張宏山

（中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

某水電站項目位于巴基斯坦北部開伯爾-普赫圖赫瓦?。↘PK）的曼瑟拉地區(qū)，距離伊斯蘭堡約256km，距離尼魯姆-杰盧姆水電站107km。該項目為長隧洞引水式發(fā)電站，引水隧洞長為22.618km，最大靜水頭922.72m，共安裝4 臺單機容量為221MW 的沖擊式水輪發(fā)電機組，總裝機容量約為884MW。工程主要建筑物包括：瀝青混凝土心墻堆石壩、溢洪道、取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力豎井、地下廠房、主變室、尾水洞、廠房交通洞等。

其中，壓力豎井群位于調(diào)壓豎井和廠房機組進水球閥之間，壓力鋼管段為雙線洞，每條壓力鋼管由3 個豎井和4 個平洞段組成（第四壓力平洞段含壓力岔管段），豎井段為圓型斷面，根據(jù)圍巖等級不同，開挖直徑4.74～5.18m，水平段為馬蹄形斷面，成型尺寸4.52m×5.6m（寬×高）。第一級壓力豎井深204.54m，第二級壓力豎井深181.24m，第三級壓力豎井深256.65m；第一平洞段長324.28m，坡比10%，第二平洞段長343.24m，坡比10%，第三平洞段長433.69m，坡比10%；PS1 壓力鋼管第四平洞段長71.6m，PS2 壓力鋼管第四平洞段長105.32m，第四平洞段設置“Y”型岔管，一管變兩管，最終進入發(fā)電廠房。具體見圖1。

圖1 堅井系統(tǒng)三維布置示意圖

2 工程地質(zhì)

壓力豎井區(qū)域巖性主要為變質(zhì)玄武巖和綠泥石片巖，圍巖主要為微風化-新鮮，洞室圍巖具中等地應力。根據(jù)已開挖揭露的圍巖情況，巖石產(chǎn)狀大多為NE340～355°∠60～85°，其中變質(zhì)玄武巖為塊狀構造，裂隙比較發(fā)育，完整性差；綠泥石片巖為較軟巖-中硬巖，抗風化能力差，分布較廣。圍巖完整性總體較差，圍巖類別基本以Q4、Q5 類為主，并伴有不利于穩(wěn)定的組合面。

3 堵井概述

堵井事件發(fā)生在第三級壓力豎井，堵井部位埋深高程在358-453m，第三級壓力豎井PS2，深256.65m，為圓型斷面，支護成型直徑4.68m，采用BMC300 型反井鉆機鉆設φ270mm 導孔后，再用φ1.4m 刀盤反拉成溜渣井。之后，采用人工鉆爆，進行擴挖。

此次堵井的原因主要為：一是因當?shù)爻鲈囁緳C罷工，下部囤渣較多，未能及時清運而導致井中渣石擠壓嚴實；二是每次噴護后，回彈料清理不徹底，導致回彈料落入井中，形成板結體；三是豎井地質(zhì)條件差，在溜渣過程中，井壁反復受到?jīng)_刷，形成局部垮塌。從而，在上述多重因素影響下，造成了此次堵井。經(jīng)測量復核，堵塞長度為138.5m。

此次堵井發(fā)生后，項目部邀請各級專家進行分析研究，采用不同的處理措施，同時，再加上該地區(qū)正處于新冠肺炎疫情高發(fā)期，勞務人員大量流失，各類措施推進比較緩慢。最終，歷經(jīng)數(shù)月后才得以疏通。

