Research on Excavation Construction Technology of Surge Shaft in Super Large Profiled Section
李佳 LI Jia
（中国水利水电第五工程局有限公司，成都 610066）
（Sinohydro Bureau 5 Co.，Ltd.，Chengdu 610066，China）
摘要：赞比亚下卡富峡水电站项目位于卡富埃河上，调压井位于引水洞末端，阻抗式调压井，开挖井深133.2m，开挖直径36m，衬砌后直径32m，为超大异形断面调压井。其整体地质情况较差，施工质量控制难度及安全风险较大，通过对现场施工顺序、各不同施工部位爆破参数确认、提升系统的设计及现场安全监测研究，保证了施工进度、提高了现场施工质量，实现了施工期间安全生产零伤亡事故指标。
Abstract: The Lower Kafuxia Hydropower Project is located on the Kafue River of Zambia. The surge tank is located at the end of the diversion tunnel and is an impedance-type surge well. The excavation depth is 133.2m, the excavation diameter is 36m, and the diameter after lining is 32m, which is a super-large profile section surge shaft. The overall geological conditions are poor, the construction quality control difficulty and safety risks are large. Through the on-site construction sequence, the blasting parameters confirmation of different construction parts, the design of the lifting system and the on-site safety monitoring research, the construction progress is improved and the site construction quality is improved, realizing zero casualty accident during construction.
关键词：超大异形断面调压井；开挖；施工技术；研究
Key words: super large profiled section surge shaft；excavation；construction technology；research
中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）31-0147-03
1 工程概况
1.1 项目简介
赞比亚下卡富峡水电站项目位于卡富埃河上，上卡富峡电站下游17.3km处，距首都卢萨卡90km，装机容量5×150MW共750MW。电站调压井属超大断面调压井，位于引水洞末端，阻抗式调压井，开挖井深133.2m，开挖直径36m，衬砌后直径32m。
1.2 调压井工程地质情况
调压井段岩体整体呈块状～次块状，其两侧岸坡表部岩体卸荷拉裂，全风化岩体垂直厚度5m～10m，强风化岩体垂直厚度15～35m，弱风化垂直厚度20m～30m。山梁右侧岩体风化、卸荷厚度较大，围岩沿裂隙风化较深，为发育裂隙密集带，裂隙多夹红色泥质物；在528.75m～528.25m有一构造破碎带，夹岩屑、岩粉及泥质，胶结差；调压井上部（高程586m以上）岩体风化强烈，多呈碎块状、短柱状，调压井在575m～585m高程段为黑云母片岩分布。
调压井高程570m以上井壁稳定性差，为Ⅳ类围岩；506m～570m段井壁稳定性一般，围岩为Ⅲ类，断层破碎带及裂隙密集带段为Ⅳ类围岩；调压井开挖直径大，开挖时需及时支护，采取锚固和混凝土衬砌等处理措施。
1.3 质量安全指标
质量指标：顶部40高度范围内开挖超挖控制在20cm以内，其余部位超挖控制在15cm以内，不允许欠挖。
安全指标：确保超大异形断面调压井开挖施工全过程零伤亡事故。
2 过程控制
2.1 超欠挖控制
2.1.1 井筒开挖方法
调压井井筒采用导井法进行开挖，首先利用反井钻进行导孔、导井施工，然后人工利用起吊设备对导井进行扩挖，形成溜渣井，最终对调压井井筒整个断面进行分区爆破开挖支护。
①底部开挖。
由交通洞开始开挖至调压井底部，为反井钻施工与出渣提供空间。
由交通洞向调压井底部开挖，连通交通洞与引水隧洞，为反井钻机提供操作空间，并由交通洞、引水隧洞将井筒开挖渣料运输至渣场。
②导孔施工 。
导孔施工是导井法开挖的关键，在反井钻机导孔施工过程中，前30m深度，反井钻机需要给钻头提供向下的压力，随着深度增加，压力逐步减小，压力变化要均匀，当反井钻下降30m以后，因为较长的钻杆自身重力较大，需要反井钻逐步提供向上拉力，以减缓反井钻机向下钻孔的速度。
在反井钻机向下钻孔过程中，遇到岩石软硬不一，因此需要及时调整反井钻提升或者下压力度，使钻机均匀下钻，确保导孔偏移在规范要求的范围内。
③导井施工。
当导孔施工完成后，更换反井钻机钻头至1.4m，开始提升，将导孔扩挖成1.4m导井。
④溜渣井扩挖。
溜渣井扩挖之前，需要对导井顶部进行混凝土锁口处理，锁口混凝土高出周围20cm，防止石渣跌落至导井内。然后采用由下而上钻水平孔爆破方式，将1.4m直径导井扩挖至3.5m溜渣井。
⑤大井扩挖。
将大井分为三个区域，按照每层3m深度进行开挖，爆破后石渣采用挖掘机甩入溜渣井，采用装载机在调压井底部出渣。每层开挖完成后，需要支护跟进。
⑥?荦513.7m以下扩挖段开挖。
