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        300m級(jí)小斷面深豎井正反井結(jié)合法開(kāi)挖施工技術(shù)

        2020-11-12 05:32:14沈國(guó)武
        四川水利 2020年5期
        關(guān)鍵詞:圍巖施工

        向 前,梁 劍,蔡 暢,沈國(guó)武

        (中國(guó)水利水電第九工程局有限公司,貴陽(yáng),550081)

        在水利水電工程中一般的豎井開(kāi)挖斷面較大,高度多數(shù)在200m以內(nèi),對(duì)于高度大、斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜的豎井研究較少。豎井?dāng)嗝嫘”厝辉斐蓹C(jī)械化施工效率低,而豎井高度高則易造成先導(dǎo)孔產(chǎn)生偏移、施工人員井下作業(yè)安全隱患大等問(wèn)題;地質(zhì)條件復(fù)雜則安全風(fēng)險(xiǎn)大。上述問(wèn)題往往對(duì)豎井的開(kāi)挖支護(hù)及施工進(jìn)度產(chǎn)生較大影響,甚至造成安全事故。本文通過(guò)對(duì)山西省小浪底引黃工程地下泵站300m級(jí)出水豎井開(kāi)挖研究,從方案比選、機(jī)械設(shè)備定制與配套、先導(dǎo)孔精度控制、石渣出運(yùn)、安全防護(hù)與管理等方面,形成一套300m級(jí)小斷面深豎井正反井結(jié)合法施工技術(shù),可供類似工程提供借鑒。

        1 工程概況

        1.1 工程簡(jiǎn)況

        山西省小浪底引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程,本工程干線自小浪底庫(kù)區(qū)取水,供水范圍包括5個(gè)縣(區(qū)),規(guī)劃年引水量2.47億m3。出水豎井作為地下泵站主要建筑物,位于出水壓力管道末端,底部與出水壓力管道相接,頂部與出水池相連,豎井底部彎管底板高程為208.8m,豎井頂部井口高程為492.72m,總高度283.92m,倒掛井段開(kāi)挖直徑6.5m,其余段開(kāi)挖直徑5.5m,豎井壓力鋼管安裝后直徑4m。

        1.2 地質(zhì)情況

        出水豎井從上至下巖性分別為奧陶中統(tǒng)(O2)雜色薄層~中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r、黃綠色微薄層泥灰?guī)r、棕黃色薄-中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁(yè)巖,奧陶系下統(tǒng)(O1)灰白~淺黃色薄~中厚層泥質(zhì)白云巖、白云巖夾泥質(zhì)軟弱夾層。出水豎井在開(kāi)挖過(guò)程中揭露巖石多為中硬巖,飽和單軸抗壓強(qiáng)度為15MPa~60MPa,圍巖結(jié)構(gòu)破碎,裂隙很發(fā)育,裂隙面平直粗糙,泥鈣質(zhì)充填其中,小型溶腔、溶洞發(fā)育;巖體受SE向、NE向和層面切割影響,呈塊裂結(jié)構(gòu),巖體破碎松散,呈碎裂、塊裂結(jié)構(gòu),層面軟弱滑塌嚴(yán)重,圍巖極不穩(wěn)定,以Ⅴ類圍巖為主。

        2 背景

        受前期進(jìn)廠交通洞工期延誤的影響,出水豎井成為了限制整個(gè)工程上水目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵線路。出水豎井頂部具備施工條件,通往出水豎井底部的壓力管道仍有348m未開(kāi)挖完成,若等待通往出水豎井底部的壓力管道貫通后再實(shí)施反井法施工,已無(wú)法滿足工程進(jìn)度目標(biāo)。為此必須研究出一套適用于小斷面、深豎井的開(kāi)挖施工技術(shù),解決工期問(wèn)題,早日實(shí)現(xiàn)上水目標(biāo)。

        備注:出水豎井井口具備開(kāi)挖條件時(shí)豎井底部壓力管剩余348m未開(kāi)挖

        3 豎井開(kāi)挖方案比選

        結(jié)合國(guó)內(nèi)外豎井施工經(jīng)驗(yàn),針對(duì)豎井常用的開(kāi)挖施工工法及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

