四川安谷水电站勘探竖井及试验平硐施工工艺

付兵;陈红卫;陈达

【摘 要】四川安谷水电站勘探竖井所处地层河床砂卵石层深厚,采用传统的人工挖掘护壁或沉井施工工艺,施工难度大.针对地层的特点,采用冲击钻机成孔的方式施工.同时,在竖井中开挖试验平硐,遵循多炮眼、小进尺、小药量,光面爆破的施工方案,圆满完成试验平硐的开挖.介绍了其施工技术及注意事项. 【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》 【年(卷),期】2012(039)006 【总页数】5页(P80-84)

【关键词】勘探竖井;平硐;冲击成孔;光面爆破;深厚砂卵石层;水电站 【作 者】付兵;陈红卫;陈达

【作者单位】四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院,四川成都611731;四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院,四川成都611731;四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院,四川成都611731 【正文语种】中 文 【中图分类】P633

安谷水电站位于四川省乐山市沙湾区嘉农镇(左岸)和安谷镇(右岸)接壤的大渡河干流上，距两镇分别为1.5～4.0 km和4～6 km。坝址距上游正在修建的沙湾水电站约35 km，下游距乐山市区15 km，有省道S103从枢纽区左岸通过，对外交通较方便。工程开发任务为发电、防洪、航运、灌溉、供水等，电站采用混合式开

发方式，设计水库正常蓄水位398.00 m，电站装机容量680 MW。工程枢纽由砼闸坝、非溢流坝、电站厂房、船闸、副坝及尾水渠等建筑物组成，最大坝高58 m。 可行性研究阶段在上坝址厂房轴线布置一个勘探竖井，其主要目的是为了查明厂房地基中厚层砂岩、薄层砂岩、泥岩、软弱夹层的分布，以及其物理力学性质。同时，通过在竖井中开挖试验平硐进行现场承载力试验、砼/岩石的现场大剪试验、岩体变形试验和声波测试，用以确定厂房地基中薄层砂岩的承载力、岩体变形及声波波速指标和砼与岩石之间的抗剪强度指标。因此，其工程意义非常重大。 2.1 地质条件

竖井位于安谷水电站上坝址厂房轴线上，距安上ZK24钻孔约2 m，根据钻孔揭示，竖井所处地层其上部为砂卵砾石层，厚度21.6 m，下伏基岩为夹关组(K1j)之砂岩夹薄层或透镜体状泥岩。孔深25.34～25.52、34.90～36.20 m为泥岩夹层;孔深22.80～25.34、28.98～29.35、31.60～34.2、36.70～37.10 m为薄层状构造弱胶结细砂岩;孔深25.16～25.52 m有泥化夹层;37.84～37.93 m发育岩块岩屑型破碎带。岩体无强风化，弱风化带下限深度29.40 m。

在孔深36.2 m附近揭露有承压水，承压水头约37.12 m，流量4.5 L/min。 受河水涨落的影响，孔内地下水水位为0.5～3.0 m。 2.2 竖井及试验平硐施工技术要求 2.2.1 竖井施工技术要求

设计竖井深度为40 m，直径≮1.2 m。 2.2.2 平硐施工技术要求

在竖井中不同深度施工2个试验平硐，长度约为8 m，高1.8 m，宽2.4 m。掘进方向与坝轴线平行，其底板高程由地质人员现场确定，但硐顶以上岩体厚度≮10.0 m。

试验平硐施工中，应采用光面爆破或预裂爆破，以尽量减少对岩体的人为破坏。同

时，为了保证岩石变形试验的顺利进行和试验资料的准确性，在平硐底板处预留200 mm厚度，采用人工修整和凿平，以免底板岩体遭到人为松动破坏。 3.1 竖井施工工艺的选择

由于竖井所处地层砂卵石深厚，地下水丰富，若采用传统的人工挖掘护壁或沉井施工工艺，需先在竖井周边施工多口降水井，进行人工降水;然后采用人工挖掘、清渣，现场浇筑护壁筒。进入基岩后，需采用爆破掘进，人工清渣。此工艺施工速度慢、工程成本高、施工风险大，施工人员安全难以保证。为此，经过反复研究、论证，决定采用大口径冲击钻机成孔的方式施工竖井，在钻穿砂卵石层进入基岩一定深度后，下入护壁筒，并对护壁管管脚进行止水处理，然后换小一径的冲击钻头钻进至成井。

