CN108397197A - 一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，包括以下步骤：步骤1：沿竖井中心轴线从地表向下开挖排水导孔，排水导孔连通下部施工通道；步骤2：进行竖井开挖支护作业；本发明解决了丰水地区土质围岩竖井开挖时，土质围岩覆盖层厚、土体透水性差，采用井点降水方法效果不理想且成本过高等问题；形成了一种简便易行、成本低廉、效果显著的降水方法，可使整个土质围岩竖井开挖工作在无水条件下进行，并取得了良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种竖井开挖方法，具体涉及一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法。
背景技术
土质围岩通常是指包括土体、全风化岩、强风化岩等不需爆破，用反铲等设备能直接挖装的围岩；对于竖井开挖，目前国内已经有了非常成熟的经验；但在非洲等雨水极其丰沛的地区，地下水位很高，土体几乎处于饱和状态；随着开挖深度的增加，井底会出现大量积水，极易造成井壁的土体失稳破坏，给竖井开挖工作造成很大困难；我们通常最易想到的办法是在竖井周围采用井点降水；但由于非洲地区土质围岩地表覆盖层一般比较厚；可达到30～60m，且土体透水性很差；存在降水效果不理想且成本过高等问题。
2015年5月，乌干达卡鲁玛水电站用于地下厂房通风排烟的1#通风竖井开始进行开挖；当时其下部通风兼安全洞已经开挖支护完毕，具备下部施工通道；竖井深90.2m，土质围岩段设计开挖直径5.3m，经附近通气孔钻孔显示：土质围岩厚度34.0m；当开挖至9.5m深时，井壁开始出现渗水；开挖至12.0m深时，由于土层整体含水量大，井壁开始出现较大渗水，土体自稳能力变差，开挖后井壁坍塌严重；至13.4m深时，井壁土层基本无自稳能力，开挖后井壁坍塌且向上延伸至已支护的井壁后形成空腔；至13.9m深度时，井底出现向上涌水且带出大量泥沙，井壁土层呈半液态，无自稳能力；继续向下开挖至14.4m深时，井壁流出的泥沙又充满井底，无法进行开挖及支护施工，竖井停工近一个月；为了降低地下水位，尽快重新开始1#通风竖井开挖，在井周采取了井点降水措施，但由于土层透水性差，降水效果不理想，开挖进度缓慢。
发明内容
本发明提供一种简便易行、成本低廉、效果显著，可使整个土质围岩竖井开挖工作在无水条件下进行的丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法。
本发明采用的技术方案是：一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，包括以下步骤：
步骤1：沿竖井中心轴线从地表向下开挖排水导孔，排水导孔连通下部施工通道；
步骤2：进行竖井开挖支护作业。
进一步的，所述步骤1中排水导孔的施工方法如下：
S1：按照设计直径进行土质围岩段排水导孔的开挖，开挖至基岩面为止；
S2：自上而下对土质围岩段排水导孔进行扩孔；
S3：在扩孔后的土质围岩段排水导孔内安装临时套管；
S4：进行基岩段排水导孔开挖，直至与下部施工通道贯通；
S5：在临时套管内安装直径小于临时套管的永久透水管；
S6：在永久透水管和扩孔后孔壁之间处进行充填料回填并取出临时套管，完成排水导孔开挖。
进一步的，所述永久透水管和扩孔后孔壁之间的充填料中，下部充填料粒径大于上部充填料；下部充填料填充完成后取出临时套管，然后再填入上部充填料。
进一步的，所述永久透水管上沿其环向设置有透水缝隙。
进一步的，所述下部充填料为粒径5～10mm的砾石或钻孔岩屑，上部充填料为2～5mm的砂子。
进一步的，所述土质围岩段排水导孔直径小于基岩段排水导孔直径；土质围岩段排水导孔直径为140mm，基岩段排水导孔直径为155mm。
进一步的，所述步骤S1中土质围岩段排水导孔的开挖通过钻具进行，根据钻进速度和返回的岩屑判断是否钻至基岩面。
