小斷面深豎井開挖及一次支護施工技術

張 峰

（山西省小浪底引黃工程建設管理局 山西太原 030002）

1 小浪底出水豎井工程概況

山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市，工程干線自小浪底庫區取水，工程年引水量為2.47億m3，設計流量20 m3/s，泵站總裝機容量為8.4萬kW。

出水豎井布置在出水壓力管道末端，出水豎井出口高程為492.72 m，出水豎井總深度為283.92 m。將出水豎井分為三段：鎖口段、豎直段和下彎段。其中，鎖口段井深22.72 m（EL492.72～EL470），豎直段井深238.60 m（高程 EL470.00～EL231.40），下彎段井深22.60 m（高程 EL231.40～EL208.80），如圖 1 所示。豎井斷面為圓形，鎖口段開挖直徑D=6.5 m，豎直段III類圍巖開挖直徑D=5.4 m，IV、V類圍巖開挖直徑D=5.5 m。出水豎井襯砌后斷面直徑D=4 m。

2 施工重難點

1）出水豎井斷面小、井深，豎井開挖施工難度大，在下部壓力管道未貫通前，擬先對豎井EL492.72～EL440.72處的52 m采用正井法開挖，待底部出水壓力管道貫通后，再采用反井鉆機法開挖剩余部分。

2）出水壓力管道斷面?。ㄩ_挖斷面為高5.35 m，寬5.5 m的城門洞型），且出水壓力管道平洞段與出水豎井相交為圓弧轉彎段，為方便豎井出渣，須對豎井底部出水壓力管道頂拱擴挖至高程EL219.00 m，對圓弧轉彎段進行擴挖，將底部擴挖成直角轉彎，并在出水壓力管道平洞靠近豎井部位設置錯車道，以便出渣設備裝渣，在后期壓力管道安裝完成后采用與壓力管道同標號外包混凝土進行回填。

圖1 小浪底出水豎井結構圖

3）豎井高度高，施工質量、安全問題突出。由于出水豎井深度較深，豎井井口地質條件較差，為保證出水豎井開挖施工安全，在豎井鎖口段開挖過程中，采取邊開挖邊澆筑鎖口混凝土的方式進行施工。同時，由于豎井反井開挖深度深，在反井鉆機施工過程中必須全方位對導井鉆孔精度控制，保證豎井導井開挖施工精度，防止導井偏移；在開挖期間人員上下、高空掉物等施工安全問題突出。

3 豎井施工方案

出水豎井開挖采用正井法開挖和反井鉆機法開挖結合的方式進行施工，先對豎井EL492.72～EL440.72之間的52 m進行正井法開挖。正井法開挖完成后運用反井鉆機進行豎井導井施工。導井與出水壓力管道平洞段貫通后采用反井鉆機對直徑1.4 m的溜渣井進行開挖，待溜渣井形成后，采用自上而下對豎井進行全斷面開挖支護施工，開挖的石渣經溜渣井滑至豎井底部。布置如圖2所示。

3.1 豎井正井法開挖

采用光面爆破、自上而下全斷面開挖施工。鎖口段開挖直徑為D=6.5 m，噴混凝土厚15 cm，鎖口混凝土厚0.5 m；鎖口段下方豎直段III類圍巖的開挖直徑D=5.4 m，噴混凝土厚10 cm，IV、V類圍巖的開挖直徑D=5.5 m，噴混凝土厚15 cm。出水豎井內利用微型挖掘機進行裝渣，裝入2 m3定制吊罐內，然后用25 t汽車吊垂直吊運出豎井，存放在臨時場地，然后采用裝載機二次裝車，自卸汽車運輸至棄渣場。

圖2 小浪底出水豎井開挖圖

3.2 豎井反井鉆機法開挖

開挖采用LM-300型反井鉆機，反井鉆機布置在井深50.0 m（高程EL442.72）處。先鉆一個直徑250 mm深221.72 m的導孔至豎井底部與出水壓力管道平洞段貫通（高程EL219.00），再在豎井底部安裝直徑為1.4 m的鉆頭，自下而上擴挖至井深52 m（EL440.72）處，形成直徑1.4 m深221.72 m的溜渣井，然后自上而下對豎井進行全斷面開挖支護施工，開挖的石渣經溜渣井滑至豎井底部。

3.2.1 導孔鉆進

導孔鉆進的導孔偏斜率決定了鉆孔好壞與否，因此必須給與高度重視。通過對鉆進過程的觀測以及返出巖屑的情況，可以對地層有初步的定性分析和了解，為擴孔鉆進、孔壁維護以及后續工作提供必要地質參考。

1）開孔鉆進

開孔鉆進時，必須確保導孔鉆頭能垂直平面開孔，動力頭出軸轉速為低轉速，開孔鉆桿為加工精細的穩定鉆桿，其直徑與250 mm的導孔鉆頭同等大小，在扶正器的輔助下慢速開孔，開孔工作結束后，開始正常導孔鉆進。

2）導孔鉆進

導孔鉆進動力頭出軸轉速為高速,鉆進過程中還需要注意以下幾點：

（1）根據地層圍巖條件和鉆井深度調整合理的鉆孔壓力和扭矩，保持勻速；

（2）為防止巖渣流入泥漿池，應及時清理導孔鉆進返出的巖渣；

（3）在孔內的巖屑全部排出前，嚴禁停泵接卸鉆桿；

（4）導孔貫通后，停水不停鉆機，直至鉆機平穩轉動，扭矩無較大變化、鉆具上下自如方可停鉆。

3.2.2 溜渣井開挖

導孔鉆通后，在豎井底部高程EL208.8處拆掉導孔鉆頭，并安裝直徑為1.4 m的擴孔鉆頭自高程ZL219.00處，開始由下而上進行擴孔鉆進。擴孔開始前，應先將動力頭出軸轉速調整為低速。開始擴孔時，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（5～12 r/min）旋轉，并慢慢給進、保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。擴孔鉆進時巖渣自重落到豎井底部，然后運出。鉆進過程中還需注意以下幾點：