3.2 竖井施工主要设备

CZ22型冲击钻机1台套，75 kW发电机组1台，1500 mm十字钻头1个，1200 mm十字钻头1个，制浆和灌浆机1套。 3.3 竖井施工工艺

在钻机安装就位后，先人工开挖小井0.5 m深，埋好内径为1600 mm井口管。然后采用1500 mm十字钻头泥浆护壁冲击钻进，进入基岩约3.5 m后，下入外径为1300 mm的护壁管，并对管脚进行灌浆止水处理。最后，换用1200 mm十字钻头冲击钻进至40 m成井，竖井结构见图1。 钻进注意事项:

(1)在钻进过程中，要保持孔内泥浆高度及泥浆密度，同时跟进井口管至井深3～5 m，以防止钻孔垮塌。

(2)成井过程中应确保机架平稳，不产生移位，以保证成孔倾斜度≯1%。 (3)在砂卵石层钻进，要随时关注泥浆的性能，确保孔壁的稳定。特别是钻进至接近基岩界面时，应适当提高泥浆的浓度，加大黄泥的投入量，以防止泥浆在砂卵石

层与基岩接触面突然大量漏失，从而引起井壁垮塌。

(4)换径后，应采用小冲程，防止钻头碰撞护筒管脚，而破坏止水效果。 3.4 护壁管的安装

(1)在钻穿砂卵石层进入基岩约3.5 m后，适当降低泥浆的浓度，对井深、井径及垂直度进行校核，经现场技术负责人确认达到要求后，即可进行下入护壁管的工作。 (2)护壁管由厚度为8 mm钢板卷制而成，内径为1300 mm，每节1260 mm。安装前，先在地面将护壁管平放进行3根对接，对接时应注意保持护壁管的水平度。

(3)在进行吊装时，应确保护壁管之间焊接牢固、安装垂直，防止安装过程中护壁管断裂或焊接不严密而产生漏水，影响下一步试验平硐施工的进行。

(4)安放时，应在护壁管四周每隔5 m左右焊接4个扶正块，使护壁管直立于竖井中心，上端保持水平，确保井管的偏斜度≯1%。

(5)护壁管应高于地面0.5 m，以防止地面异物掉入井中，确保下一步竖井中试验平硐施工的安全。3.5 护壁管管脚止水

(1)在护壁管外侧下入2根50 mm的注浆管，距管脚约600 mm。

(2)为防止水泥浆从护壁管管脚处大量渗入井内，灌浆采用间歇施工法，水灰比为0.5，掺入3%水玻璃，灌浆压力控制在0.1 MPa以内。当出现较大渗漏时应暂停灌注，30～60 min后再重新灌浆。

(3)在水泥浆灌注过程中，间隔5 min观测一次管壁与井壁间水泥浆的注入深度，使管脚水泥止水厚度达到3.5 m以上，即可停止灌注。

(4)起拔注浆管，在管壁与井壁间回填砂卵石至井口。最大粒径控制在50～60 mm，以防止砂卵石井壁的坍塌，造成地面沉陷，影响后续施工。 (5)待凝3天后，即可换用1200 mm十字钻头冲击钻进至40 m成井。 3.6 竖井施工中存在的问题及处理方法

在竖井施工完毕后，进行了换浆、清渣和井内抽排水工作。当井内水位降至11.6 m时(井内外水位差约为9.2 m)，管脚止水突然失效，上部砂卵石层中的潜水大量涌入，经过2个多小时的抽水工作，排量60 t/h的水泵只能使井内水位降至4.5 m，竖井及试验平硐的施工工作被迫停止。

