某抽水蓄能電站引水上斜井開(kāi)挖施工方案研究

王 爽，周培勇

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335）

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

某抽水蓄能電站，布置6 臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量350 MW，工程總裝機(jī)規(guī)模為2100 MW；電站樞紐建筑物組成主要為上下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等。引水系統(tǒng)布置型式為三洞六機(jī)斜井式布置，本文主要對(duì)引水上半段施工進(jìn)行介紹，主要包括上庫(kù)進(jìn)出水口、引水上平洞、上斜井和中平洞前半段。上斜井開(kāi)挖斷面采用圓形斷面，斷面直徑7.0 m，斜井長(zhǎng)約430.0 m，傾斜角度58°，上部高程915.0 m，下部高程545.0 m，總高差370.0 m，中間不設(shè)施工支洞[1]。該斜井長(zhǎng)度是目前國(guó)內(nèi)在建抽水蓄能電站最長(zhǎng)的斜井之一，角度較陡，巖石強(qiáng)度極高，施工難度特別大。引水隧洞上半段井面布置型式見(jiàn)圖1。

圖1 引水隧洞上半段平面布置圖

1.2 地質(zhì)情況

本工程上斜井自上而下穿越的巖體分別為流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)含礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，從地質(zhì)鉆孔資料來(lái)看，上斜井暫無(wú)較大斷層及節(jié)理裂隙，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體整體表現(xiàn)較為完整，局部完整性差。斜井位于地下水位線以下，巖體為弱～微透水性，洞段開(kāi)挖后以滲水、滴水為主[2]。上斜井所處圍巖以II類為主，主要巖石物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 主要巖石物理力學(xué)指標(biāo)

2 引水上斜井導(dǎo)井施工

2.1 施工方案

2.1.1 先導(dǎo)孔及導(dǎo)井設(shè)計(jì)

該抽水蓄能電站1 #、2 #上斜井開(kāi)挖斷面直徑為7.0 m，導(dǎo)井直徑為2.0 m，首先采用直徑為216 mm的定向鉆機(jī)進(jìn)行先導(dǎo)孔鉆透；接著采用直徑為295 mm鉆頭進(jìn)行定向鉆反拉擴(kuò)孔；最后進(jìn)行導(dǎo)井反擴(kuò)施工，導(dǎo)井直徑2.0 m，設(shè)備選用反井鉆機(jī)。當(dāng)先導(dǎo)孔鉆孔圓心、導(dǎo)井圓心與斜井圓心距離1.5 m時(shí)，可便于后期溜渣；爆破時(shí)導(dǎo)井上部產(chǎn)生的石渣沿導(dǎo)井下落，需人工清理的僅為導(dǎo)井下部的殘?jiān)?，人工扒渣量在擴(kuò)挖施工期大大減少，從而有效縮短了循環(huán)時(shí)間，使斜井整體施工工期大大縮短。具體先導(dǎo)孔及導(dǎo)井位置見(jiàn)圖2。

圖2 先導(dǎo)孔及導(dǎo)井位置（單位：m）

2.1.2 擴(kuò)孔方案選擇

依據(jù)工程實(shí)踐，為滿足反井鉆機(jī)施工所需要的洞孔直徑，利用定向鉆機(jī)完成直鉆孔施工后，需完成導(dǎo)孔施工，通常利用兩種方式進(jìn)行擴(kuò)孔刷大：一是定向鉆機(jī)由下往上反向刷大，二是反井鉆機(jī)由上往下直接刷大。

當(dāng)定向孔直徑與刷大導(dǎo)孔直徑相差超過(guò)75 mm，長(zhǎng)豎井所處工程地質(zhì)條件為堅(jiān)硬巖層以及巖石的抗壓強(qiáng)度大于120 MPa，斜井斜長(zhǎng)大于200 m時(shí)，可優(yōu)先選用定向鉆機(jī)由下往上刷大方案。當(dāng)定向孔直徑與刷大導(dǎo)孔直徑相差小于75 mm，長(zhǎng)豎井所處工程地質(zhì)條件為沉積巖以及巖石抗壓強(qiáng)度小于120 MPa，斜井斜長(zhǎng)小于200 m時(shí)，可優(yōu)先選用反井鉆機(jī)由上往下直接刷大方案。

