摘要：山岭软岩隧道深竖井一般地质软弱、破碎、多富水，节理裂隙发育丰富，软弱夹层较多，地质变化频繁，施工工期长，采用反井法施工方案，并通过对近期竖井项目考察，把三道湾水电站软岩深竖井施工形成技术成果，为类似工程施工提供借鉴和参考。
关键词：隧道 软岩 深竖井 地下水 施工技术 特殊地质 处理
0引言
我国地域辽阔，地表起伏较大，峡谷、丘陵、高山遍布在三分之二国土上，山岭重丘区比重大，多分布在西北、西南、东北和中南部地区，近年来随着国家基础设施的发展完善及施工技术的不断提高，竖井规模增大，深竖井较多出现，且穿越地质越来越复杂。因竖井作业场所狭窄，工作环境恶劣，受地质变化影响大，安全风险极高，且工期长，施工挑战大。
1.工程概况及水文地质条件
1.1工程概况
讨赖河三道湾水电站位于张掖市肃南县境内的讨赖河干流上，电站为一闸坝引水式水电站，装机90MW（3×30MW），属Ⅲ等中型工程。电站由枢纽、引水发电隧洞、调压井、高压水道及地下厂房等建筑物组成。我单位承建的B5标段中有两条竖井，分别为：调压井为顶部开畅的园筒阻抗式调压井，设计开挖直径为9.0m，钢筋砼衬砌后洞径8.8m，井深94.7m；高压水道竖井设计开挖直径5m，钢筋砼衬砌后洞径3.3m，井深278.35m（含上、下弯段）。
1.2水文条件
电站开发讨赖河流域上游深入祁连山区，下游为酒泉盆地，地势南高北低。上游山区为径流形成区，下游盆地为径流消耗区。祁连山水源区地势较高，降水量较丰沛，同时有高山积雪与现代冰川，气温低，蒸发较弱，降水易形成径流。河流在到达出山口时水量最大，河流出山以后，因渗漏、蒸发损失和人工引用，水量逐渐减少。孔隙性潜水主要分布于河床覆盖层中，水化学类型为低矿化度的重碳酸钙镁型水，对砼结构不具侵蚀性；基岩裂隙水赋存于河谷两岸及河床下部岩体内的断层、裂隙及其破碎带、影响带中，两岸基岩裂隙水高于相应河水位。
1.3地质条件
工程区跨越地层时代较多，出露岩性复杂，多为深变质岩石，软硬分布不均，属北祁连山加里东褶皱带，地质构造相当复杂，经历了多次构造运动，产生了一系列北西西为主的断裂和褶皱，同时伴有火成岩的侵入，以后又受华力西期、印支期、燕山期及喜山期构造运动的影响，使早期形成的褶皱遭到破坏，断裂复活，并具继承性和发展性，使之规模增大。
调压井井口为坡积块石碎石土，结构松散；以下为下志留统砂质板岩夹粉砂泥质板岩，以砂质板岩为主，局部有较多的粉砂泥质板岩和石英岩脉，岩体中无较大断裂发育，微裂隙发育较多，尤以层面裂隙发育。压力管道竖井位于讨赖河的右岸山体内，通过岩性为砂质板岩夹粉砂泥质板岩，以砂质板岩为主，局部有较厚的粉砂泥质板岩，岩层扭曲强烈，岩体中断裂构造发育，岩性软弱破碎，在井深160～200m以下段位处地下水位以下，施工时须有排水设施。
2.软岩深竖井施工难点分析
2.1施工深度大、地质特殊、空间环境差
竖井由于特殊的狭长垂深空间，导致岩土挖掘、井壁砌筑、运输和提升等非常困难，并随着深度加大，特别是上下运输、高空坠落、地下水涌入、塌方、有害气体等施工风险，施工难度剧增。
2.2上、下运输困难
竖井施工主要以亭式井架配套绞车上下运输为主，应用多且工艺成熟，近年也有门式起重机的应用。软弱围岩竖井支护强度高，随着深度增加，排水设备能力、提升能力、通风能力、悬吊能力都将剧增，工序时间倍增，特别是正向开挖出渣时间耗时长，导致施工效率成倍降低。