原因分析:在进行护壁管管脚止水过程中，由于管脚与基岩接触面并未完全密封，导致灌注的水泥浆从管脚渗入井内，形成了约1.5 m厚的水泥层。在后续的冲击钻进时，由于水泥层已达到一定的强度，在用冲击钻头破除水泥层以及进行基岩冲击钻进的过程中，必然会产生强烈振动，使护壁管管壁与井壁间的水泥止水层产生裂隙，最后在水柱压力下产生较大的破坏，造成管脚止水基本失效。 3.6.1 第一次护壁管管脚止水处理

根据现场实际情况，经过认真分析和讨论，确定如下处理方案。 第一步:护壁管四周锤击跟入4根50 mm注浆管，深度为21.5～23.5 m; 第二步:用高压水泵向一个孔内压入清水，压力0.5～0.7 MPa，将夹泥和松散的水泥渣冲洗出来;

第三步:实施间歇灌浆，浆液水灰比为0.5，掺入3%水玻璃，每次灌浆约5 min，暂停30～60 min后再重新实施灌浆，如此反复多次，直至灌实为止;

第四步:待凝3天，下入潜水泵(60 t/h)进行抽水，水位降至35.3 m，经观察，止水效果较好，但护壁管管脚仍有上部潜水渗入，水量约5 t/h。 3.6.2 第二次护壁管管脚止水处理

虽然第一次护壁管管脚止水处理取得了一定的效果，地质人员可下入井中对地层进行详细的观察和描述，但护壁管管脚的渗水对下一步试验平硐的施工仍有较大的影响。因此，为了确保试验平硐施工的顺利进行，必须彻底封堵护壁管管脚的渗水，以保障施工人员的安全和良好的施工作业环境，决定在第一层护壁管内再下入一层护筒，对护壁管管脚进行第二次止水处理。具体方案如下。

(1)护筒结构:第二层止水护筒由护筒及上、下止水环组成。护筒的竖向和横向环型焊缝，需用厚度为5 mm钢板覆盖，以防止焊缝破裂。

护筒外径为1100 mm，壁厚为8 mm，总长度为3780 mm，在护筒上、下两端焊接止水环，其结构见图2。

上止水环与护壁管连接，其外径为1260 mm，内径为1100 mm，厚度为8 mm，分为4段。在止水环上对称焊接2根20 mm的钢管，分别作为灌浆管和回浆管，在止水环上、下部分长度均为200 mm。在护筒下入井中，并完成护筒管脚初步止水后，再与护筒及护壁管进行焊接。

下止水环与基岩井壁连接，其外径为1170 mm，内径为1100 mm，厚度为8 mm。在止水环上对称焊接2根20 mm的钢管，作为引流管，以便将护壁管管脚渗水引入竖井。引流管在止水环上面部分长度为300 mm，下面部分长度为200 mm，并安装球阀，在灌浆时关闭。

(2)护筒安装位置:上端距护壁管管脚为1780 mm，下端距护壁管管脚为2000 mm。

(3)护筒安装和灌浆止水。

第一步:护筒吊装。在地面将护筒分节焊接，然后吊入井中相应位置，将上端与护壁管焊接固定，下端与基岩井壁用木楔固定。

第二步:护筒管脚止水。用编织袋和棉花将护筒下端面与基岩井壁间隙做初步封堵，然后通过护筒上端的环状空间投入止水材料。止水材料由锚固剂掺入适量的水玻璃制成，边投边进行捣实，对护筒止水环与井壁间隙进行初步止水处理，止水厚度控制在200 mm以内，此时由护壁管管脚渗入的水可通过止水环上的引流管排入竖井中。

第三步:焊接上止水环。将分成4段的上止水环，在井下与护筒及护壁管进行焊接，使护筒与护壁管、基岩井壁间形成密封的空间。井下焊接时，要采取多种措施确保

焊接的质量，以避免灌浆时压力过大，导致焊缝破裂。

第四步:检查护筒密闭性。将护筒上止水环上的灌浆管、回流管与地面相应管路连接，并关闭护筒下止水环上的引流管阀门，利用井内外自然水头差进行试压，以检查护筒焊缝质量及管脚止水情况，确保护筒与护壁管、基岩井壁间的密闭性，避免灌浆时浆液渗入井内。

