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廣西建設監理(總第24期)》
Guangxi Construction Project Management Association

期號:2011年第4期

主管: 廣西壯族自治區建設廳

主辦: 廣西建設監理協會

主編: 羅 馨

編輯: 黃華宇

電話: (0771)5599310

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出版日期:2011年12月

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電子版書刊

廣西建設監理(總第24期)
天花板水電站復雜地質條件下大直徑大深度調壓井開挖施工技術
廣西桂能工程咨詢集團有限公司  岑巨鵬
摘要本文主要介紹了天花板水電站大直徑調壓井工程的工程特點、施工技術和施工情況。
關鍵詞天花板水電站、調壓井、施工。
1.工程概況
1.1 概述
天花板水電站位于云南省昭通市境內的牛欄江天花板峽谷處,為混合式開發水電站,大壩高度為113 m,總裝機容量為180MW。引水系統沿牛欄江右岸布置,由岸塔式進水口、引水隧洞、調壓井和壓力管道等組成。調壓井高77.35m,井徑Φ23m,開挖直徑27m。明挖高度約65米高。此部位設計院勘探結果,巖石以IV類為主,部分為Ⅴ類,巖性為弱風化。
1.2  工程地質狀況
調壓井部位為澄江組中厚層至厚層狀巖屑石英砂巖夾中薄層粉砂質泥質頁巖。巖體受結構面切割,巖體相對破碎,穩定性較差。
井口以上邊坡,覆蓋層較厚,邊坡自穩性較差,加之為確保井身位置,邊坡設計較陡(1:0.75~1:0.3),設計中采取強支護方案加固邊坡。
在豎井中陡傾角結構面發育的巖體具有不穩定條件,地下水埋藏較深,井壁自穩性差。
1.3  主要設計情況
1.3.1 后邊坡明挖部分主要設計情況
后邊坡設計開口線在EL1164.84m,井口高程EL1100m,最大開挖高度64.84m;邊坡設置三級馬道,將坡面分為4級,馬道高程分別在EL1150m、EL1135m、EL1120m,寬度2.0m,其中開口線~EL1150~EL1135兩級邊坡設計坡比為1:0.75,EL1135~EL1120設計坡比為1:0.5, EL1120~EL1110設計坡比為1:0.3。
邊坡設計系統支護為15cm厚C20網噴砼+4.1m長Φ22系統錨桿+網格梁+φ50系統排水孔,另外第二、三級邊坡設計隨機錨索56根(100噸級,30米長)。開口線以外、各級馬道和井口外緣設置截、排水溝。
1.3.2 井身部分主要設計情況
(1)井口鎖口
井臺高程EL1100m,井口10米高度設置鎖口鋼筋砼井圈,開挖直徑為27米,一期支護形式為15cm厚C20網噴砼+6.5m長Φ25系統錨桿(55根/層)+φ50系統排水孔+35cm厚井圈砼。鎖口形成后直徑為26米,隨后進行以下井挖施工。
(2)井身
    井身開挖直徑為26.3~26.9m,垂直高度77.35m,一期支護形式為15cm厚C20網噴砼+4.5~6.5m長Φ25系統錨桿+φ50隨機排水孔。
主要工程量為:井身石方開挖43113 m3,噴砼1000m3,砂漿錨桿2731根,鋼筋制安17.3t。
井身鋼筋砼襯砌厚度為1.8~1.5m,襯砌高度為72.32米,襯砌后直徑為23米。砼工程量為8430m3
井筒全高設計系統固接灌漿,入巖深度6米,共計4325米。
2.總體施工思路和施工規劃
2.1 施工思路
由于該調壓井開挖直徑大(在國內調壓井中屬于前三名),深度大,地質情況比較復雜,地形陡峭,出碴通道困難,設備及物資運輸極為不便。為確保調壓井開挖施工順利、安全,經過參建的監理、施工、設計及業主的工程技術人員的多次研究討論,形成了如下的施工思路:
2.1.1首先考慮用反井鉆機快速開挖形成直徑1.4 m的導井,對導井不再進行擴挖,直接用做溜渣井,這樣可以節省溜碴井擴挖的時間以及避免擴挖帶來的安全風險,但這樣很有可能導致導井多次堵塞。為解決這個問題,決定在調壓井井口EL1100平臺上布置一臺塔式起重機,在導井堵塞無法疏通的情況下,采取正井開挖的方法,用塔機起吊從EL1100平臺出碴,同時塔機也可以吊運各種設備和物資,并在以后的鋼筋混凝土襯砌中起到關鍵作用。