        表1 豎井施工方法對(duì)比

        根據(jù)表2工程特點(diǎn)分析,豎井施工常見(jiàn)的為正井開(kāi)挖和反井開(kāi)挖兩類,豎井施工具體要采取正井還是反井開(kāi)挖,應(yīng)根據(jù)施工場(chǎng)地、施工進(jìn)度、施工成本及安全因素等工程條件來(lái)確定[1]。由于本工程出水豎井高度較高,開(kāi)挖必須采取反井開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工,但鑒于豎井底部壓力管道暫未貫通,不具備反井開(kāi)挖條件。表2中滿足工期要求的只有分段反井法與正反井結(jié)合法,對(duì)這兩者進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)比,最終選擇經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的正反井結(jié)合法。根據(jù)豎井底部壓力管道開(kāi)挖進(jìn)度安排,同時(shí)根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)要求,考慮開(kāi)挖面爆破振動(dòng)對(duì)上部門(mén)機(jī)的影響,此處安全距離取52m,即在正井開(kāi)挖52m后再進(jìn)行門(mén)機(jī)的安裝,門(mén)機(jī)安裝完成緊接著利用門(mén)機(jī)進(jìn)行反井鉆機(jī)安裝。反井鉆機(jī)安裝完成時(shí),豎井底部壓力管道正好可以完成開(kāi)挖支護(hù)施工,具備豎井底部出渣條件。為此出水豎井采取正反井結(jié)合法開(kāi)挖,即上部52m采用全斷面正井開(kāi)挖,下部采用反井開(kāi)挖。

        表2 本工程出水豎井施工方法對(duì)比

        4 施工設(shè)備的定制與配套技術(shù)

        由于出水豎井高度高、斷面小,受作業(yè)空間限制,普通的機(jī)械設(shè)備無(wú)法滿足施工要求,同時(shí)也無(wú)多余空間布置供人員上下的升降設(shè)備,故首先要結(jié)合開(kāi)挖方案對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行定制與配套。

        結(jié)合開(kāi)挖及后期壓力鋼管吊裝需要,在豎井頂部布設(shè)一臺(tái)MGR25/3-11A4通用門(mén)式起重機(jī),可用于豎井施工人員、施工機(jī)械設(shè)備及材料的運(yùn)輸。

        正井開(kāi)挖采取井口布置一臺(tái)50t汽車吊,吊運(yùn)機(jī)械設(shè)備和石渣,井內(nèi)用SY16C小型挖機(jī)進(jìn)行出渣。

        豎井反井段采用LM-300型反井鉆機(jī)。

        豎井底部利用3.0m3裝載機(jī)裝車,20t自卸汽車運(yùn)輸渣場(chǎng)棄渣。

        門(mén)式起重機(jī)及SY16C小型挖機(jī)是結(jié)合出水豎井施工特點(diǎn),由廠家專門(mén)定制。門(mén)式起重機(jī)、SY16C小型挖機(jī)、反井鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表3-表6。

        表3 MGR25/3-11A4通用門(mén)式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)(一)

        表4 MGR25/3-11A4通用門(mén)式起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)(二)

        表5 SY16C小型挖機(jī)主要參數(shù)

        表6 LM-300型反井鉆機(jī)主要參數(shù)

        5 流程及關(guān)鍵工序施工工藝

        5.1 流程

        圖2 正反井結(jié)合法施工工藝流程

        5.2 關(guān)鍵工序施工工藝

        5.2.1 導(dǎo)孔施工

        出水豎井采用LM-300型反井鉆機(jī),反井鉆機(jī)布置在豎井內(nèi),先鉆一個(gè)φ250mm的導(dǎo)孔與豎井底部相通,再在豎井底部安裝φ1.4m的反井鉆頭,自下而上擴(kuò)挖,形成一個(gè)φ1.4m的溜渣井,然后自上而下對(duì)豎井進(jìn)行全斷面開(kāi)挖支護(hù)施工,開(kāi)挖的石渣經(jīng)溜渣井滑至豎井底部采用裝載機(jī)裝車運(yùn)至渣場(chǎng)。在反井鉆機(jī)安裝平臺(tái)右側(cè)區(qū)域豎井內(nèi)壁擴(kuò)挖一個(gè)液壓洗井泵洞室,基礎(chǔ)澆筑完成后進(jìn)行反井鉆機(jī)安裝。

        圖3 反井鉆機(jī)基礎(chǔ)平面布置

        由于出水豎井高度高,必須控制好反井鉆機(jī)先導(dǎo)孔鉆進(jìn)精度,反井鉆機(jī)產(chǎn)生偏斜主要是由于鉆機(jī)定位不穩(wěn)、開(kāi)孔控制不當(dāng)、鉆機(jī)鉆進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速度控制不當(dāng)、鉆桿軸向自重影響等原因造成。為此,在施工過(guò)程中必須對(duì)上述影響因素進(jìn)行控制,將孔底偏差控制在3‰以內(nèi)。