第五步:灌浆。试压结束后，即可进行灌浆止水。浆液水灰比为0.8～0.5，先清后浓，水玻璃的加入量为0.5%～3%，逐渐增加。待回出浓浆后，即可闭浆待凝。 第六步:待凝3天，下入潜水泵(60 t/h)进行抽水，水位降至38.7 m。经下井观察，护壁筒管脚渗水被完全封堵，止水效果良好。至此，竖井施工全部结束。 4.1 试验平硐位置的确定

通过地质人员下竖井后对地层认真观察和现场研究，1号试验平硐底板位置距井口地面34.40 m处，沿坝轴线向左岸掘进;2号试验平硐底板位置距井口地面34.60 m处，沿坝轴线向右岸掘进。其结构见图3。 4.2 搭设试验平硐掘进平台

根据试验平硐底板高程，确定将试验平硐掘进平台搭设在距井口地面35.10 m处。先由施工人员在井壁对称位置钻孔，孔径50 mm，深度300 mm，共钻6对孔。然后插入48 mm相应长度的钢管，每边入孔长度为150 mm，并用木楔固定。最后铺上木板，木板上再铺上篷布，再用编织袋将缝隙填塞，以防止爆破石渣落入井底。

4.3 试验平硐施工

根据施工区岩体较完整、风化较弱的特点，为尽量减少爆破对周围岩体及管护壁筒管脚止水的影响，平硐施工遵循多炮眼、小进尺、小药量，光面爆破的实施方案。 由于2个试验平硐高差不大，决定沿垂直于坝轴线方向，以1号试验平硐底板高程为基准，先掘进一长2.4 m、宽1.2 m、高2.3 m的掘进洞室，然后再沿坝轴线

方向分头掘进，先施工1号平硐，然后施工2号平硐。 4.3.1 试验平硐挂口

为了降低爆破产生的震动，减少对护壁管管脚止水的影响，有利于施工安全，在试验平硐挂口时，采用小断面、短进尺、小药量的掘进方式，即先在试验平硐中心钻空眼1个，四周间隔400 mm布置4个爆破眼，深度为500 mm，每孔装药75 g。然后按阶梯形方式，逐步加深和扩大断面，直至形成长2.4 m、宽1.2 m、高2.3 m的掘进洞室。 4.3.2 试验平硐掘进

在掘进洞室开挖完毕后进行试验平硐的掘进。根据地层情况，并参考试验平硐挂口爆破效果，试验平硐开挖掘进采用全断面光面爆破方案。采用光面爆破技术，能降低爆破产生的强烈震动，以减少对围岩破坏，确保平硐内试验数据准确、可靠。 4.3.2.1 钻孔及炮眼布置

钻孔采用YT－28型气腿式风钻，钻杆选用22 mm六角空心工具钢，钻头选用D36 mm一字形硬质合金钻头，循环进尺取0.8 m，周边眼和底板眼深1.0 m，掏槽眼和辅助眼深取1.1 m，按《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》(SL 378－2007)要求，取周边眼距E=45 cm，周边眼抵抗线W=50 cm，周边眼密集系数m=E/W=0.9，符合要求。

经计算炮眼总数为31个，其中周边眼12个，底板眼4个，辅助眼10个，掏槽眼5个(其中1个为空眼)。周边眼和底板眼在断面轮廓线上开孔，孔底落在设计轮廓线外5 cm处。 4.3.2.2 装药量

按规范要求，周边眼线装药密度按0.09 kg/m计算，其它眼线装药密度按0.12 kg/m计算，则周边眼单眼装药量为0.09 kg/m×0.9 m=0.081 kg，装药总量为0.081 kg×12=0.972 kg，其它眼单眼装药量为0.12 kg/m×1.0 m=0.12 kg，装

药总量为0.12 kg×(10+4+4)=2.16 kg。每个循环的炸药单位消耗量为(0.972+2.16)÷(0.8×4.1)=0.95 kg/m3。 4.3.2.3 装药参数

