复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法适用范围

《复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法》适用于水利水电工程中复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工。

复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法工艺原理

《复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法》，其工艺原理主要是：

1.开挖工序有利于保护井壁，减少施工对松散井壁的扰动，防止井壁垮塌。

2.支护方法快捷、简便，减少开挖后土体暴露在外时间。

3.一衬混凝土采用"倒悬法”浇筑，及时跟进开挖施工，确保井壁安全。

4.通过爆破质点振动监测试验，控制单响药量，减少了孤石爆破时对井壁及已浇混凝土的影响。

5.采用井口桁架梁、井内作业大盘，仞脚模板技术实现了竖井开挖、支护、混凝土衬砌、壁后灌浆施工的上下交叉作业。

复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法施工工艺

《复杂地质条件下深厚覆盖层竖井施工工法》的施工工艺流程及操作要点叙述如下：

• 工艺流程

井挖施工人员乘载人电梯至工作面→门机吊运反铲、吊斗等井挖设备至工作面→反铲装渣到吊斗→吊斗装满后挂钩，起吊→在出线场1号、2号竖井中间倒渣区翻斗卸渣→吊斗挂钩再吊至工作面→本层可直接挖装的石渣出完，孤石出露→钻孔→装药、联线、防护→反铲、锚杆钻车等机械设备吊出井外，不能吊出的井盘等吊至井口并加强防护，人员全部撤至井外安全地带→井外鸣警、响炮→通风、散烟→施工人员乘载人电梯至工作面检查爆破效果、排险→门机吊运反铲、吊斗至工作面进行工作面清理→本层开挖全部渣出完→井挖施工人员乘载人电梯、吊斗通过门机撤至另一竖井进行井挖施工→同时井身支护与混凝土衬砌施工人员进入工作面。

• 操作要点

一、施工布置

由于竖井覆盖层采用“正井法”施工，井口布置直接关系到竖井开挖、支护、衬砌之间的衔接以及平行交叉作业，是实现井内立体施工的纽带。井口布置方案为：在竖井顶部平台布置一台16吨门机，进行机械、设备、材料、出渣等垂直运输。每个竖井井口布置一桁架，作为大盘、风管、水管、混凝土下料管等支撑平台。每个竖井井口布置一台施工电梯，进行施工人员上下竖井垂直运输。在出线平台，每个竖井布置一个稳车群，用于大盘、电梯的升降。

每个出线井内布置一个单层桁架梁结构吊盘，吊盘分8节采用∟80x8，∟75x7角钢和[8槽钢焊制，上铺δ3毫米网纹钢板，吊盘外径10.6米，外侧管线位置留豁口，以便吊盘顺利通过。中间空心，中空直径6米，内外侧用钢筋护栏和安全网防护。吊盘主桁架梁高、宽均为1米，内外侧为三角形结构。吊盘自重约7吨，用两台10吨车通过两根6x19-ф28-1670钢丝绳悬吊，钢丝绳破断力总和1071千牛。井口布置见图1，大盘结构图见图2、图3。

二、覆盖层开挖施工

竖井开挖、支护及混凝土浇筑施工循环进行，循环进尺控制在3.0米以内，开挖一层支护一层。覆盖层段开挖采用人工配合0.3立方米液压反铲进行。先采用液压反铲扩挖竖井中间部分，靠井壁预留30厘米保护层采用人工开挖。

大块孤石在每循环土体开挖完毕之后，集中采用钻孔爆破法解体后随土方挖出，井壁处孤石在井中开挖完毕之后采用人工持手风钻钻水平孔，进行爆破，爆破后再进行人工持风镐修整。孤石解爆时，先在竖井底部挖一大坑，井内孤石采用反铲将孤石移至大坑中，然后进行钻孔；井壁内嵌孤石直接在原位钻水平孔。装药完毕之后采用钢筋网、砂袋对孤石进行覆盖后起爆。爆破后孤石随土方由反铲进行装渣。

