周 元，朱 博，王哲鑫，涂小兵

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

隨著中國水電企業(yè)走向世界，水電工程設(shè)計面臨著不同于國內(nèi)的氣候、水文和地質(zhì)條件。如在熱帶草原、熱帶雨林氣候的非洲和美洲，當(dāng)?shù)氐募竟?jié)主要分為雨季和旱季，不如國內(nèi)的四季分明，從而導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐慕涤旰蛷搅饔袆e于國內(nèi)的汛期和枯水期。另一方面由于地質(zhì)年代和構(gòu)造的不同，工程所在地的地形和地質(zhì)條件往往與國內(nèi)水電資源豐富的西南山區(qū)不同。因此有必要根據(jù)具體的氣候和地質(zhì)條件，對國際項目的工程設(shè)計進(jìn)行專門的分析研究。目前，國內(nèi)豎井的開挖方法主要有全斷面法、導(dǎo)坑擴挖法、中心擴孔法、反井鉆機法等，大型豎井在開挖過程中可能會遇到坍塌、巖爆等不穩(wěn)定情況[1]。針對粉質(zhì)粘土地質(zhì)條件，對雨季豎井施工的特點和方法進(jìn)行介紹和討論。

2 基本資料

2.1 概況

非洲某水電站工程區(qū)位于赤道附近，為熱帶草原氣候，年內(nèi)有兩個雨季和兩個旱季。雨季分別為3～5月、8～11月，其中8～11月是主雨季，旱季分別為12月～次年2月、6～7月，年平均降雨量為900～2 000 mm。該電站為長引水地下廠房發(fā)電，豎井直徑大、深度深，自廠房連通至地面，所處地層包括粘土層和巖層，土層采用自上而下的開挖方式，巖層采用反井鉆機進(jìn)行開挖，以下主要討論粘土地層中豎井的施工方法。

2.2 地質(zhì)條件

豎井所在位置自上而下分布有：殘積土及全風(fēng)化、強風(fēng)化、弱風(fēng)化及微風(fēng)化片麻巖層。其中：深度0～6.0 m為表層殘積土，6.0～40.0 m為全風(fēng)化土體，土體以粉質(zhì)粘土和粘土為主，土體滲透系數(shù)為1×10-4cm/s，地下水埋藏深度在11.0～14.0 m，以孔隙性潛水為主。殘積土和全風(fēng)化片麻巖土質(zhì)不均，飽和狀態(tài)下受擾動后，極易沙化、軟化變形，強度、承載力驟減。豎井地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 豎井地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section of shaft

2.3 豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計

豎井設(shè)計直徑為8.0 m，深度為108.0 m，井口為圈梁，圈梁寬1.5 m，高2.0 m，井內(nèi)無梁支撐，采用兩排直徑600 mm咬合150 mm的雙管旋噴樁作為外圍護(hù)支撐并止水[2]。井內(nèi)采用復(fù)合襯砌，初期采用鋼格柵噴混凝土與系統(tǒng)錨管進(jìn)行支護(hù)，二次支護(hù)采用80 cm厚C25混凝土襯砌，格柵沿井深方向每0.5 m一榀，豎向用?22鋼筋焊接連接，系統(tǒng)錨管則采用?42，壁厚3.25 mm，長4.5 m，環(huán)向間距1.0 m，豎向間距0.5 m，梅花狀布置。豎井結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面如圖2所示。

圖2 豎井開挖支護(hù)斷面圖Fig.2 Support system for excavating shaft

3 豎井關(guān)鍵施工方法

雨季地下水豐富，為保證豎井施工條件，首先進(jìn)行高壓旋噴樁施工，形成外圍止水，然后進(jìn)行井口圈梁、降水管井和排水設(shè)施施工。降水和排水設(shè)施完成后進(jìn)行井身土方開挖，接著進(jìn)行支護(hù)施工。

3.1 旋噴樁施工

為防止施工過程中地下水及雨水大量滲入豎井基坑，影響開挖及井壁穩(wěn)定，首先在豎井周邊采用高壓旋噴灌漿形成防滲帷幕，起到防滲和加固豎井的作用。高壓旋噴樁采用雙管法施工，成樁直徑60 cm，樁底深入隔水層3 m。旋噴樁采用普通硅酸鹽水泥，高壓水泥漿射流壓力大于20 MPa，流量60～80 L/min，提升速度為0.2～0.3 m/min，旋噴參數(shù)由試噴確定，并根據(jù)地層情況進(jìn)行調(diào)整[3]。

