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。