由于出线竖井开挖掌子面距离井壁新浇混凝土距离很近，距离仅1.5米，因此采用质点震动监测试验，确定一次最大起爆药量，井内爆破必须严格控制一次起爆药量，防止爆破对新浇混凝土造成损伤。通过质点振动监测试验，测试振动速度均小于安全质点振动速度1.2厘米/秒的最大单响药量为4.0千克。

爆破完毕之后立即进行检査，确定无安全隐患之后，采用门机将0.3立方米液压反铲吊运至井底，开挖弃渣直接采用液压反铲装自制6.0立方米吊斗，用门机提升到井口临时堆渣场卸渣，然后适时采用3.0立方米载机装20吨自卸汽车，运至指定渣场。

由于竖井覆盖层地质结构复杂，土体内部架空现象严重，在开挖过程中多次遇见内部架空结构。当开挖遇见管涌通道时，对管涌通道洞口做适当扩挖，以保证施工安全为原则。扩挖后清除管涌通道内跨塌堆积的松散物，然后对管涌通道采用C20混凝土进行分层回填。首先对管涌通道空隙较小的部位进行回填，并充分振捣，然后回填空隙较大的部位，确保回填密实。回填时在管涌通道顶部预埋回填灌浆花管，回填完成后首先进行回填灌浆，灌浆压力0.1-0.15兆帕，然后再对周边自进式锚杆进行固结灌浆。

三、覆盖层支护施工

受地质条件影响，覆盖层井壁较为松散，为保证井壁的安全，必须对井壁进行灌浆加固。根据原来设计方案，出线竖井覆盖层支护方式为：土锚杆ф48@1.0x1.5米，在施工过程中，由于土体内部孤石含量高且内部架空现象严重，土锚杆施工极其困难。根据现场实际施工情况，土锚杆在进入土体后遇大孤石，再也无法继续施工，且不能拔出，锚杆损失量非常大。即使施工完毕的土锚杆，施工时间大大超出预期。

1.试验

为进一步确定土锚杆施工方法及程序，在左岸出线竖井井口段及岀线场内进行了土锚杆、自进式锚杆钻孔灌浆试验。土锚杆与自进式锚杆均采用D7进行施工，土锚杆分别采用直接造孔和先造孔后插杆两种方法进行施工。

1）土锚杆直接造孔：采用在D7液压钻钎尾上加设连接套，将ф48土锚杆装入连接套中，利用D7液压钻凿岩机冲击力将土锚杆压入土体中。现场在井口段不同部位共施工土锚杆10根，最大入土深度为1.5米，最小入土深度0.5米，均不满足设计要求的5.5米入土深度，合格率为零，且钻进速度缓慢，造孔平均速度为0.5-1.0米/小时。

2） 土锚杆先造孔后插杆：采用D7液压钻先钻设ф76毫米土锚杆孔，然后采用在D7液压钻钎尾上加设连接套，将伊8土锚杆装入连接套中，利用D7液压钻凿岩机冲击力将土锚杆打入孔中。由于土体钻孔后出现严重塌孔现象，钻杆退出孔内时需要多次吹孔，且成孔率低，因此通过此方法，现场在井口段不同部位共施工土锚杆47根、在出线场内共施工土锚杆3根，最大入土深度为5.5米，最小入土深度3.0米，其中满足设计要求5.5米入土深度的土锚杆共5根，合格率为10%，施工速度缓慢，且施工投入增加，造孔平均速度为1.5-2.0米/小时。

3） 自进式锚杆：采用在D7液压钻钎尾上加设连接套，将ф32自进式锚杆装入连接套中，利用D7液压钻凿岩机冲击力将自进式锚杆带压钻入土体中。通过此方法，现场在井口段施工ф32自进式锚杆9根（其中有3根为带连接套的3米长锚杆连接而成，有5根按技术要求钻设了花孔）、在出线场内共施工土锚杆6根（其中有3根按技术要求钻设了花孔），最大入土深度为5.6米，最小入土深度5.5米，全部满足设计要求5.5米的入土深度，合格率为100%。且施工速度快，造孔平均速度为11-16.5米/小时。