2.3正向开挖积水抽排困难
竖井地质裂隙多，施工中受降雨、地表径流及岩体风化程度影响将会出现渗水，随着竖井深度增加，正向开挖需要抽排至井口，扬程过大排水极为困难，施工受地下水干扰大。
2.4地质围岩软弱破碎复杂
深竖井跨越不同地质多，围岩软弱破碎，受结节理裂隙切割，结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿裂隙面松弛、滑移和坠落等变形破坏，以及大变形或坍塌控制不力，后期处理难。
2.5反井钻机施工易坍孔且精度难控制
地质软弱破碎易产生塌孔，深竖井钻杆过长整体线性刚度减小，地质围岩软弱不均或岩石走向、倾角不利，钻头导孔转进易偏斜，钻进精度难控制。
3.主要施工方案及关键技术
竖井施工常用开挖方法有：全断面正向开挖法、先导井后扩挖法（简称：反井施工法，见图3-1）。全断面正向开挖即自上而下全断面一次开挖到位，渣体通过提升系统到井口出渣；反井施工法即先开挖施工小断面的导井，再进行扩挖，围岩整体性较好可选择自下而上扩挖，渣体直接落至井底，施工速度快；围岩整体性差，达不到安全施工条件，优选自上而下扩挖，渣体采用人工或机械扒渣，通过导井溜渣至井底，再通过井底连通的横通道运至洞外。
图3-1 反井法施工工艺示意图
全断面法施工适用于较浅或井底没有横通道的竖井，一旦竖井较深，出渣工序占比大，工期长且费用高，超过200m深竖井更为突出，越深难度越大；反井施工法适用于具备横向通道的竖井，弃渣主要通过导井溜渣至井底出渣，出渣速度快，整体施工快速高效且费用低，在深竖井施工优势明显。竖井钢筋砼衬砌施工从井底自下而上采用滑模施工工艺。
但针对软岩竖井，井口围岩段地质稳定性极差，成井困难，可以通过增加辅助措施确保成井，如固结注浆、施工地下连续墙等方案，但增加了施工费用及工期。解决方案是采用“正反结合”施工，井口地质差成井困难段采用全断面正向开挖，至稳定基岩后再采用反井法施工。反井钻机安放在井内，也可在井口，正向开挖段钻孔中心施工直径3.0m混凝土柱，周边回填至井口平台即可。
3.1竖井井架及绞车提升机方案
目前传统矿山提升机应用较多，详见图3-2，可有效解决上下运输、吊笼、风水管线及安全措施悬吊。井架井口设置封口盘，防止坠物，井底作业面上方设置安全吊盘，作为安全防护，确保下方施工人员安全。安全吊盘至下方作业面通过爬梯通行。井底安全吊盘悬吊于工作面上方约4m；主要作用为工作面保护和作为延接管路的平台。吊盘周围采用高度不低于1.2m的钢管进行防护。吊笼及吊盘分别由绞车提升机通过井架顶天轮悬吊上下提升，待停留位置有悬吊井口钢丝绳固定。
图3-2 井架及绞车提升机设计示意图
3.2反井钻机导井施工关键技术
反井钻机施工工艺：准备→自上而下导孔施工→井底横洞更换扩孔刀盘→自下而上反提扩井→导井完成。近年来反井钻机导井施工越来越普遍，且有诸多优点：劳动强度低，施工周期快，可尽快形成通风通道，改善通风作业环境，导井施工直径2.0m，选用LM-400型反井钻机施工，根据经验LM型反井钻机应用较早，LM-400有效施工深度300m左右，目前其他型号更加先进的反井钻机已有较多应用，施工工艺成熟，操作简便，但基本原理一致，详见图3-3，各工序关键控制技术如下：