4 堵井處理措施

實際處理過程分為兩個階段。具體措施如下：

第一階段：預測堵塞嚴重的位置處于最下部，主要采用下部擾動的思路。具體方法有四種：

（1）方法一：堵塞體底部機械擾動處理

第一步：在導井下部清理出一個集渣坑。

第二步：在反鏟鏟斗上焊接一節(jié)6m 鋼管，通過反鏟的舉升力量，對堵塞體底板進行擾動。

處理結果：采用此方法，僅僅疏通5m 后，因高度受限，無法繼續(xù)處理，同時發(fā)現(xiàn)，底板堵塞體極其密實。

（2）方法二：人工撐桿頂炸藥包爆破擾動

第一步：對導井下井口進行加強支護，噴護10cm+隨機的3m 錨桿，以防止溜渣時下井口出現(xiàn)垮塌，造成人員設備損傷。

第二步：在下井口利用現(xiàn)有錨桿，設置一個葫蘆吊點，用以輔助舉升PVC 管。

第三步：采用膠帶將5kg 炸藥包綁在PVC 管頂部，PVC 管徑從上而下由φ25 逐漸至φ150，并利用頂部葫蘆配以人工，舉升炸藥至堵塞體底部。

第四步：采用叉型鋼管對撐桿進行輔助導向固定后，撤離人員和設備，通過導爆索引爆炸藥包。

第五步：待導孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，出渣。清渣排險后對堵塞情況進行核實，如仍未疏通，則重復第一至第四步。

處理結果：采用此方法，累計疏通15m 后，因高度增加，加上導井軸線成“S”型偏移，所以人工撐桿頂炸藥包存在安全隱患，故放棄此方法。

（3）方法三：氦氣球托舉藥卷爆破擾動（見圖2）

圖2 氦氣球托舉藥卷爆破擾動法

第一步：采用直徑為1.2m 氦氣球，經(jīng)放升試驗檢驗，按總體托重不大于1.0kg 考慮。

第二步：根據(jù)現(xiàn)場實際，采用φ32 乳化炸藥，裝藥0.416～0.832kg（2～3 節(jié)）。藥卷用膠帶與氣球綁扎牢固。

第三步：采用細麻繩系氦氣球底端，緩慢放升，待藥卷貼住堵塞部位底端，穩(wěn)定后，安排人員撤離，準備起爆。

第四步：爆破前，從豎井上部導井向下少量注水，起到潤滑渣料的作用。同時，人員設備撤離至周邊支洞安全區(qū)域。在人員設備撤離完成后，由專業(yè)人員引爆。

第五步：待導孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，出渣。清渣排險后對堵塞情況進行核實，如仍未疏通，則重復第一至第四步。

處理情況：采用此方法，每次爆破后，掉落的渣料大約0.2 方；在連續(xù)實施10 多個循環(huán)后，受上部滲水較大，加之浮力不足影響，氣球吸附在井壁，無法上浮，此方法被迫停止。

（4）方法四：堵井導井底部打斜孔裝炸藥爆破擾動

主要思路是，經(jīng)過上述幾種方法處理后，剩余堵塞長度為117m。計劃通過井底下平洞打斜孔至堵塞體內(nèi)，裝炸藥爆破擾動堵塞體。但此方法需確保下部人員機具安全。

第一步：編織袋內(nèi)裝沙土，在下部壓力下彎段起坡點砌筑高度不低于3m，厚度不低于2m 的擋渣坎（如圖3 所示），防止打鉆過程中，因擾動引發(fā)堵塞體渣料下落，從而確保擋渣坎后方人員設備安全。

圖3 堵井底部打斜孔裝炸藥爆破擾動法

第二步：采用錨索鉆機鉆孔，孔徑φ110，在豎井中心下游側15m 位置開孔，鉆設角度上揚64°，鉆設深度35.4m，鉆設至堵塞段下部5m 處。鉆孔過程中需要控制鉆速，確保鉆孔精度控制在1%以內(nèi)。

第三步：利用高壓風/水對孔底進行沖洗，其目的一是嘗試高壓風/水是否可以疏通孔內(nèi)下部5m 范圍內(nèi)渣料，二是起到清孔的作用，確保炸藥能裝入導井堵塞體范圍內(nèi)。

第四步：根據(jù)上述參數(shù)鉆孔后，理論上導井內(nèi)有效長度可達3.0m，為避免過度爆破造成井壁坍塌，采用φ50 乳化炸藥，裝藥2.08～3.12kg（2～3 節(jié)）。使用PVC 管頂裝炸藥，確保裝入深度達到32.5m，采用1m 炮泥堵孔，炮泥裝入深度需確保31.5m。

