周 元，朱 博，王哲鑫，涂小兵

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

隨著中國水電企業(yè)走向世界，水電工程設計面臨著不同于國內的氣候、水文和地質條件。如在熱帶草原、熱帶雨林氣候的非洲和美洲，當地的季節(jié)主要分為雨季和旱季，不如國內的四季分明，從而導致當地的降雨和徑流有別于國內的汛期和枯水期。另一方面由于地質年代和構造的不同，工程所在地的地形和地質條件往往與國內水電資源豐富的西南山區(qū)不同。因此有必要根據具體的氣候和地質條件，對國際項目的工程設計進行專門的分析研究。目前，國內豎井的開挖方法主要有全斷面法、導坑擴挖法、中心擴孔法、反井鉆機法等，大型豎井在開挖過程中可能會遇到坍塌、巖爆等不穩(wěn)定情況[1]。針對粉質粘土地質條件，對雨季豎井施工的特點和方法進行介紹和討論。

2 基本資料

2.1 概況

非洲某水電站工程區(qū)位于赤道附近，為熱帶草原氣候，年內有兩個雨季和兩個旱季。雨季分別為3～5月、8～11月，其中8～11月是主雨季，旱季分別為12月～次年2月、6～7月，年平均降雨量為900～2 000 mm。該電站為長引水地下廠房發(fā)電，豎井直徑大、深度深，自廠房連通至地面，所處地層包括粘土層和巖層，土層采用自上而下的開挖方式，巖層采用反井鉆機進行開挖，以下主要討論粘土地層中豎井的施工方法。

2.2 地質條件

豎井所在位置自上而下分布有：殘積土及全風化、強風化、弱風化及微風化片麻巖層。其中：深度0～6.0 m為表層殘積土，6.0～40.0 m為全風化土體，土體以粉質粘土和粘土為主，土體滲透系數為1×10-4cm/s，地下水埋藏深度在11.0～14.0 m，以孔隙性潛水為主。殘積土和全風化片麻巖土質不均，飽和狀態(tài)下受擾動后，極易沙化、軟化變形，強度、承載力驟減。豎井地質剖面如圖1所示。

圖1 豎井地質剖面圖Fig.1 Geological section of shaft

2.3 豎井結構設計

豎井設計直徑為8.0 m，深度為108.0 m，井口為圈梁，圈梁寬1.5 m，高2.0 m，井內無梁支撐，采用兩排直徑600 mm咬合150 mm的雙管旋噴樁作為外圍護支撐并止水[2]。井內采用復合襯砌，初期采用鋼格柵噴混凝土與系統(tǒng)錨管進行支護，二次支護采用80 cm厚C25混凝土襯砌，格柵沿井深方向每0.5 m一榀，豎向用?22鋼筋焊接連接，系統(tǒng)錨管則采用?42，壁厚3.25 mm，長4.5 m，環(huán)向間距1.0 m，豎向間距0.5 m，梅花狀布置。豎井結構設計斷面如圖2所示。

圖2 豎井開挖支護斷面圖Fig.2 Support system for excavating shaft

3 豎井關鍵施工方法

雨季地下水豐富，為保證豎井施工條件，首先進行高壓旋噴樁施工，形成外圍止水，然后進行井口圈梁、降水管井和排水設施施工。降水和排水設施完成后進行井身土方開挖，接著進行支護施工。

3.1 旋噴樁施工

為防止施工過程中地下水及雨水大量滲入豎井基坑，影響開挖及井壁穩(wěn)定，首先在豎井周邊采用高壓旋噴灌漿形成防滲帷幕，起到防滲和加固豎井的作用。高壓旋噴樁采用雙管法施工，成樁直徑60 cm，樁底深入隔水層3 m。旋噴樁采用普通硅酸鹽水泥，高壓水泥漿射流壓力大于20 MPa，流量60～80 L/min，提升速度為0.2～0.3 m/min，旋噴參數由試噴確定，并根據地層情況進行調整[3]。