图3-3 反井钻机施工示意图
（1）导孔施工：首先自上向下施工直径23cm的导孔，转进中的细微颗粒通过泥浆泵返渣排至孔外，导孔施工虽然不是取芯钻进；但根据对钻进过程和排出岩屑的观测分析，可对穿越地层进一步勘探了解，从而为扩孔钻进、孔壁维护及开挖方案的制定提供参考。导孔施工控制关键是保证精度、防止塌孔及卡钻，以及施工中的突发事故处理。
开孔质量对偏斜率有直接影响，调整好钻机的竖直度，确保开孔垂直。钻杆中合理设置稳定器，除了在第一根钻进后加1根稳定器，钻进3米后再加一根稳定器，以后每5~30米加一根稳定器，前100m间隔一般不要超过10m，随着钻孔深度的增加，稳定器之间的间隔可适当加大。实时调整钻机各项参数设置，采取合理的推进压力和回转压力，确保钻进过程钻杆稳定进行。
如果钻孔内返水量极少，甚至不返水，说明遇到了断层、裂隙或溶洞等地质构造，要停转提升处理，出现返渣突增推断塌孔，同样停转提升，视情况采用回填砂浆、混凝土或注浆加固处理，重新开钻后应勤量测、缓慢钻进。保证排渣的水量、水压，停转或接钻杆时先停转后停水，将孔内岩渣排净，防止堵孔及卡钻。当钻孔深度超过20米时每钻完一根钻杆，需冲水排渣1~2分钟，孔越深排渣时间越长。对出现的问题及时纠偏，确保贯通偏差控制在目标范围。
（2）导井施工：导孔钻通后，在底部联络横洞将钻头更换为直径2.0m扩孔刀盘，进行扩孔施工。扩孔开始时，因为接触面不平，应缓慢断续推进，合理控制拉力和转速，待刀盘的所有滚刀接触岩石后，方可按正常压力扩孔。扩孔拉力在各段落视岩石软硬程度进行调整，确保施工安全。
（3）针对软岩地质深竖井，受客观地质及岩石节理裂隙、倾角等影响，反井钻机无法满足施工精度时，可增加一道施工工序，先用SJ-400-G高压脉冲冲击定向钻机钻孔，反井钻机再顺孔施工。
（4）反井钻机卡钻：反井钻机反扩过程，遇地质突变，可能会有石块卡在滚刀之间，造成滚刀自转失速磨损滚刀，遇此情况应及时下放钻头进行检修。
（5）地质塌孔在反井钻机施工过程时有发生，此情况在23cm前导孔钻进过程及时注意钻进进度情况，若在相同拉力计读数条件下，钻进突然加快，应停下钻机，查看反渣情况，进行回填灌浆，待水泥浆硬化后二次钻进。及时处理地质塌孔情况，避免反井卡杆。
3.3导竖井滑模衬砌施工方案及关键技术
竖井混凝土浇筑采用液压调平内爬式滑升模板施工，见图3-4，整个滑模设计为钢结构—桁架梁。整个滑模装置主要由模板、桁架、提升架、辅助盘、支撑杆（俗称“爬杆”）、液压系统等几部分构成。滑升动力装置选用YZXT-36型自动调平液压平台，GYD-35型千斤顶，千斤顶通过埋在混凝土内的直径48mm的钢管作支撑向上爬升，支撑杆每根3～5米，接头采用电焊焊接，并进行打磨整平处理。混凝土通过 Φ219钢管溜管输送至工作面入模，单节下料管设缓冲装置，底部设缓冲器，安全盘上设置分料器，插入式振捣器振捣。溜灰管用两台JZ-10凿井稳车提放，下部设2mm钢板制作的串桶方便砼入模。滑模设计安装控制关键：选用高1.2 m的光面钢模板环铺固定在主结构上，模板底比顶部半径缩小2-3 mm，减少滑升阻力。
3-4 液压调平内爬式滑模施工示意图