第五步：爆破前，豎井下部人員設備撤離至周邊支洞安全區(qū)域。在人員設備撤離完成后，由專業(yè)人員進行引爆。

第六步：待導孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后出渣。視疏通效果，再決定是否重復上述步驟。

處理情況：首次裝炸藥爆破后，幾乎無渣料落下，經(jīng)分析，認為下部渣體受到上部落渣不斷夯實，板結密室，爆破效果差。若是加大炸藥量，可能在堵塞體未得到處理的情況下，對周邊井壁造成二次傷害，造成進一步垮塌。此方法放棄。

第二階段：鑒于下部擾動無法疏通，采用自上而下的疏通的思路。主要采用兩種方法：

（1）方法一：采用地質(zhì)鉆機，自上而下正向跟管鉆孔，成孔后反向分段爆破疏通

第一步：鉆機就位鉆孔。采用XY-2 型地質(zhì)鉆機鉆孔，孔徑φ75，鉆機布置于豎井上部擴挖段底部。

第二步：先下放跟管至堵塞部位，之后開始鉆孔。鉆孔過程中需要控制鉆速，確保鉆孔精度。鉆孔過程如出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象則立即拔出鉆桿，重新鉆孔。

第三步：鉆孔貫通后，從跟管中間穿細鋼絲繩，鋼絲繩一端系于上部擴挖段錨桿或插筋上，另一端放至豎井下平洞。

第四步：利用鋼絲繩牽引裝藥至堵塞段底部，由下至上分段爆破疏通。爆破前，人員設備撤離至安全區(qū)域。在人員設備撤離完成后，由專業(yè)人員引爆。

第五步：檢查及清渣。待導孔內(nèi)渣料穩(wěn)定后，進行導井下部出渣。清渣排險后對堵塞情況進行核實，如仍未疏通，則重復第四和第五步。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可能需經(jīng)由多次爆破，最終確保豎井導井疏通成功。

處理結果：在鉆進過程中，遇到了較完整的堅硬的塊石，在跟進套管時，因鉆頭為73mm，跟管為110mm，巖石堅硬，導致套管無法跟進，再加上上部70 多米的跟管處于懸空狀態(tài)，在上部受到錘擊力后，最下部絲口套接處擺動幅度過大，發(fā)生套管斷裂，此方法被迫放棄。

（2）方法二：反井鉆機疏通法

第一步：施工準備。一是將擴挖掌子面所有工機具清理出井外。人工將場地進行平整。二是在導井井口周圍使用3000Psi 混凝土對稱澆筑兩個墩柱形成反井鉆機平臺基礎，尺寸4m×1.0m×0.5m（長×寬×高），墩柱中心距下鉆點2.0m。每個基礎下預埋鐵板凳和5 根φ25 插筋，長度2.5m，間距0.9m，入巖2.0m，外露0.5m 焊接于預埋的鐵板凳上。

第二部：考慮到反井鉆機自重及鉆桿重量，鉆機平臺采用8 根30C 工字鋼制作而成，井口兩根間距30cm，其余工字鋼間距50cm。平臺除預定鉆孔孔口周圍100cm 外，其余地方需采用10mm 厚鋼板滿鋪，防止雜物掉落。

第三步：將驗收合格反井鉆機平臺吊運至掌子面平臺，將平臺與基礎預埋鐵板凳焊接。之后對鉆孔孔口周圍15cm 外采用10mm 厚鋼板滿鋪。反井鉆機安裝過程中測量人員需實時跟蹤，確保反井鉆機安裝精度。反井鉆機與井口平臺采用焊接方式固定。其水平精度與垂直精度誤差不得超過0.5%。