        為了便于挖機(jī)翻渣,出水豎井反井開(kāi)挖溜渣井選擇布置于井內(nèi)一側(cè)??紤]到鉆孔過(guò)程孔底偏差影響,根據(jù)采取先導(dǎo)孔鉆進(jìn)精度控制預(yù)期效果,將溜渣井布置于靠出水壓力管道側(cè),距出水豎井開(kāi)挖邊線50cm處。

        (1)鉆機(jī)定位及開(kāi)孔控制

        首先反井鉆機(jī)安裝位置必須精確放樣,反井鉆機(jī)安裝時(shí)采用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量,并對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核,無(wú)誤后再對(duì)鉆機(jī)地腳螺栓孔澆筑混凝土固定。另外,為確保順利開(kāi)孔,開(kāi)孔鉆桿選用直徑與φ250mm的導(dǎo)孔鉆頭同等大小并且加工精細(xì)的穩(wěn)定鉆桿,再配合扶正器慢速開(kāi)孔。開(kāi)孔第1根、第2根鉆桿均為特殊穩(wěn)定鉆桿,第1根鉆桿完全進(jìn)入巖石后,再接上一根同樣的鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn),第3根鉆桿換用普通鉆桿,這樣繼續(xù)鉆進(jìn),始終保持穩(wěn)定鉆桿緊緊貼住孔壁,直至無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí),提出所有鉆桿,卸下第1和第2根特殊穩(wěn)定鉆桿,換上正常的穩(wěn)定鉆桿,配合正常的鉆具組合,放入孔內(nèi),繼續(xù)鉆進(jìn),這樣就結(jié)束了開(kāi)孔,開(kāi)始正常的導(dǎo)孔鉆進(jìn)了[2]。

        (2)鉆進(jìn)速度控制

        在導(dǎo)井鉆進(jìn)過(guò)程中要根據(jù)巖石地質(zhì)條件調(diào)整合理的鉆壓和轉(zhuǎn)速,鉆進(jìn)速度必須均勻,切忌忽快忽慢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,出水豎井導(dǎo)井鉆進(jìn)過(guò)程中Ⅴ類圍巖鉆桿壓力在12kN~15kN,鉆速在20r/min,鉆進(jìn)速度在1.5m/h左右;Ⅳ類圍巖鉆桿壓力在15kN~26kN,鉆速在20r/min左右,鉆進(jìn)速度在1.0m/h左右。

        (3)減小鉆桿軸向自重對(duì)先導(dǎo)孔的影響

        為克服鉆桿軸向自重等造成偏斜,在鉆進(jìn)過(guò)程中采取間隔10m~20m放置一根穩(wěn)定鉆桿,這樣可減少鉆桿軸向偏移,保證先導(dǎo)孔鉆進(jìn)精度。

        5.2.2 豎井?dāng)U挖及支護(hù)

        出水豎井導(dǎo)孔鉆孔完成后在導(dǎo)孔底部更換φ1.4m的反井?dāng)U孔鉆頭,自下而上擴(kuò)孔開(kāi)挖溜渣井。根據(jù)豎井導(dǎo)井鉆進(jìn)過(guò)程觀測(cè)以及反出的巖屑情況,經(jīng)對(duì)巖屑的初步定性分析,出水豎井圍巖較為破碎,基本以Ⅴ類圍巖為主、Ⅳ類圍巖為輔。為此,豎井?dāng)U挖按照“多布孔、少裝藥、周邊光爆”的原則進(jìn)行爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。

        每輪炮出渣完畢后及時(shí)進(jìn)行支護(hù),采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土地支護(hù)方式,對(duì)于圍巖極差部位采取增設(shè)鋼筋骨架或環(huán)形型鋼拱架的方式聯(lián)合支護(hù)。

        圖4 出水豎井開(kāi)挖示意

        圖5 出水豎井?dāng)U挖炮孔示意

        5.2.3 石渣出運(yùn)

        正井開(kāi)挖倒掛井段(直徑6.5m)采用玉柴60挖機(jī)裝渣,利用50t吊車1.5m3吊罐從豎井井口出渣。

        正井開(kāi)挖倒掛井段以下(直徑5.5m)采用SY16C小型挖機(jī)進(jìn)行裝渣,利用50t吊車1.2m3吊罐從豎井井口出渣。

        反井開(kāi)挖利用SY16C小型挖機(jī)進(jìn)行翻渣至溜渣井,渣溜至出水豎井底部,從壓力管道出渣。

        5.2.4 豎井底部擴(kuò)挖施工

        出水壓力管道平洞段與出水豎井由90°圓弧轉(zhuǎn)彎段相接,若按照設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)挖,安全風(fēng)險(xiǎn)大,同時(shí)底部彎段在豎井?dāng)U挖過(guò)程中從導(dǎo)井溜下的石渣必定將沿底部彎管弧線堆積,不利于底部出渣,而且易造成石渣堵塞溜渣井。鑒于上述原因,對(duì)豎井底部進(jìn)行技術(shù)性超挖,將豎井底部彎管段擴(kuò)挖成直角轉(zhuǎn)彎段(如圖4所示)。同時(shí)由于出水壓力管道斷面較小,為加快施工進(jìn)度,便于裝載機(jī)及自卸汽車裝渣、掉頭,采取在出水壓力管道平洞靠近豎井部位設(shè)置錯(cuò)車道[3]。