3.2 施工降水

雨季豎井施工的重點是降水、排水工作，豎井開挖后，井壁粘土在滲流作用下易粉化軟化和坍塌[4]。根據(jù)粘土的滲透系數(shù)和地質(zhì)條件，采取管井井點法降水，降低基坑內(nèi)地下水的水位標(biāo)高，確保每步開挖都不帶水施工。

在豎井中央設(shè)置管井井點，降水井孔徑為700 mm，井管直徑為400 mm，濾水層厚度150 mm。降水井選用鋼繩式?jīng)_擊鉆機進(jìn)行鉆孔，先根據(jù)降水井施工孔位埋設(shè)孔口護(hù)筒，護(hù)筒內(nèi)徑比鉆頭直徑大200 mm，深度穿越松土層。沖孔時實時測定和控制泥漿濃度。遇較好粘土層，采取孔內(nèi)造漿護(hù)壁，方法是在孔內(nèi)注滿清水，通過上下沖擊形成泥漿護(hù)壁，排碴并定時補漿，直至設(shè)計深度。降水井井管的制作采用鋼筋籠骨體外包濾網(wǎng)材料?；\體外包三層濾網(wǎng)，最外層為粗濾網(wǎng)，為網(wǎng)眼5 mm×5 mm鐵絲網(wǎng)，內(nèi)兩層為網(wǎng)眼1 mm×1 mm的優(yōu)質(zhì)尼龍網(wǎng)，即細(xì)濾網(wǎng)。濾網(wǎng)外用鐵絲每隔50 cm捆綁牢固。降水井安裝完成后，于井管及井壁之間填充粒徑3～15 mm的碎石，碎石沿管周均勻投放，離孔頂1.5 m范圍內(nèi)用粘土填實夯平。井管埋設(shè)完畢后，往井內(nèi)回灌清水，使用深井泵抽水洗井，直至抽出的井水清澈[5]。管井及旋噴樁布置如圖3所示。

3.3 施工排水

除豎井基坑頂面四周設(shè)置排水溝外，開挖過程中依據(jù)開挖深度及水流情況在基坑四角同時設(shè)置集水井。施工過程中保證排水通暢，隨時將集水井中的水流排出井外。在布設(shè)排水溝、集水井及確定抽水設(shè)備時，預(yù)留40%的富余量，對抽水設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)。

圖3 降水井及防滲帷幕平面布置圖Fig.3 Plane of dewatering well and grouting curtain

3.4 豎井土方開挖

豎井基坑開挖在圈梁混凝土強度達(dá)到設(shè)計80%后進(jìn)行，地面以下3m土層采用人工開挖，用井口設(shè)置的龍門架提升出碴，基坑每次開挖高度為0.5 m，開挖后及時進(jìn)行施工初期支護(hù)，保證井壁穩(wěn)定。

深層土石方開挖按“分層臺階法”進(jìn)行，豎向分層滿足安放鋼格柵的要求，水平方向從豎井兩端開始向中間靠近，每個臺階每層土方按“先中間挖槽后向兩邊擴展”的順序進(jìn)行開挖，具體開挖順序如圖4所示。

圖4 豎井分層分臺階開挖示意圖Fig.4 Excavation sequence for shaft

3.5 豎井監(jiān)測

對豎井施工期間變形進(jìn)行定期測量，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，判斷豎井開挖穩(wěn)定狀況[6]。豎井監(jiān)測內(nèi)容包括井內(nèi)凈空收斂變形、豎井地表沉降變形、旋噴樁變形等[7]。井內(nèi)收斂測樁安裝在豎井表面，開挖初期每天進(jìn)行觀測，后期改為每兩天觀測一次。使用水平儀觀測豎井周圍地表的沉降，從圖5可以看出，豎井開挖8 d后地表沉降變形趨于收斂，說明做好排水和支護(hù)措施，豎井開挖對周圍土體影響較小，豎井開挖過程保持穩(wěn)定。

圖5 豎井外沿地表沉降監(jiān)測值Fig.5 Monitored ground settlement outside shaft

4 結(jié)語

雨季施工粘土地層中的豎井時，降水和排水措施是施工的關(guān)鍵，采取管井降水法能有效降低豎井地下水位，保證干地施工。高壓旋噴樁可以在豎井周邊形成防水帷幕，起到止水作用，同時提高粘土地基的承載能力，提高井壁的穩(wěn)定性。豎井開挖嚴(yán)格控制分層高度，土層開挖按“分層臺階法”進(jìn)行，開挖后及時支護(hù)。當(dāng)做好降水和排水措施，并采用高壓旋噴樁止水防滲后，雨季豎井施工能順利進(jìn)行并保證施工質(zhì)量。