进一步的，所述步骤S2中扩孔采用刮刀钻头进行。
进一步的，所述永久透水管上设置有四组缝隙，环向间距为35mm，单条缝隙长75mm，缝宽1.5mm，间距8.5mm。
进一步的，所述步骤S5中永久透水管的安装过程为分节安装，靠近基岩段排水导孔一节安装之前首先将底部扩大管径；其管径扩大到大于基岩段排水导孔直径。
本发明的有益效果是：
(1)本发明解决了丰水地区土质围岩竖井开挖时，土质围岩覆盖层厚，透水性差，采用井点降水方法效果不理想且成本过高的问题；
(2)本发明简单易行、成本低廉、效果显著；
(3)本发明能够保证整个土质围岩竖井开挖工作在无水条件下进行，取得了良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明工作原理示意图。
图2为本发明中排水导孔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2所示，一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，包括以下步骤：
步骤1：沿竖井中心轴线从地表向下开挖排水导孔1，排水导孔1连通下部施工通道；
步骤2：进行竖井开挖支护作业。
丰水地区土质围岩竖井开挖时，为了降低地下水位，沿竖井中心轴线，从地表向下钻垂直中心排水导孔1至下部施工通道，如图1所示；通过中心排水导孔1将地表与下部施工通道连通，让井内渗水、积水通过中心排水导孔1流入下部施工通道，再由下部施工通道内的专用排水设施抽排到洞外，从而保证竖井开挖工作在无水环境中进行；然后按照常规竖井开挖方法进行开挖支护作业。
具体过程如下：从地表沿竖井中心线向下部施工通道(连通洞)钻中心排水导孔1；孔径孔内设永久透水管；竖井开挖时井内积水或施工用水通过中心排水导孔1流入下部施工通道的集水坑内；同时，由于中心排水导孔1内设永久透水管2，地下水在重力作用下，产生倾斜流动，形成如图1所示的降水曲线，使地下水位低于竖井开挖作业面；地下水汇聚于中心排水导孔1内，流入下部施工通道的集水坑内；集水坑内地下水通过下部施工通道内的排水系统，经施工支洞抽排到洞外。
进一步的，所述步骤1中排水导孔1的施工方法如下：
S1：按照设计直径进行土质围岩段排水导孔1-1的开挖，开挖至基岩面为止；
S2：自上而下对土质围岩段排水导孔1-1进行扩孔；
S3：在扩孔后的土质围岩段排水导孔1-1内安装临时套管3；
S4：进行基岩段排水导孔1-2开挖，直至与下部施工通道贯通；
S5：在临时套管3内安装直径小于临时套管3的永久透水管2；
S6：在永久透水管2和扩孔后孔壁之间处进行充填料回填并取出临时套管3，完成排水导孔1开挖。
进一步的，所述永久透水管2和扩孔后孔壁之间的充填料中，下部充填料粒径大于上部充填料；下部充填料填充完成后取出临时套管3，然后再填入上部充填料。
进一步的，所述永久透水管2上沿其环向设置有透水缝隙。
进一步的，所述下部充填料为粒径5～10mm的砾石或钻孔岩屑，上部充填料为2～5mm的砂子。
进一步的，所述土质围岩段排水导孔1-1直径小于基岩段排水导孔1-2直径；土质围岩段排水导孔1-1直径为140mm，基岩段排水导孔1-2直径为155mm。
进一步的，所述步骤S1中土质围岩段排水导孔1-1的开挖通过钻具进行，根据钻进速度和返回的岩屑判断是否钻至基岩面。
进一步的，所述步骤S2中扩孔采用刮刀钻头进行。
进一步的，所述永久透水管2上设置有四组缝隙，环向间距为35mm，单条缝隙长75mm，缝宽1.5mm，间距8.5mm。
进一步的，所述步骤S5中永久透水管2的安装过程为分节安装，靠近基岩段排水导孔1-2一节安装之前首先将底部扩大管径；其管径扩大到大于基岩段排水导孔1-2直径。