表1为试验平硐施工爆破设计参数表。 4.3.3 试验平硐施工注意事项

(1)布孔要精确。由技术人员严格按爆破设计在掌子面准确布出所有炮孔，要求误差≯2 cm，并在拱顶部位线方向布设一条钻孔方向控制线，所有炮孔和钻孔方向控制线均用红油漆标注，以便钻孔作业人员准确掌握钎杆方向和角度。

(2)确保钻孔质量。良好的钻孔质量，是保证平硐开挖轮廓线规则、光滑的关键，特别是周边光爆孔的钻孔质量。施工中，要求施钻人员必须做到开孔准确，其误差≯2 cm，为了保留下一循环的施钻净空及周边孔抵抗线一致，周边孔及次边孔以相同的斜率外插，根据爆破设计，外插角≯2°为宜，孔底不超过开挖断面轮廓线10 cm;当开挖面凹凸较大时，按实际情况调整炮孔深度，力求所有炮孔(掏槽眼除外)孔底处在同一垂直面上;钻孔完毕，按爆破设计图进行检查并做好记录，发现不符合要求的炮孔重新钻孔，经检查合格后方能装药爆破。

(3)要选用高精度的毫秒雷管，以减少起爆时差，确保周边孔同时起爆，只有相邻孔之间同时起爆才能形成叠加应力，在垂直中心线方向形成合应力，最终形成光滑的破坏面。

(4)加强排烟与通风，以确保试验平硐内氧气充足。 (5)定时抽排井底积水，定时清理井底沉渣。

(1)在较为深厚的河床砂卵石层中，采用大口径冲击钻机成井工艺施工勘探竖井，实践证明是切实可行的，对护壁管管脚所采取的止水措施，经受住了后续试验平硐爆破和汶川“5.12”地震的考验。

(2)历时47天，圆满完成了勘探竖井和试验平硐的施工，确保了现场承载力试验、

砼/岩石的现场大剪试验、岩体变形试验和声波测试等工作的顺利进行，获得了真实、准确的试验资料，为后续厂房地基的设计、施工打下了坚实的基础，取得了良好的施工效果及经济效益。

(3)护壁管焊接工作应由专业人员进行，以确保焊接的质量，以防止焊缝受挤压变形、开裂，影响施工安全。

(4)为便于试验平硐的施工，卵石层凿井口径增至2000 mm，护壁管外径为1800 mm，基岩口径为1500 mm较为适宜。

(5)加强护壁管管脚止水处理，建议在下入护壁管后，可先向护壁管和井壁间投入黄泥，厚度为1.5 m左右，边投边捣实，起到初步止水的作用，防止注浆时水泥浆液大量涌入井内。然后在护壁管外侧均匀布置9根直径为40 mm的注浆管，底部距护壁管管脚约为1.5 m，出浆孔长度约为4 m，并用橡胶环封住，以避免下入时出浆孔堵塞，最后在护壁管与井壁间回填粒径为10～30 mm的豆石至井口，以防止井壁坍塌。

在完成上述工作后，即可进行第一次护壁管管脚灌浆止水处理。通过3根对称注浆管向管脚进行间歇灌浆，水灰比为0.5，加入3%～5%的水玻璃。注浆时，应同时观测井内沉浆情况，如沉浆量较大，应适当延长注浆间歇时间，并增大水玻璃的加入量，直到注浆基本饱和，待凝3天后，恢复钻进至成井。

成井后，先进行清渣换浆处理，然后下入潜水泵抽水排浆，检查管脚止水效果，如止水效果较差，则选另3根对称注浆管对护壁管管脚进行第二次注浆，待凝3天后，再次抽水检查管脚止水效果。

如前两次对护壁管管脚进行灌浆止水处理效果不理想时，再采取下入第二层护筒的措施进行灌浆止水，最终达到管脚止水的目的。

(6)施工安全方面。本工程施工安全的重点在于爆破、施工人员上下井、井内用电以及应急保证措施。由于各项安全措施应对有效，执行到位，在整个施工过程中，

未发生安全生产事故，但也存在不少隐患，需要在今后的工作中不断完善和提高，以确保工程施工安全。

【相关文献】

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