第四步：操作平臺、水箱、鉆桿等根據(jù)現(xiàn)場實際情況在合適位置進行安裝。

第五步：堵塞體鉆孔施工。一是下放鉆頭至堵塞段。二是當鉆頭到達堵塞段時，鉆頭先不旋轉，利用壓力下壓。反復下壓上提形成定位孔。開孔時，將反井鉆機供水管連接空壓機，利用高壓風進行吹渣。之后慢速開鉆，鉆進過程使用清水，只起冷卻鉆頭和潤滑作用，水量應嚴格控制，不宜過大。鉆機鉆進過程中，由于上部懸空鉆桿接長過程較快，但到達堵井位置后，為防止上部鉆桿懸空甩段，必須放慢轉速，鉆機動力頭基本不能加壓，依靠鉆桿自重，慢速研磨堵塞物，當遇到較堅硬巖石時，根據(jù)經(jīng)驗需要可適當調(diào)整鉆進速度并適當增壓不超過2MPa，鉆進過程中應隨時注意鉆桿穩(wěn)定情況，以免發(fā)生鉆桿偏斜或鉆桿斷裂。三是鉆進過程中采用邊鉆進邊掃孔的方式進行，防止鉆桿發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，直至鉆桿鉆通堵塞體。四是反井鉆機鉆設前，豎井下部人員、設備必須撤離至安全部位，并將豎井下部安全欄桿關閉，避免人員設備進入。

第六步：如果鉆桿鉆通后仍有堵塞體未掉落，根據(jù)實際情況，一是將鉆頭下放至井底，安裝反拉刀盤，按照每班8m 的速度，拉通堵塞段。二是通過鉆桿下放鋼絲繩，吊炸藥反向分段爆破疏通。

第七步：當堵塞體全部清理完之后，利用門機將反井鉆機及施工平臺拆除，之后恢復正常擴挖。

處理結果：采用此方法，歷經(jīng)2 個月，堵塞體成功疏通。其中導孔鉆穿后，采用反拉刀盤的方式疏通所有堵塞體。主要是考慮到一旦分段爆破，可能會造成二次垮塌后堵井或者鉆桿抱死。

5 經(jīng)驗總結

綜上所述，此次堵井處理的主要經(jīng)驗總結如下：

一是堅決避免出現(xiàn)嚴重堵井。每次進行井內(nèi)溜渣前和溜渣過程中，安排專人在下平洞安全距離外，持對講機和掌子面扒渣人員保持通訊暢通，一旦導井下口堆渣高度與導井下口距離小于1m，或者上部溜渣時，下部無渣，應及時叫停扒渣作業(yè)，避免發(fā)生嚴重堵井。

二是及時清理擴挖噴護料。噴射混凝土施工時，需采取少量多次的噴護方式，盡可能地減少回彈料，同時，噴護作業(yè)完成后，應及時清理散落的噴護料，禁止同渣料一起扒入導井內(nèi)，從而造成板結堵井。

三是優(yōu)化爆破設計網(wǎng)絡。擴挖爆破網(wǎng)絡連結時，每一圈爆破孔分2～3 段爆破，每段間隔50ms；同時，合理布置炮孔密度，合理裝藥，盡量使爆破后的石渣直徑不大于30cm；預防大塊石堵井和對井壁的沖擊。

四是充分發(fā)揮地質(zhì)預判。根據(jù)前期井內(nèi)的攝像和地質(zhì)揭露情況，對接近斷層和破碎帶的洞段，擴挖處理需按實際及時調(diào)整。

五是扒渣處理需觀察細致。扒渣工人需時刻關注導井內(nèi)風向及氣流情況，一旦突變，應馬上停止扒渣，避免發(fā)生嚴重的堵井。

六是現(xiàn)場管理需精細組織。尤其是上下聯(lián)動和及時出渣。

七是處理措施需科學精準。堵井處理方案需因地制宜，對癥下藥，既要保證安全，又要兼顧進度。

6 結束語

此次堵井處理耗時數(shù)月，對總體進度有較大影響。這既是一次深刻的教訓，也是一次經(jīng)驗的總結。同時，就上述處理方法，可為其他項目在應對不良地質(zhì)條件下豎井堵井處理方面，提供了一些借鑒的經(jīng)驗。