3.2 施工降水

雨季豎井施工的重點是降水、排水工作，豎井開挖后，井壁粘土在滲流作用下易粉化軟化和坍塌[4]。根據粘土的滲透系數和地質條件，采取管井井點法降水，降低基坑內地下水的水位標高，確保每步開挖都不帶水施工。

在豎井中央設置管井井點，降水井孔徑為700 mm，井管直徑為400 mm，濾水層厚度150 mm。降水井選用鋼繩式沖擊鉆機進行鉆孔，先根據降水井施工孔位埋設孔口護筒，護筒內徑比鉆頭直徑大200 mm，深度穿越松土層。沖孔時實時測定和控制泥漿濃度。遇較好粘土層，采取孔內造漿護壁，方法是在孔內注滿清水，通過上下沖擊形成泥漿護壁，排碴并定時補漿，直至設計深度。降水井井管的制作采用鋼筋籠骨體外包濾網材料?；\體外包三層濾網，最外層為粗濾網，為網眼5 mm×5 mm鐵絲網，內兩層為網眼1 mm×1 mm的優(yōu)質尼龍網，即細濾網。濾網外用鐵絲每隔50 cm捆綁牢固。降水井安裝完成后，于井管及井壁之間填充粒徑3～15 mm的碎石，碎石沿管周均勻投放，離孔頂1.5 m范圍內用粘土填實夯平。井管埋設完畢后，往井內回灌清水，使用深井泵抽水洗井，直至抽出的井水清澈[5]。管井及旋噴樁布置如圖3所示。

3.3 施工排水

除豎井基坑頂面四周設置排水溝外，開挖過程中依據開挖深度及水流情況在基坑四角同時設置集水井。施工過程中保證排水通暢，隨時將集水井中的水流排出井外。在布設排水溝、集水井及確定抽水設備時，預留40%的富余量，對抽水設備進行定期維護。

圖3 降水井及防滲帷幕平面布置圖Fig.3 Plane of dewatering well and grouting curtain

3.4 豎井土方開挖

豎井基坑開挖在圈梁混凝土強度達到設計80%后進行，地面以下3m土層采用人工開挖，用井口設置的龍門架提升出碴，基坑每次開挖高度為0.5 m，開挖后及時進行施工初期支護，保證井壁穩(wěn)定。

深層土石方開挖按“分層臺階法”進行，豎向分層滿足安放鋼格柵的要求，水平方向從豎井兩端開始向中間靠近，每個臺階每層土方按“先中間挖槽后向兩邊擴展”的順序進行開挖，具體開挖順序如圖4所示。

圖4 豎井分層分臺階開挖示意圖Fig.4 Excavation sequence for shaft

3.5 豎井監(jiān)測

對豎井施工期間變形進行定期測量，分析監(jiān)測數據的變化情況，判斷豎井開挖穩(wěn)定狀況[6]。豎井監(jiān)測內容包括井內凈空收斂變形、豎井地表沉降變形、旋噴樁變形等[7]。井內收斂測樁安裝在豎井表面，開挖初期每天進行觀測，后期改為每兩天觀測一次。使用水平儀觀測豎井周圍地表的沉降，從圖5可以看出，豎井開挖8 d后地表沉降變形趨于收斂，說明做好排水和支護措施，豎井開挖對周圍土體影響較小，豎井開挖過程保持穩(wěn)定。

圖5 豎井外沿地表沉降監(jiān)測值Fig.5 Monitored ground settlement outside shaft

4 結語

雨季施工粘土地層中的豎井時，降水和排水措施是施工的關鍵，采取管井降水法能有效降低豎井地下水位，保證干地施工。高壓旋噴樁可以在豎井周邊形成防水帷幕，起到止水作用，同時提高粘土地基的承載能力，提高井壁的穩(wěn)定性。豎井開挖嚴格控制分層高度，土層開挖按“分層臺階法”進行，開挖后及時支護。當做好降水和排水措施，并采用高壓旋噴樁止水防滲后，雨季豎井施工能順利進行并保證施工質量。