2.1.2為確保開挖初期安全穩定,在導井施工前,在溜渣井及調壓井井口一定高度進行超前固結灌漿措施,對溜渣井固結10m,調壓井井口周圍固結35m,并在調壓井外邊緣按圓形分布布設錨筋樁,深入巖層30 m。
2.1.3施工先后順序為:平臺防護擋墻施工→邊坡明挖開挖支護→井口周邊灌漿施工→導孔施工→導井施工→阻抗孔以下砼施工→井身擴挖及一次支護施工。
2.2  施工規劃
(1)按照由上而下,先明挖、后井挖的順序安排施工。
(2)明挖出渣主要采取卡特320反鏟由上而下甩渣至調壓井平臺上,分三次倒運至渣場的方案。各類材料由上調壓井道路運輸和人工倒運的方式運抵工作面。
(3)在導井施工前,對溜渣井進行固結灌漿10m,調壓井井口固結灌漿35m。
(4)用反井鉆機先自上而下形成直徑245mm的先導孔,后自下而上形成直徑1.4m的導井。
(5)井身擴挖施工,采用半副開挖,半副支護的方式,初期支護形式采用格珊拱架或型鋼拱架加網噴等支護措施進行井挖施工,個別巖石較差部位采用倒掛砼施工。
2.3  施工過程簡述
2.3.1 第一階段:平臺防護施工(不詳述)
2.3.2 第二階段,邊坡明挖施工階段(不詳述)
2.3.3 第三階段,井口固結階段
主要內容為井口超前固結灌漿施工,灌漿深度為35m。同時,把灌漿孔做為錨筋樁孔,插入3*32的錨筋樁,入巖30米,這樣,調壓井周邊的巖石將得到有力加固,大大減少了調壓井井壁塌方的風險。
2.3.4 第四階段,反井鉆機及溜渣井施工階段
主要內容:反井鉆機鉆進施工、形成反導井,本階段末期具備井身擴挖施工條件。使用LM-200反井鉆機從上而下進行先導孔施工,再自下而上進行擴孔形成直徑1.4m的導井。該階段施工十分順利,導井很快形成。
2.3.5 第五階段,井身開挖施工階段
主要內容為:鎖口段開挖及鎖口砼施工、井身擴挖及井身一次支護施工、井口垂直運輸設備安裝、井身初期支護采用格珊拱架和工字鋼拱架加網噴等支護措施進行井挖施工。
井身開挖直徑為26.3~26.9m,垂直高度77.35米,設計一期支護形式為15cm厚C20網噴砼+4.5~6.5m長Φ25系統錨桿+φ50隨機排水孔??紤]到26米的開挖直徑,近80米的開挖深度,在結構上相當于是一個直立垂直高邊坡,加之本工程調壓井自身地質條件較差,井身四周埋深厚度相差極大(靠河側最薄2m),無法實現井身自身成拱抵消部分側壓力。根據國內類似工程經驗,在此地質條件下,原設計支護方式、強度、剛度均略顯偏弱。經參建各方討論,初步支護采用工字型鋼拱架加網噴等支護措施進行井挖施工。
2.3.5.1 井口鎖口段開挖和鎖口砼施工
井身擴挖前先對開口線以外巖體進行超前固結,再進行井口10米高度鎖口施工范圍的開挖,進行系統支護,隨后進行鎖口砼施工。
2.3.5.2 井身擴挖及一次支護
擴挖施工,每個斷面分兩次擴挖。一次擴挖斷面的一半,再進行另一半的擴挖。在井內留下一臺液壓反鏟及液壓鉆機,一臺巖石破碎錘,每次擴挖一半時,反鏟及鉆機開到別一半工作面,扒渣與鉆孔可同時進行。擴挖時鉆孔使用液壓鉆和YT-28手風鉆造孔,采用光面(或預裂)爆破。每次爆破1.5~2m深,爆破完后,進行通風及啞炮處理。再使用反鏟配合人工扒渣至溜渣井內,從溜渣井內滑渣至引水洞內,然后用裝載機裝車,運至指定渣場。擴挖時嚴格控制裝藥量和周邊孔間距,以免石渣粒徑太大,造成堵井。在每次擴挖、扒渣、初期噴砼及下循環鉆爆結束后,進行初期支護施工,采用工字鋼拱架,拱架間距約50~80cm。每榀拱架之間采用Φ25鋼筋連接,間距1m左右,再進行掛網噴砼施工,噴砼厚度與拱架平齊。每層分兩個工作面同時進行,使開挖、初支護錯開施工。
擴挖時嚴格控制裝藥量和周邊孔間距,以免石渣粒徑太大,造成堵井。注意對溜渣井進行臨時封閉保護,避免操作人員誤墜井中,裝藥結束、點炮前撤去臨時封閉設施。
擴挖施工,單循環進尺1.5~2.0m,約需42個循環,如使用鋼格珊加網噴施工,計劃2~2.5日施工1個循環,預計工期96天,平均月下挖進尺25~26米/月。
2.3.5.3 2009年11月下旬,開始進行調壓井上井口平臺塔機安裝,于12月中投產,擴挖及砼襯砌過程中材料運輸可通過垂直運輸設備吊運。

