□雷敬義 □雷春華(中國水利水電第十一工程局有限公司)
大傾角巖層地質條件下深豎井施工方案
□雷敬義 □雷春華(中國水利水電第十一工程局有限公司)
尼泊爾某水電站深豎井施工,剛開始采用傳統(tǒng)的反井鉆機先導孔鉆進施工方法,但由于本工程地質條件復雜,巖石堅硬且?guī)r層傾角大,導致反井鉆機施工失敗。后經過研究,最終采用正井法和爬罐法完成施工。文章結合該工程案例,對復雜地質條件下深豎井施工不同的施工方法進行了總結,可為類似地質條件下深豎井的施工方法選擇提供參考。
豎井;大傾角巖層;反井鉆機;導井;正井法
豎井是引水式水電站常見建筑物,例如引水系統(tǒng)中的豎井、調壓井、閘門井、出線井、通風井及交通井等。豎井施工具有工作面狹小、出渣困難、施工安全風險大等特點,是水電工程難點工程之一。
對于深度超過約50 m的深豎井,創(chuàng)造豎井底部出渣通道,采用反井鉆機開挖導井,進一步擴挖形成豎井是一種安全、快速、經濟的施工方法,已成為目前水電站豎井施工的首選方法。但在特殊地質條件下,可能導致反井鉆機應用失敗,采用正井法及爬罐法進行深豎井施工仍然是可能的可選方案。
尼泊爾某引水式水電站工程,裝機容量4.00x9.30 MW。其中引水系統(tǒng)壓力鋼管豎井高度378 m,直徑4.40 m,豎井圍巖為片麻巖,屬Ⅱ~Ⅲ類圍巖,巖石硬度較大,巖層傾角約70~85°。豎井施工采用反井鉆機施工過程中,先導孔鉆進失敗,最終采用正井法、爬罐法完成豎井開挖。
1.1 反井鉆機鉆進先導孔
本工程采用常州市立鼎煤礦機械有限公司生產的ZFY3. 50/120/400型反井鉆機施工,計劃導井直徑1.40m,先導孔直徑250 mm。在先導孔鉆進過程中嚴密監(jiān)測機架垂直度,并采用CX-5C型測斜儀監(jiān)測孔底鉆頭位置,先導孔正常鉆進速度約1 m/h,具體實施工藝不再贅述。
先導孔鉆進至36 m深度時,測斜儀監(jiān)測數據顯示孔底偏移39 cm,偏向WS。因孔底偏移過大,停止鉆孔。
在對已鉆孔位進行混凝土回填后,對鉆桿、鉆頭等設備進行進一步矯正更新,在距離原孔位50 cm處重新開鉆先導孔。鉆進至53 m深度時,測斜儀監(jiān)測數據顯示孔底偏移58.93 cm,偏向和首次鉆進同為WS;另外鉆孔反碴出現(xiàn)原孔回填混凝土材料,判斷和原孔位出現(xiàn)串孔,停止鉆孔。
1.2 加裝RVDS鉆進先導孔
1.2.1 RVDS智能糾偏設備
德國RVDS智能糾偏設備(Rotary Vertical Drilling System,即旋轉垂直鉆進系統(tǒng)),為德國Micon公司產品,曾成功應用于冰島兩條414 m深豎井施工,最終垂直度偏移量為0.05%~0.06%。該設備能夠實時監(jiān)測導孔偏移,并實時對鉆頭方向進行調整,保證鉆進垂直度始終動態(tài)受控。該設備為獨立的系統(tǒng),只需整體加裝在反井鉆機的鉆頭上,并與鉆桿連接,無需改變反井鉆機的結構。
1.2.2 加裝RVDS鉆進效果
加裝RVDS設備后,先后在兩個孔位進行先導孔鉆進。第一次先導孔鉆進至36 m時,RVDS反饋數據顯示孔底偏移40 cm,因偏移過大停止鉆孔;第二次先導孔鉆進至61 m時,孔底偏移29.90 cm,鉆進至70 m時,孔底偏移33.90 cm。兩次鉆進均因孔底偏移過大,停止鉆孔。兩次偏向均為WS。
1.3 引進較大功率反井鉆機并加裝RVDS鉆進先導孔
歷經四次先導孔鉆進失敗后,項目部引進一臺型號為250RBM的反井鉆機,并加裝RVDS設備進行先導孔鉆進,該鉆機曾被成功用于尼泊爾其他項目100 m深斜井反井施工,考慮到此前鉆孔均向WS方向偏斜,將開孔位置向EN方向偏移1.75 m。
首次先導孔鉆進至27 m時,RVDS監(jiān)測數據顯示孔底偏移17.40 cm;第二次先導孔鉆進至25 m時,孔底偏移8 cm,鉆進至50 m時,孔底偏移76.28 cm,偏向均為WS。兩次鉆進均因孔底偏移過大,停止鉆孔?,F(xiàn)場鉆進過程顯示,鉆進超過25 m時,鉆機震動明顯,偏移量加大,反映出地質條件較為復雜。