        6 安全保障措施

        豎井開(kāi)挖過(guò)程中主要存在高空墜物、圍巖變形、人員上下通行不便、排煙降塵困難等較大的安全隱患,為此在豎井開(kāi)挖施工過(guò)程中主要采取以下安全措施。

        6.1 防止高空墜物

        在出水豎井井口設(shè)置安全圍欄,并在圍欄底部設(shè)置30cm高的攔水坎,圍欄其余部位滿掛密目網(wǎng);安全人員每天對(duì)井口施工區(qū)域進(jìn)行清掃,保證無(wú)任何石塊、鋼筋頭等可掉落至井內(nèi)的重物。

        6.2 圍巖變形觀測(cè)

        沿井壁每間隔10m設(shè)置一道圍巖穩(wěn)定和變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)圍巖極差部位單獨(dú)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn),并按照3d一測(cè)、5d一查的方式進(jìn)行觀測(cè)檢查,若發(fā)現(xiàn)存在變形,及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

        6.3 人員上下通行

        在門(mén)式起重機(jī)上增設(shè)安裝人員上下的專用吊籠,同時(shí)設(shè)置應(yīng)急供電柴油發(fā)電機(jī),在停電的緊急情況下位于豎井井口的門(mén)式起重機(jī)仍能將人員吊運(yùn)出豎井。另外,沿豎井井壁安設(shè)應(yīng)急安全爬梯,安全爬梯一直延伸至豎井掌子面,遇緊急情況,人員可通過(guò)爬梯轉(zhuǎn)移至豎井外。

        在豎井鉆孔、裝藥等過(guò)程中為防止人員掉入溜渣井中,在溜渣井頂部設(shè)置專用安全蓋板,蓋板采用φ25鋼筋焊接而成,放炮出渣時(shí)將安全蓋板移開(kāi),人員井下作業(yè)時(shí)則蓋上。

        6.4 通風(fēng)排煙

        井口安裝一臺(tái)SDFw-No6.5(22×2)的軸流式風(fēng)機(jī),風(fēng)帶沿豎井井壁掛設(shè)至掌子面,在人員井下作業(yè)時(shí)啟動(dòng)對(duì)豎井內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)降塵。

        6.5 通訊及安全教育

        在門(mén)機(jī)操作室與載人吊籠內(nèi)各配備2臺(tái)對(duì)講機(jī),吊籠內(nèi)掛設(shè)安全標(biāo)志牌及安全規(guī)程,下井前對(duì)工人進(jìn)行班前五分鐘安全教育,乘坐吊籠前檢查對(duì)講機(jī)是否正常及電量是否充足,下井過(guò)程中乘行人員保持與門(mén)機(jī)司機(jī)溝通,確保吊籠正常下行和起吊。

        7 結(jié)語(yǔ)

        (1)采用正井反井相結(jié)合法開(kāi)挖施工技術(shù),豎井頂部正井開(kāi)挖和倒掛井襯砌不受底部出渣通道限制,可以提前進(jìn)行施工,能夠加快豎井貫通進(jìn)度,節(jié)省直線工期達(dá)56d。

        (2)通過(guò)先導(dǎo)孔施工精度控制技術(shù),將孔底偏差精度控制在2‰以內(nèi),確保了施工質(zhì)量,同時(shí)一種適用于小斷面高豎井的人貨兩用龍門(mén)吊,改善了深豎井人員通行的條件,提高了作業(yè)人員工效及安全保障率。

        (3)300m級(jí)小斷面深豎井正反井結(jié)合法開(kāi)挖施工技術(shù),解決了斷面小、深度高、地質(zhì)條件復(fù)雜的豎井施工難題,并總結(jié)了一套完整的施工工法,施工安全、快速、質(zhì)量可靠。為山西小浪底引黃工程地下泵站早日上水創(chuàng)造了有利條件,對(duì)今后類似小斷面深豎井工程開(kāi)挖施工具有重要借鑒作用。

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