（1）初次滑升：对滑模装置和砼凝结状态进行检查后缓慢进行，将全部千斤顶同时缓慢升起50～l00mm，出模的砼以手指用力按压应有轻微的指印，说明砼出模强度合适。每浇筑30cm，间断提升3～5个行程，防止粘模，直到砼表面距模板上口l0cm左右，即转入正常滑升。（2）正常滑升：遵守“勤滑少滑、勤滑勤校”的原则。正常提升时应控制速率为15～20cm／h，两次提升的时间间隔不应超过1.5h。施工中常见的问题有：滑模操作盘倾斜、滑模盘平移、扭转、模板变形、砼表面缺陷、爬杆弯曲等，其产生的根本原因在于千斤顶工作不同步，荷载不均匀，浇筑不对称，纠偏过急等。因此，在施工中首先把好质量关，加强观测检查工作，确保其良好的运行状态，发现问题及时解决。（3）纠偏：利用千斤顶自身纠偏，即关闭五分之一的千斤顶，然后滑升2～3行程，再全部打开，滑升2～3行程，反复数次逐步调整至设计要求。针对各种不同情况，施加一定外力给予纠偏。所有纠偏工作不能操之过急，以免造成混凝土表面拉裂、死弯、滑模变形、爬杆弯曲等事故发生。（4）爬杆弯曲处理：爬杆弯曲时，采用加焊钢筋或斜支撑，弯曲严重时切断，接入爬杆重新与下部爬杆焊接，并加焊“人”字型斜支撑。（5）模板变形处理：对部分变形较小的模板采用撑杆加压复原，变形严重时，将模板拆除修复。
4.软岩深竖井特殊地质分析
因软岩深竖井穿越地质开挖后变形大，又因地质破碎程度、节理裂隙发育程度不同，同一开挖断面经常出现多种地质构造，造成初支受力不均，且受地下水影响，施工措施不当还将造成突水涌泥等事件，危及现场施工及结构稳定，总结分析如下：
4.1开挖面偏压变形
（1）地表及软弱围岩地段，稳定性差，在未采取足够措施前，局部易发生失稳造成偏压；（2）同一断面围岩地质不同、风化破碎程度不同或山体偏压等原因都会造成偏压；（3）节理裂隙发育，受其切割制约，节理面多闭合，泥质填充，节理面镜面，特别是在有地下水组合作用的条件下，岩体整体稳定性差，特点是个别岩块失稳，造成较大范围岩块变形乃至突然坍塌。偏压后一旦控制不利，易造成初期支护开裂或错台，如图4-1，变形过大甚至塌方，并造成结构失稳风险。
图4-1偏压局部变形示意图
4.2软岩地质大变形
（1）围岩风化严重自稳性性差，与岩石地质相比，支护结构要承受更大的荷载，若初期支护强度不足，将会导致变形大；（2）在大埋深软岩地段，一般存在较高的地应力，由于软岩抗压强度低，开挖过程中岩体易剥离，位移极为显著，变形持续时间长，若支护不足，可造成大变形；（3）断层破碎带，由于上下两盘的相对运动，常使断层面附近岩石破碎成碎石和粉末状，形成断层破碎带，且常伴有地下水，施工时易发生大变形及塌方、掌子面突泥、突水等安全风险；
4.3因地下水及特殊地质造成严重渗水段
（1）不同岩层接触带地段由于不同岩层，岩性差异大，加之常伴有地下水，在接触面附近常发育有风化剥蚀面，岩体较为软弱、破碎，在开挖面或上方易发生塌方、涌泥等安全风险；（2）基岩裂隙水埋藏于围岩构造裂隙和风化裂隙中，受地形地貌、气候、地层岩性及构造裂隙和风化裂隙发育程度的控制，以及地表降雨影响，极有可能会造成渗水严重；（3）同时深竖井跨越地下潜水、承压水及暗流的可能性大，都将造成严重突发渗水风险。
5.软岩深竖井特殊地质应对技术措施
5.1开挖面大变形、坍塌预防控制技术措施