4） 灌浆试验对比：出线竖井土锚杆及自进式锚杆灌浆试验共试验了10根，土锚杆3根，自进式锚杆7根，其中3根自进式锚杆没有钻设花孔，4根自进式锚杆按技术要求钻设花孔。试验数据如表1。

根据现场灌浆工程量表，钻设花孔的自进式锚杆灌浆量大于无花孔的自进式锚杆灌浆量；土锚杆正常灌浆量与钻设花孔的自进式注浆量基本一致；土锚杆注浆量相互间差别较大，注浆效果不均衡。而自进式锚杆注浆量相互间差异较小。且自进式锚杆施工速度快，锚杆损失量小，且能达到土锚杆的效果（对井壁土体进行固结），因此在实际施工过程中系统支护采用自进式锚杆。

2.自进式锚杆施工

根据试验结果，出线竖井覆盖层系统支护采用自进式锚杆替代土锚杆，自进式锚杆间排距为1.2米x1.0米，∟=6.0米，入岩5.5米，锚杆底部1.5米范围内设置花孔，花孔间距10厘米。开挖结束后采用门机将液压反铲吊运至井口安全区域，随即进行井壁系统支护。由于竖井覆盖层中含有大量孤石以及架空结构，采用手风钻进行锚杆施工困难，且容易断杆。因此系统支护采用CLM-15履带式锚杆钻车进行施工（CLM-15履带式锚杆钻车采用门机进行竖井内的垂直运输）。为了减小由于断杆造成的锚杆损失，每根自进式锚杆由两节3.0米长锚杆组成，先进行第一节（第一节锚杆含花孔）锚杆施工，然后由第二节锚杆进行加长，继续施工。

锚杆注浆时为了保证灌浆压力满足设计要求，将大盘移动到需要注浆部位，通过门机将注浆机吊运至大盘上，对于井底锚杆注浆，将注浆机直接吊运至井底进行注浆，保证注浆机与被注浆锚杆之间的垂直高差小于1.5米，减少附加注浆压力。注浆站布置在井口适当位置，浆液制成后通过高压橡胶管自流至储浆桶中，然后通过注浆泵进行注浆。

由于竖井地质结构复杂，内部架空现象严重，注浆异常情况时有发生。单根锚杆当吃浆量大于500升时，停止注浆，依次进行同一截面上的其他锚杆注浆，待一圈注浆完成后，对没有达到结束标准的锚杆进行补灌，直至每根锚杆注浆都达到结束标准。

四、覆盖层混凝土施工

出线竖井混凝土主要为井壁一衬混凝土施工。由于出线竖井覆盖层采用正井法施工，因此井壁混凝土施工采用“倒悬法”进行施工。混凝土衬砌滞后开挖1-2个循环。混凝土施工采用井内布置的大盘作为施工平台，井壁一衬混凝土厚度1.0-1.2米。由于混凝土衬砌采用“倒悬法”浇筑，因此混凝土施工存在两大技术难点，一是钢筋接头错头的问题，一是相邻两层混凝土接缝问题（相邻混凝土接缝处浇筑不满的问题）。

1.模板施工

为了满足钢筋错头的要求，底模支撑采用仞脚模板，为了避免进行底部混凝土凿毛，在仞脚模板上采用免拆模板。钢筋穿过免拆模板后伸入仞脚模板中。仞脚下行钢模板高1.35米，仞脚下部高0.9米，斜面坡度30°，使钢筋接头能错开0.6米，单个仞脚模板长1.5米，模板加工拼装安放在下部刃脚模板上。模板和刃脚之间采用钢筋插销活连接，仞脚模板结构见图4所示，仞脚模板安装后示见图5所示。