卡鲁玛尾水隧洞设有4#、5#通风竖井，其底部分别与1#、2#主洞间的8#施工支洞连通洞、9#施工支洞连通洞相通；主要用于主洞开挖阶段通风排烟；地下厂房1#通风竖井的土质围岩段开挖遇到的地下水问题，给尾水隧洞项目科研人员提出了一个重要课题：如何在4#、5#通风竖井开挖时，尽量在不增加开挖成本的前提下，实现地下水位的下降，保证井壁稳定并使开挖工作在无水环境下进行，就成了两条通风竖井能否顺利开挖的关键。
在卡鲁玛水电站项目中排水导孔主要用于排除井内积水并收集排水导孔周围地下水渗水；不宜选用过大孔径，在卡鲁玛水电站工程实践中4#、5#通风竖井上部土质围岩段取D＝140mm，下部基岩段取D＝155mm；排水导孔深度H即竖井中心位置地面到下部施工通道顶部的深度，也即竖井的深度；在4#通风竖井施工中，取H＝95.78m，5#竖井取H＝93.40m。
永久透水管主要用于土质围岩段，选用PVC塑料透水套管；套管外径与导孔直径相同；在4#、5#通风竖井施工中取其直径d＝140mm；套管深度h即从地表到基岩范围内，即土质围岩竖井段均需要设置透水套管；在4#通风竖井施工中，h＝35.20m，5#竖井h＝49.07m；透水套管单节净长度L＝290cm，外径φ＝140mm，套管壁厚δ＝7mm，内丝长度和外丝长度均为6mm；套管沿导管环向有四组缝隙，环向间距为35mm，单条缝隙长75mm，缝宽1.5mm，间距8.5mm。
排水导孔结构如图2所示，导孔施工采用车载式水井钻机，具体施工过程如下：
首先探明土质围岩厚度，采用φ152mm钻具，从竖井中心线垂直向下钻进，直到钻至基岩为止；可从钻进速度和返回的岩屑情况判断是否已钻至基岩面；在4#通风竖井施工中，探明土质围岩厚度h＝35.20m；5#通风竖井土质围岩厚度h＝49.07m；φ152mm钻具钻到基岩后，退到地面取下钻具，换上φ228mm刮刀钻头，自上而下进行扩孔到基岩面；扩孔后孔径达到φ250mm，扩孔后安装临时套管，采用φ200mmPVC塑料管，壁厚9mm；临时套管安装完成后，重新换上φ152mm钻具，从基岩面向下钻进，直到与下部施工通道(连通洞)贯通，从而形成φ155mm基岩段排水导孔；土质围岩段排水导孔内的永久透水管采用φ140mmPVC塑料透水管，壁厚7mm，管壁上设有透水缝隙；最下端一节套管在放入排水导孔之前，首先将底部加热扩大管径至φ165mm；然后逐节放入孔内，直至排水导孔内永久透水管安装完成；将套管底部进行加热扩管是为了其底部直径略大于基岩段排水导孔直径，能够将其底部套在基岩段排水导孔外，避免永久透水管下沉；永久透水管安装完成后，永久透水管和扩孔后孔壁之间采用充填料回填并拔出临时套管；充填料的作用是滤除地下水中携带的泥土颗粒，防止永久透水管缝隙堵塞；充填料回填方法：首先在永久透水管与临时套管之间填入1.0m深钻孔岩屑和粒径为5～10mm的砾石，然后拔出临时套管，再用铁锹慢慢填入粒径为5～10mm的砂子；充填料填入时不可过快，以防止套管与孔壁间孔隙堵塞。
最后进行竖井开挖施工，开挖工作分上、下两部分进行；上部土质围岩开挖采用0.11m3小型挖掘机在井内直接挖装1.2m3吊篮，人工配合装渣；龙门吊提升吊篮到地面，渣料运往弃渣场；采用钢圈梁结合锚、网、喷支护；下部基岩竖井开挖采用反井钻机施工φ1.4m溜渣井，作为溜渣通道；采用YT28手风钻钻垂直孔，光面爆破；渣料通过溜渣井进入下部连通洞内，通过8#、9#施工支洞进行出渣，渣料运往弃渣场。
采用本发明的方法通过中心排水导孔降水技术与采用井点降水技术，分别进行4#、5#通风竖井土质围岩段开挖的经济效益对比情况，如表1所示。
表1.两种方法经济效益分析对比