常见的控制变形及坍塌的技术有：（1）超前支护：超前支护是一种 “先支后挖”技术，是控制开挖面围岩变形，防止坍塌的主要手段。常用有：超前锚杆、超前小导管注浆、超前大管棚以及前面几项的结合。同时周边超前支护外露部分牢固焊接于钢架上，形成棚架支撑体系，更能较好阻止开挖面变形及坍塌。（2）系统锚喷支护：在软岩竖井施工中应用效果更好，系统锚杆结合喷砼结构能在开挖面外圈更大范围形成系统支护体系，有利于控制先行和后期围岩、支护变形，确保结构稳定。（3）初喷混凝土封闭：极为软弱破碎短时间易坍塌地质，开挖后首先初喷混凝土封闭，减少开挖面裸露时间。（4）环形开挖预留核心土：可以缩短开挖时间，加快支护，即使一旦出现坍塌，核心土可起到临时支撑阻挡作用，防止大面积失稳、坍方。
5.2掌子面分布开挖控制技术措施
断面若存在软硬夹杂不均匀围岩，为避免开挖面过大出现坍塌失稳，软弱破碎部位分部先行开挖支护，及时形成支护，必要时可增设临时支撑以及其他措施，后再开挖其他部位成环整体受力。
5.3不均匀受力变形控制技术措施
（1）锁脚锚管、锚索局部加强技术：锁脚锚管应尽量沿拱架底部法线向下方向施工，对初支收敛变形提供反向作用力，针对局部偏压受力大、变形严重的位置，加大锁脚锚管数量，有效抵抗不均匀变形，必要时可施工锚索张拉控制见图5-1。
（2）扩大拱脚技术：通过局部或整环展宽基础，提高整体刚度，加大接触面，设计宽度一般为0.8～1.0m。施作时，若拱脚宽度不够，支撑力不足，达不到有效效果。
5.4渗水及突发涌水预防控制技术措施
软岩深竖井渗水或突发涌水，危及施工安全，除做好应急预案外，首先进行探水，通过超前地质预报及钻探等多种手段相结合，探明富水区域位置及水量，再通过技术措施控制。
图5-1初支拱架及扩大拱脚示意图
对于含泥量低，围岩结构好，水量不大的地段采用以排为主，或先排后堵。在围岩差易坍塌涌水地段以固结封堵为主，堵排结合，必要时采用帷幕注浆封闭堵水。同时对注浆后的岩面渗漏水及盲区补注浆，针对水压过大或无法堵水的局部位置，施工泄水孔疏导引排。
5.5加强现场配合及信息化指导施工
竖井施工重视施工过程中的调查和监测等信息的收集、分析，开展信息化动态设计，避免设计与实际地质偏差风险。通过超前地质预报、监测动态信息，及时评价围岩及支护结构体系的稳定性状态，指导设计优化施工，确保施工安全。
6.施工技术方案的选择
软弱围岩竖井施工工序要简化，并留足一定变形空间，快速封闭成环施工，做好主动超前支护，开挖后被动支护强度要够并能适应一定程度变形。同时按照“管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、快封闭、强支护、勤量测”的施工要求，加强监控量测工作，地质及支护状态观察、周边位移、收敛、井口下沉、渗水压力和水流量作为重点必测项目，较差围岩要结合地质钻机，探清开挖下方及周边地质情况，超前地质预报是施工的“眼睛”，监控量测是“哨兵”。
参考文献：
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论文作者:田动动
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：竖井论文; 地质论文; 围岩论文; 裂隙论文; 钻机论文; 井口论文; 偏压论文; 《基层建设》2019年第13期论文;