引水斜井所處部位的巖體抗壓強(qiáng)度范圍為148 MPa～231 MPa，為堅(jiān)硬巖體，三牙輪鉆頭掌片易損壞脫落，當(dāng)采用反井鉆機(jī)由上往下擴(kuò)孔時(shí)，會(huì)存在刷大的巖石體積較大的問(wèn)題，且斜井較長(zhǎng)，易造成堵孔、埋鉆、蹩鉆等問(wèn)題，通過(guò)定向鉆由下往上刷大能有效修正導(dǎo)孔軌跡，綜合考慮，確定該引水斜井導(dǎo)井?dāng)U孔方案選用定向鉆由下往上刷大的方法。

2.1.3 設(shè)備選型

導(dǎo)孔鉆透后，拆除定向鉆，安裝反井鉆進(jìn)行導(dǎo)孔掃孔。

根據(jù)導(dǎo)井?dāng)U孔直徑、斜井長(zhǎng)度、斜井傾角及斜井所處圍巖巖體的抗壓強(qiáng)度、巖石硬度等參數(shù)對(duì)反井鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行初步選型，經(jīng)對(duì)鉆機(jī)主要參數(shù)驗(yàn)算合格后，再確定反井鉆機(jī)設(shè)備型號(hào)。本工程巖石抗壓強(qiáng)度取170 MPa左右，最大鉆進(jìn)深度430 m、鉆孔直徑2.0 m，初步選擇ZFY3.5/150/500反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)孔掃孔，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，鉆機(jī)最大拉力為2945.0 kN，扭矩為54.7 kN·m時(shí)，即可滿足施工要求。

在水電系統(tǒng)豎井與斜井的施工中，ZFY3.5/150/500 反井鉆機(jī)應(yīng)用較廣泛；擴(kuò)孔速度在中硬巖中可達(dá)到8m/d，施工特點(diǎn)表現(xiàn)為成井速度較快、相對(duì)施工安全性較好。ZFY3.5/150/500 反井鉆機(jī)的最大拉力為4300 kN，其額定扭矩為120 kN·m，可以滿足該工程的施工需求，因此進(jìn)行擴(kuò)孔施工時(shí)選用該反井鉆機(jī)，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ZFY3.5/150/500反井鉆機(jī)參數(shù)表

2.2 施工工藝

首先進(jìn)行施工準(zhǔn)備（風(fēng)、水、電的布置等），定向鉆的安裝與調(diào)試以及輔助設(shè)施布置等；選用Ф216 mm的定向鉆正向鉆進(jìn)，中平洞上游面開(kāi)挖完成后安裝磁導(dǎo)向儀，進(jìn)行正導(dǎo)孔下部的100 m鉆孔施工；透孔后，在中平洞更換鉆頭，反擴(kuò)鉆進(jìn)完成Ф295 mm導(dǎo)孔；接著進(jìn)行定向鉆機(jī)的拆除以及反井鉆機(jī)的安裝與調(diào)試，由反井鉆機(jī)自下而上進(jìn)行導(dǎo)孔掃孔，完成Ф2 m導(dǎo)井。引水斜井導(dǎo)井具體施工工藝見(jiàn)圖3。

2.3 注意事項(xiàng)

（1）ZFY3.5/150/500反井鉆機(jī)擴(kuò)孔期間，中平洞應(yīng)做好警戒防護(hù)，除值班人員外所有人員嚴(yán)禁進(jìn)入該洞段，值班人員在觀察存渣時(shí)，離透孔中心點(diǎn)距離不小于10 m。

圖3 斜井導(dǎo)井施工工藝

（2）反井鉆機(jī)鉆頭擴(kuò)孔至基礎(chǔ)2.5 m時(shí)，要降低鉆壓，慢速鉆進(jìn)，認(rèn)真觀察，如果基礎(chǔ)周圍出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，要及時(shí)采取措施處理，繼續(xù)緩慢進(jìn)行擴(kuò)孔，直至鉆頭露出地面[3]。

3 引水上斜井?dāng)U挖支護(hù)施工

三條引水上斜井的施工同時(shí)進(jìn)行，每條斜井的爆破擴(kuò)挖均設(shè)置1套擴(kuò)挖臺(tái)車與運(yùn)輸小車進(jìn)行同步作業(yè)施工。