CT組CT檢查損傷總診斷率為70.83%,關節(jié)鏡診斷率為91.67%,兩種診斷方式診斷結果有顯著差異(P<0.05),見表2。
反井鉆機先導孔鉆進多次嘗試失敗,基本證明了采用反井鉆機無法成功實施本項目豎井施工,初步判斷為復雜地質條件所致,為進一步驗證地質條件,使用地質鉆機對該豎井位置進行了50 m深度取芯實驗。
2.1 巖芯分析結果
對豎井50 m深度內巖石取芯,并對不同深度的3組巖芯做抗壓強度試驗。測試結果見表1。
表1 巖芯試樣抗壓強度表
2.2 反井鉆機先導孔鉆進失敗原因
通過巖芯破壞測試,以及6次反井鉆機先導孔鉆進過程中,均因孔底偏移過大而導致失敗結果分析,認為本工程圍巖70~85°大傾角斜紋巖體構造是反井先導孔偏移無法控制的主要原因。在先導孔鉆進過程中,巖體在鉆頭沖擊作用下,極易產生沿巖體天然斜紋方向破壞,同時因巖體硬度較大,需要較大的垂直鉆進壓力,導致鉆頭沿斜紋破壞方向滑移,即使采用RVDS設備也無法克服鉆進偏移,實際結果證明在大傾角片麻巖層地質條件下,反井鉆機先導孔鉆進方向難以控制。
3.1 正井法全斷面開挖豎井
正井法全斷面開挖與一般隧洞鉆爆開挖循環(huán)作業(yè)類似,每循環(huán)開挖支護高度2.50 m,每開挖支護循環(huán)作業(yè)時間約24 h。正井法全斷面開挖方案的要點是配置合理可靠的材料垂直輸送系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)裝置,該系統(tǒng)配置的合理性是施工成敗的關鍵因素,其他開挖支護所需風水電供應、排水系統(tǒng)配置和隧洞鉆爆作業(yè)類似。材料垂直輸送和安全防護系統(tǒng)裝置具有很強的專業(yè)性和實踐性,本文不做說明。
3.2 爬罐法導井施工
爬罐法是利用可沿軌道爬升的爬罐設備作為鉆爆工作平臺,自下而上進行導井鉆爆開挖,導井貫通后再自上而下擴挖成井。本工程采用Alimar公司生產的STH-5EE型電動爬罐,與正井法相比較,爬罐法施工效率較低,通風排煙困難,特別是隨著導井高度增加,作業(yè)效率降低。由于爬罐法必須使用專業(yè)爬罐設備,目前應用日趨減少。
通過本工程豎井施工成本統(tǒng)計和測算,正井法施工成本約為爬罐法施工成本的1.40~1.60倍,爬罐法的施工成本約為反井鉆機法的1.50~2.00倍。
對于一般水電站工程深豎井工程,在具備豎井頂部和底部作業(yè)面的情況下,反井鉆機具有無可比擬的進度、安全和成本優(yōu)勢;但對于大傾角層狀堅硬巖石,先導孔鉆進時,鉆進方向會產生沿巖層結構面方向偏移,可能導致無法成功實施,同時,對于非常破碎且地下水發(fā)育的惡劣地質條件,也曾有導井貫通后發(fā)生大面積坍塌導致導井廢棄的先例。因此,采用反井鉆機方案前,應對圍巖地質條件予以評估,以確定反井鉆機的適應性。
正井全斷面開挖豎井,經濟性差,且須配置較為復雜的垂直提升系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)設施,但適應于各種復雜的地質條件,且無需豎井底部作業(yè)面,仍然是復雜地質條件下廣泛使用的作業(yè)方案。
爬罐法適用于僅有底部作業(yè)面的豎井開挖,經濟性介于上述兩者之間,對地質條件的適應性廣泛,但需要專業(yè)的爬罐設備,施工進度劣于正井法開挖。在非常破碎或富含地下水的地質條件下,應注意通過超前探孔判斷掌子面不良地質條件狀況,必要時采取超前灌漿等措施改良地質條件,預防出現(xiàn)頂部掌子面坍塌。
(責任編輯:趙 鑫)
TU 455.4
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1673-8853(2016)11-0033-02
2016-08-08