員通過對現(xiàn)場所采用的施工方法與技術進行總結，申請并上報“地下廠房豎井開挖支護及混凝土襯砌施工工法”的工法，該工法被中國水利工程協(xié)會授予2016年度施工工法，工法成果的形成將進一步推進該施工技術在水電工程豎井施工中的應用。

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Shaftexcavationsupportandconcreteliningconstructiontechnique

LIU Wei, XIONG Fuyou

(SinhydroBureau14Co.,Ltd.，Kunming650051,China)

A raise-boring machine is utilized for pilot well construction during shaft construction of hydropower station. Upright well method or upright well and back well combination construction method is adopted for excavation expansion to the designed cross section in one time or two times according to concrete condition. Slip form is finally utilized for full-section one-time pouring and shaping from top to bottom. The above construction method is adopted for shaft construction for accelerating the construction speed, reducing safety hidden danger, and obtaining excellent construction quality. It represents the most advanced construction methods at present.

water conservancy and hydropower engineering; shaft; excavation support; concrete; slip form

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.024

TV554

B

1005-4774(2017)010-0095-06