侧模采用P1015、P3015标准钢模板拼装。侧模施工平台采用井内布置的大盘。大盘运行到作业面时，采用大盘四周布置的丝杠，将大盘与井壁顶死，避免在大盘上作业时晃动。侧模拼装后结构如图6所示。

2.混凝土下料系统

为满足出线竖井混凝土衬砌井内垂直输送，在每个竖井上部井口设置3个下料口，配备3套ф159毫米溜管。溜管无缝钢管制作，每节长度6米，采用法兰连接，溜管采用两根钢丝绳悬吊，溜管用卡扣固定在钢丝绳上，沿井壁向下敷设，为防止混凝土在长距离溜管下落过程中产生骨料分离，每一节溜管设置1个与主管135°夹角的岔管，溜管从井口连接到距离仓面8米高度改用溜筒或软管连接到浇筑仓面。此混凝土下料系统制作简单、安装方便、成本低廉。

混凝土下料程序：混凝土→井口下料口料斗→溜管→溜筒或软管→仓号→平铺、振捣。混凝土最大垂直输送距离126米，竖井井壁混凝土施工一年来，混凝土井内垂直运输时没有出现骨料分离现象，混凝土完全符合设计要求。

3.混凝土入仓、振捣

模板施工时，模板顶部设开放振捣口，即模板上部30厘米外倾30°，使模板上口与上仓混凝土面保留30厘米空隙作为仓号上部进料空间与振捣棒振捣口，保证混凝土进料与振捣在整圈范围皆可进行，并在侧模中部适当位置设进人孔，仓号底部1.5米范围浇筑时施工人员从进人孔进入仓号内进行布料和振捣，待一仓混凝土浇筑3/4时，所用施工人员撤出仓号，对进人孔钢筋、模板进行恢复，然后通过模板上部预留的30厘米空隙作为仓号上部进料空间与振捣棒振捣口进行混凝土浇筑。

混凝土铺料采用平铺法，平铺层的厚度控制在40-50厘米之间。混凝土平仓采用人工平仓，橡胶止水处采用人工送料填满，并用钢筋夹将止水固定支撑。为了防止模板在混凝土下料过程中产生位移，混凝土采取对称入仓方式。下料管下料达到一定量后要移位一次，避免下料集中。混凝土振捣采用直径ф50毫米和ф70毫米的软轴插入式振捣器振捣，模板周围和埋件附近采用ф50振捣器或采用人工捣固密实，特别是止水周围，要细心振捣，以防模板走样和埋件位移。

4.两循环间混凝土接缝处理

每仓混凝土均采用免拆模板作为底模，因此每仓混凝土底面不再进行凿毛处理，减少了施工强度，加快了施工进度。

5.竖向钢筋接头处理

根据施工规范要求，同一截面上的钢筋接头不大于50%，且相邻接头之间距离大于50厘米。钢筋采用滚轨直螺纹丝套进行连接。钢筋错头采用仞脚模板作为平台，钢筋穿过免拆模板后，伸入仞脚模板内进行错头，相邻钢筋之间错头达到60厘米以上。

6.混凝土拆模与养护

根据溪洛渡水电站导流洞的施工经验，混凝土浇筑36小时后进行侧面模板拆除，侧模拆除以及混凝土洒水养护均采用大盘作为施工平台，拆除的模板集中放置在井底，然后由门机集中吊出竖井。混凝土拆模后，及时对混凝土进行撒水养护，洒水采用胶管从沿井壁布置的供水管接水。为了保证施工安全，侧模拆除时停止井内其他工序施工。底模拆除在下一循环土方开挖时进行，先开挖井中部分，待上一层混凝土浇筑48小时后，对底模下部进行开挖，随着土方开挖的进行，底模下部将被掏空，底模自然脱离与混凝土的接触。由于竖井开挖需要进行孤石解爆，底模拆除后由门机吊运岀井，放置在现场适当地方。模板出井后及时清理干净、修补整齐，混凝土浇筑前涂刷隔离剂。