调压井?荦513.7m以下，要设置应急检修廊道，因此该部位以下开挖最大跨度达到50.8m，相对于上部，需要扩挖7.3m。
2.1.2 井筒爆破设计
①分区原则。
按照钻孔、出渣、支护三个施工程序进行分区，其中I区爆破的同时，II区出渣，III区进行边墙支护。
I区约480平方米，II约450平方米，III区约580平方米。
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在现场实际施工过程中，原则上按照上图进行分区开挖支护，但由于井内设备防护棚占用部分空间，通常会在具备钻孔作业面后立即进行钻孔作业，分区将不严格按照上图进行分区。
②支护形式。
按照设计图纸，调压井支护包含锚杆安装、钢筋挂网、喷混凝土，考虑到顶部围岩等级较差，顶部3.2m范围内增加50cm厚度C30混凝土衬砌井圈，调压井顶部10m深度，井圈以外布置两圈灌浆孔，间排距为3m×3m。
③爆破设计。
因调压井断面较大，每区如进行一次爆破，III区单次爆破药量将超过1吨，容易对井壁稳定性产生较大影响，因此每个区分为两次爆破，对每区溜渣井中心向外10m范围内进行爆破，然后在对剩余区域进行爆破（爆破设计中首先对各区I序区域钻孔爆破，然后再对II序区域钻孔爆破），以此来降低单次爆破药量。
经统计调压井顶部40m平均超挖量为17cm，其余部位平均超挖为13.4cm，超挖量控制较好。
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由图2可看出，在调压井向下开挖过程中，随着岩石等级提高，且爆破经验增加，超挖控制量逐步得到提升。顶部40m范围及其他部位平均超挖量有效控制在技术要求范围之内。
2.2 安全控制研究成果
2.2.1 混凝土锁口
①井口开挖。
因调压井断面尺寸较大，井口明挖采用两步爆破的方式进行，首先进行中心掏槽，形成临空面，临空面形成后二次扩挖完成。
调压井井口明挖出渣随开挖也分两次进行，第一次掏心爆爆破完成后出渣形成临空面，二次扩挖后井内修筑一斜坡道，用于进内出渣，最后采用边推行边开挖的方式将斜坡道开挖完毕。
②混凝土衬砌设计。
为保障调压井整个施工期间的施工安全，需在井口部位设置锁口混凝土，沿开挖轮廓线布置双层钢筋，混凝土强度为C25，厚50cm、高3.5m，混凝土顶部高出井口50cm，高程为▽615.2m。
混凝土井圈需要在顶部开挖结束才进行，且待强28天后，井内才能允许有新的爆破作业。
2.2.2 井口灌浆
锁口混凝土施工完成后，衬砌混凝土以下仍然存在破碎岩石带，因此锁口混凝土完成后需要对井口进行固结灌浆。沿井口位置布置两圈灌浆孔，第一圈距离锁口混凝土1m，第二圈固结灌浆孔距离第一圈灌浆孔3m，孔间距均为3m，孔深度10m。
本次固结灌浆采取钻孔完成一个，灌浆一个的方式进行。上一个灌浆孔没有完成灌浆时，不得进行下一个灌浆孔的钻孔。对于成孔较好的灌浆孔，灌浆采用一段灌浆，灌浆塞阻塞在距孔口0.5m处。对于成孔困难的部位，采用两级灌浆法，第一级造孔3m进行灌浆，待初凝后继续向下造孔7m。
固结灌浆结束条件为：在该灌浆段最大设计压力0.2MPa下，当注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，可结束灌浆；当某级浆液注入量已达300L以上，或灌浆时间已达30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，应改浓一级水灰比。
2.3 变形监测及控制研究成果
2.3.1 井筒监测设计
为了监测调压井开挖后的岩壁的变形情况，在调压井开挖后的岩壁上布设变形观测孔，孔深30cm，孔径90mm，水平凿孔，同一高程均匀布置8个孔位，相对的两个孔内布置一组激光测距仪，每层总计布置4组激光测距仪。
2.3.2 井筒变形监测结果
通过第一层监测设备提取数据分析，单日变形量不超过3cm，分析认为监测数据受到爆破影响较大产生，井壁无明显偏移，处于稳定状态。
调压井井壁变形趋势需要待开挖结束后，进行长系列观测并提取有效数据，才能得出井壁变形结论。
2.3.3 锁口混凝土沉降监测
由于右侧门槽锁口混凝土底部岩石破碎，虽经过过充分论证，采用工程技术手段进行锁口混凝土加固处理，但为了安全起见，需要在该部位锁口混凝土顶部设置6个观测点，进行锁口混凝土沉降监测。
在长达164天观测过程中，累计沉降量为8.5mm，处于稳定状态。
2.4 提升系统设计
龙门吊设计：
调压井直径较大，井口门槽部位最大跨度达到50m，开挖与浇筑持续接近两年时间，人员与材料吊装频繁，且最大起吊高度超过133.5m，经多方论证，选用一台双梁门式起重机进行调压井出入及材料吊装工作，门机轨道跨度40m，轨道长52.9m，主梁长48m。
龙门吊安装完成后，采用吊装40吨工字钢对龙门吊进行静载、动载实验，均符合要求。
3 实施效果验证
通过对赞比亚下凯富峡水电站调压井施工进行开挖过程中的超欠挖控制、安全控制、起吊设备安装及使用研究、大断面变形监测及控制技术研究，现场成果如下：
①调压井顶部40m平均超挖控制在17cm，下部超挖控制在13.7cm，达到预期效果。
②成功安装并使用轨道夸大为40m的龙门吊，在本单位尚属首例，为以后类似项目龙门吊安装及使用提供技术支持。
③大断面变形监测与控制，使本项目调压井处于安全范围之内，有力保障井内作业人员安全，施工期间未出现井壁严重变形及人员伤亡事故。
④井圈锁口混凝土、顶部灌浆等安全控制技术研究，为以后类似项目提供技术支持。
本项目调压井为非洲最大调压井，通过对该超大异形断面调压井开挖施工技术研究，现场施工进度可控，质量、安全指标完全达标，受到当地政府部门、业主单位、咨询单位的表扬，极大的提高了中国施工企业在赞比亚的影响力。
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价值工程
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