从表1中可以看出，采用本发明方法与采用井点降水技术开挖相比，共可节约成本65.67万元；经济效益分析测算条件如下：(1)中心排水孔钻孔及井点降水钻孔均采用当地施工资源；(2)4#通风竖井土质围岩厚35.20m，5#通风竖井土质围岩厚49.07m，竖井施工准备期为1个月，土层施工进度为0.8m/天；(3)实测4#、5#通风竖井中心排水导孔渗水流量分别为5.28m3/h、4.85m3/h；(4)8#、9#施工支洞连通洞内集水坑至洞外集水井扬程分别为101.5m、68.0m，洞外集水井至沉淀池扬程分别为8.0m、12.0m；(5)根据土层深度，应采用喷射井点降水技术，按双排井点布置；参照定额，人、材、机按照实际成本及现场情况调整，其中施工用电为自发电，成本为3元/Kw·h，计算井点降水深度与定额中深度之间的偏差，按内插法取值计算。
本发明解决了丰水地区土质围岩竖井开挖时，土质围岩覆盖层厚、土体透水性差，采用井点降水方法效果不理想且成本过高等问题；形成一种简便易行、成本低廉、效果显著的降水方法，可使整个土质围岩竖井开挖工作在无水条件下进行，并取得了良好的经济效益。
Claims (10)
1.一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：沿竖井中心轴线从地表向下开挖排水导孔(1)，排水导孔(1)连通下部施工通道；
步骤2：进行竖井开挖支护作业。
2.根据权利要求1所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述步骤1中排水导孔(1)的施工方法如下：
S1：按照设计直径进行土质围岩段排水导孔(1-1)的开挖，开挖至基岩面为止；
S2：自上而下对土质围岩段排水导孔(1-1)进行扩孔；
S3：在扩孔后的土质围岩段排水导孔(1-1)内安装临时套管(3)；
S4：进行基岩段排水导孔(1-2)开挖，直至与下部施工通道贯通；
S5：在临时套管(3)内安装直径小于临时套管(3)的永久透水管(2)；
S6：在永久透水管(2)和扩孔后孔壁之间处进行充填料回填并取出临时套管(3)，完成排水导孔(1)开挖。
3.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述永久透水管(2)和扩孔后孔壁之间处的充填料中，下部充填料粒径大于上部充填料；下部充填料填充完成后取出临时套管(3)，然后再填入上部充填料。
4.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述永久透水管(2)上，沿其环向设置有透水缝隙。
5.根据权利要求3所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述下部充填料为粒径5～10mm的砾石或钻孔岩屑，上部充填料为2～5mm的砂子。
6.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述土质围岩段排水导孔(1-1)直径小于基岩段排水导孔(1-2)直径；土质围岩段排水导孔(1-1)直径为140mm，基岩段排水导孔(1-2)直径为155mm。
7.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述步骤S1中土质围岩段排水导孔(1-1)的开挖通过钻具进行，根据钻进速度和返回的岩屑判断是否钻至基岩面。
8.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述步骤S2中扩孔采用刮刀钻头进行。
9.根据权利要求4所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述永久透水管(2)上设置有四组缝隙，环向间距为35mm，单条缝隙长75mm，缝宽1.5mm，间距8.5mm。
10.根据权利要求2所述的一种丰水地区超厚土质围岩竖井开挖方法，其特征在于，所述步骤S5中永久透水管(2)的安装过程为分节安装，靠近基岩段排水导孔(1-2)一节安装之前首先将底部扩大管径；其管径扩大到大于基岩段排水导孔(1-2)直径。
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