五、覆盖层一衬井壁壁后灌浆施工

该工程竖井灌浆主要指井壁混凝土壁后灌浆，在井壁混凝土施工时，在井壁混凝土中预埋外径不小于57毫米，壁厚为3.5毫米的壁后灌浆钢管，防止在混凝土浇筑过程中管道变形甚至破坏。在进行壁后灌浆施工时，进行预埋灌浆管扫孔，进行壁后灌浆。灌浆采用大盘作为施工平台。为了减小由于高差引起的灌浆附加压力，灌浆设备放置在大盘上（大盘与灌浆孔之间的垂直高差小于1.5米），在井口布置一个集中制浆站，然后通过高压橡胶管自流至大盘上的储浆桶里，然后进行灌浆。

由于该竖井覆盖层段地质条件极其复杂，内部架空结构以及管涌通道较多，灌浆必定出线较多异常情况，为了保证灌浆质量以及灌浆施工的顺利进行，采用先试验，然后再全面施工的思路。左岸竖井选取2个单元（每个段元15个孔），进行试验，通过试验，得出以下结论：

1.根据现场注浆实际情况，绝大部分注浆孔，在灌注500升以内纯水泥浆都能达到结束标准。个别注浆孔注浆量特别大，对于吃浆量特别大的注浆孔，最初采用间歇灌浆的方式，使得部分吃浆量大的注浆孔达到了结束标准；对于采用间歇灌浆仍然不能达到结束标准的注浆孔，采用灌注水泥砂浆的方式进行注浆，采用这种方式也能使部分注浆量大的孔很快达到结束标准；但是仍然有少量注浆孔采用水泥砂浆灌注仍然不能很快达到结束标准，为此采用掺入水泥砂浆体积3%的水玻璃砂浆进行灌注，效果很好。例如：注浆量最大的注浆孔为819.3米高程S4-9号注浆孔，总注浆量达到了6570.15升，在灌注5683.85升水泥砂浆后，注浆孔吃浆量仍然特别大，后来在砂浆中掺入3%的水玻璃后，继续灌注280.40升砂浆，该注浆孔即达到了结束标准。

2.根据灌浆试验记录，同一排注浆孔吃浆量差别很大，约50%的注浆孔吃浆量在200-500升之间，约50%的注浆孔需要灌注水泥砂浆，约30%的注浆孔需要灌注水玻璃砂浆，注浆孔注浆量都远远超过回填灌浆的工程量。

3.由于存在一定比例的注浆孔吃浆量特别大，因此左岸竖井井壁土体内部可能存在较大的管涌通道。由于竖井覆盖层段采用自进式锚杆支护，自进式锚杆对覆盖层土体起到了固结作用，竖井壁后注浆主要为填充竖井一衬井壁混凝土与其周边土体之间的空隙，因此，采用以下方式是可行的：

1）注浆量≤500升时，采用0.5:1的纯水泥浆进行注浆。

2） 注浆量≥500升时，采用1:0.5:0.3（水、水泥、砂）的砂浆进行注浆。

3） 注浆量≥2000升时，在砂浆中掺入砂浆体积3%的水玻璃进行注浆（砂浆配比仍然为1:0.5:0.3（水、水泥、砂）。

六、井壁渗水处理

为了保证竖井井壁的安全，防止因为井壁渗水引起井壁坍塌，采取以下方案：

1.及时将渗水通过高扬程水泵排至井外；

2.针对竖井内施工场地狭小的问题，对于井壁面渗的问题，采用自进式锚杆的浆液，在渗水部位均匀浇洒一层，可有效减少渗水量；

3.覆盖层段的混凝土衬砌及时跟进。