1）根據地層圍巖條件和鉆井深度確定擴孔鉆壓力和扭矩，拉力一般小于20MPa，扭矩在不超過15MPa；若遇到特殊情況，可靈活掌握；

2）鉆進過程中，如若出現鉆頭晃動劇烈，扭矩出現起伏過大現象，鉆進受阻，此時應將鉆頭放下一定距離，多次高速旋轉，若效果不明顯，則需下放鉆頭至底進行處理；

3）掉落到孔底的巖渣應及時清理運出，以防堵塞下孔口；

4）保證冷卻水正常供給，嚴禁打干孔，以防損傷刀具。

3.3 豎井擴挖

反井鉆機擴挖后的溜渣井直徑為1.4 m，豎井開挖斷面直徑D=5.5 m，以溜渣井為臨空面進行擴挖。擴挖采用鉆爆法施工，設計開挖邊界線采用光面爆破。利用YT-28手風鉆造孔、乳化裝藥、電雷管引爆非電管起爆。擴挖作業由豎井上口自上而下進行開挖。爆破石渣采用人工清理至溜渣井，落入豎井底部采用裝載機裝渣，汽車運渣至棄渣場。

1）提升設備

由于出水豎井高度高，施工難度大，在反井開挖完成后普通汽車吊及龍門吊無法滿足施工要求。根據出水豎井結構特點，結合后期出水壓力管道鋼管安裝及混凝土澆筑考慮，專門從特種設備生產廠家定制生產了通用門式起重機用于出水豎井反井開挖。

2）石渣出運

在出水壓力管道平洞開挖過程中將出水壓力管道豎井底部沿轉彎段起始位置水平擴挖至豎井側邊墻處，同時在平洞靠近豎井底部圍巖較好部位水平擴挖一個 4 m×4 m×8 m（高×寬×長）錯車道（如圖 3所示）利于裝載機或挖掘機裝渣。在豎井擴挖過程中豎井擴挖采用挖掘機扒渣，石渣通過溜渣井自由下落至豎井底部，然后出運；出渣完畢后，再次采用人工清除上部施工部位上殘渣及危石。開挖石渣采用3.0 m3側卸式裝載機或1.0 m3挖掘機裝車，20 t自卸汽車出運。

圖3 錯車道平面布置圖

3.4 特殊地質條件開挖

若開挖遇特殊地質條件如穿過斷層破碎帶等，采取“短進尺、弱爆破、勤支護”的方案，并根據實際情況采取鋼筋網噴射混凝土等施工方法支護，必要時采用設置鋼筋骨架或設置環向鋼拱架加強支撐并進行噴錨支護。

3.5 支護

豎井一次支護為全斷面鋼筋掛網和砂漿錨桿相結合，并噴射C20混凝土。緊跟開挖掌子面，錨桿鉆孔采用手風鉆。

1）錨桿施工

支護施工前，豎井正井開挖時采用挖掘機先清除開挖表面松動的巖塊、浮渣，豎井擴挖時采用人工乘坐吊籠對松動巖塊進行清除。井壁錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的方法進行施工。在鎖口段，布設C25錨桿，長度L=4.5 m，深入巖石4.0 m，間距@1.0 m×1.0 m。在鎖口段以下，對于III類圍巖，錨桿C22錨桿，長度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.5 m×1.5m；對于IV類圍巖，錨桿C22錨桿，長度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.2 m×1.2 m；對于V類圍巖，錨桿C22錨桿，長度L=3 m，深入巖石2.9 m，間距@1.0 m×1.0 m。

2）噴射混凝土施工

噴射混凝土采用“先掛網后噴射混凝土”的施工工藝，不良地質和其他特殊條件下可采取“先噴5 cm混凝土后掛網補噴至設計厚度”的施工工藝。

掛鋼筋網：鋼筋網采用光面布設A8鋼筋，直接在現場編焊，間距@20 cm×20 cm，有錨桿部位與錨桿焊接固定，鋼筋網距離壁面3～5 cm，網間用鉛絲扎牢。在豎井鎖口段，C20噴射混凝土厚度為15 cm；在豎直段，對于III類圍巖，C20噴射混凝土厚度為10 cm；對于IV、V類圍巖，C20噴射混凝土厚度為15 cm。

3）鎖口段混凝土施工

鎖口段混凝土澆筑深度為22.72 m，C25W4F50混凝土，混凝土厚度為50 cm。由于采取邊開挖邊澆筑鎖口混凝土且此時門式起重機尚未安裝，因此采用罐車運輸、汽車吊吊運、溜筒梭槽等方式相結合輸送。在模板上搭設工作臺，從模板的入料口入倉，從一端分別向左右兩側澆筑延伸。

4 結語

反井鉆機法因為其機械化程度高，在工期和成本方面均屬于可接受范圍內[1]等優點廣泛應用于豎井開挖施工，尤其是針對復雜地質條件下小斷面深豎井的開挖施工。但由于底部出水壓力管道尚未貫通，無法從底部出渣，所以采用先正井法開挖，后反井鉆機法開挖相結合的方式完成豎井開挖。事實表明，該種開挖方式在施工進度方面效果顯著。