石方井挖工藝流程圖

測量放線、布孔
 
鉆孔、驗收、吹孔
 
裝藥、聯網、警戒
 
爆破、通風、處理啞炮、危石
 
出碴
 
初噴
 
一次支護
 
下一循環
 

 
2.3.5.4井身支護施工
為了保證開挖安全,本工程的重點為井身支護工程,待開挖結束后,立即進行錨噴支護,支護完成后方可進入下循環開挖鉆爆施工。
擴挖支護,結合本工程巖石特點,III類圍巖采用系統錨桿及錨噴支護施工。在Ⅳ類圍巖開挖支護時采用工字鋼剛架,剛架間距為0.75m左右。格柵之間采用Φ25焊接成一個整體,連接筋間距擬定于1m左右。其它地方根據巖石情況,適當調整鋼架形式或間距。在巖石特別破碎的地段采用自進式錨桿支護,其他部位采用砂漿錨桿支護。支護施工程序為:清理浮石→插筋安裝→掛網→清理巖面→噴射砼、養護→打孔、安裝錨桿或:清理浮石→打孔、安裝錨桿→掛網→安裝格構架→清理巖面→噴射砼、養護。
2.3.5.5實際開挖過程
在調壓井開挖的實施階段,開挖到10m的深度時,導井即因為自身圍巖塌方而堵塞,經疏通后不久,又發生了更大的塌方以至堵塞厚度達20m,經現場參建各方工程人員研究后決定采用正挖方案:即采用塔式起重機將石碴從井口吊出,用汽車將棄碴從調壓井上口運輸至碴場。施工過程中施工單位嚴格按照短進尺、弱爆破、強支護的方針,穩扎穩打,以每天1m的速度將堵井的20m開挖完成,然后疏通導井,重新采用導井溜碴的方法進行剩下的40m井身開挖,并順利完成整個調壓井的開挖施工。
3總結
3.1難點和重點
該項目的難點和重點主要在以下幾個方面:
3.1.1井口的灌漿處理,調壓井斷面大,高度高,而井的外緣巖體很單薄,整個調壓井部位巖石比較破碎,因此上部35m的超前固結灌漿以及井外緣的錨筋樁非常重要,井身開挖前必須做好以上工作。
3.1.2由于直接利用導井做為溜渣井,井徑只有1.4m且井壁未進行支護,從前期用地質鉆機進行圍巖類別的試探情況來看,在35m范圍內巖石情況較差,經常塌孔。因此溜渣井很有可能在開挖過程中塌孔堵塞,且很難疏通。
3.1.3若采用把導井擴挖成直徑3.5m做為溜碴井的施工方法,同樣存在著塌方堵井等許多不確定性,而且工期必定會延長許多,投資亦會增加。
3.1.4開挖過程中井身的圍巖穩定直接關系到整個項目的成敗和施工人員的安全,井挖垂直邊坡近80米,地質狀況復雜,巖石破碎,因此井身支護是保證邊坡和井身穩定的關鍵工序,而支護造孔成孔率是決定整個支護工序的進度與成敗的關鍵。因此調壓井開挖施工大量采取自進式錨桿以解決此類地質狀況成孔率低、工效低、進度緩慢的弊病,對裸露的巖石開挖面盡快進行了封閉和支護,確保井身圍巖的穩定。
3.2成功的原因
在整個調壓井開挖過程,未出現任何安全事故,工期和質量也取得令人滿意的結果,總結起來,主要是做到了以下幾點:
(1)針對項目的具體情況制定了嚴密的有針對性的施工方案:超前固結灌漿,增強了整個開挖部位巖體的穩定性,是項目成功的關鍵之一,而且,在項目運行階段也起到穩定圍巖、保證調壓井安全正常運行的作用。
(2)使用自進式錨桿,加快了支護進度,克服了圍巖破碎、成孔率低的困難。(3)針對巖石傾角傾向井筒,且井口外側圍巖過薄的情況,在該部位使用了錨筋樁,化解了外側圍巖滑動和坍塌的隱患。
(4)對一次支護進行了加強。因為巨大的調壓井開挖后,直立的井壁相當于垂直的邊坡,只有支護完好無損,在拱的作用下,井壁才是安全的,通過加強一次支護,強化了井壁拱的作用,杜絕井壁因局部出現破壞而導致整個調壓井井壁破壞。
(5)對溜碴井堵井有所預見,準備了兩套出碴方案。若盲目只靠疏通導井,由于圍巖破碎,不可見因素多,安全和工期都無法保障。
(6)施工時段避開雨季,沒有遇到惡劣的暴雨天氣。尊重自然,充分利用掌握的氣象數據,在最有利的氣候條件下進行施工,收到事半功倍的效果。
 
 
 
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