3.1 施工方法與工藝

當(dāng)引水上斜井導(dǎo)井開(kāi)挖完成，且擴(kuò)挖準(zhǔn)備工作完成后，進(jìn)行引水上斜井的擴(kuò)挖支護(hù)施工，施工采用自上而下的方法進(jìn)行。引水上斜井上彎段擴(kuò)挖施工完成后，在上平洞進(jìn)行擴(kuò)挖臺(tái)車的組裝，同時(shí)人工繼續(xù)向下擴(kuò)挖。組裝好的擴(kuò)挖臺(tái)車在擴(kuò)挖深度滿足臺(tái)車就位且不受爆破影響后，下放至斜井直線段起點(diǎn)固定，并開(kāi)始安裝上彎段鋼平臺(tái)、擴(kuò)挖臺(tái)車、運(yùn)輸小車提升系統(tǒng)等，待設(shè)備全部安裝完畢后開(kāi)始斜井?dāng)U挖施工。上彎段在安裝鋼平臺(tái)期間，斜井下不允許作業(yè)，須停止斜井?dāng)U挖施工。具體施工工藝流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 引水上斜井?dāng)U挖施工工藝流程圖

3.2 爆破與堵井處理

3.2.1 爆破

斜井從上至下采用一次擴(kuò)挖成型，擴(kuò)挖鉆孔設(shè)備選用孔徑Ф42 mm的手風(fēng)鉆。斜井上彎段爆破孔除部分周邊孔孔向按照設(shè)計(jì)斷面變化內(nèi)傾外，總體平行于斜井軸線；當(dāng)爆破孔與斜井軸線平行時(shí)，孔深設(shè)計(jì)為2.5 m，周邊孔控制在0.5 m～2.5 m之間，循環(huán)進(jìn)尺控制在2.0 m左右。斜井彎段底板部分巖石出現(xiàn)欠挖時(shí)采用破碎錘開(kāi)挖。直線段爆破孔孔向平行于軸線，孔深設(shè)計(jì)為3.5 m，循環(huán)進(jìn)尺控制再3.0m左右；周邊為光面爆破，爆破孔間距設(shè)計(jì)為0.5 m。斜井爆破按照從導(dǎo)井至設(shè)計(jì)面的順序逐圈進(jìn)行起爆。輔助孔布置于斷面中部，輔助孔及周邊孔采用藥卷直徑為25 mm，周邊孔裝藥量控制在300g/m左右。斜井?dāng)U挖爆破后，上平洞石渣可直接進(jìn)入導(dǎo)井溜至中平洞，下平洞少量石渣需人工扒渣至導(dǎo)井。為防止堵井，爆破過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和爆破效果隨時(shí)對(duì)開(kāi)挖爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 堵井處理

調(diào)查相似工程案例發(fā)現(xiàn)堵井原因主要有以下幾種：①溜渣導(dǎo)井的斷面較小，稍大體積巖石都較難下落，造成堵井。②施工過(guò)程中，爆破人員未嚴(yán)格按爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行爆破，或者爆破參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，使爆破形成超徑石而造成堵井。③當(dāng)溜渣井遇到地質(zhì)條件較差的情況時(shí)，爆破或溜渣過(guò)程中可能存在塌方而造成堵井。④斜井下部集渣區(qū)空間太小或出渣不及時(shí)，堆渣積壓密實(shí)造成堵井。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，考慮到上述斜井溜渣導(dǎo)井堵井的原因，本工程主要采取以下措施預(yù)防溜渣導(dǎo)井堵井，具體如下：

①減小單次排渣量，嚴(yán)格控制單循環(huán)進(jìn)尺；增加各段位的延遲時(shí)間，降低堵井的幾率，嚴(yán)格控制鉆孔的間排距、炮孔間距密度，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理裝藥，周邊炮孔間排距控制不大于50 cm，爆破后，最大石渣塊度不大于井徑的1/3。

②用非電半秒延期雷管合理分段延期爆破，加大各段雷管起爆間隔時(shí)間，以避免爆破后石渣集中擠壓堵井。

③針對(duì)循環(huán)爆破的次數(shù)，依據(jù)溜渣井下部容渣空間來(lái)計(jì)算，并結(jié)合出渣時(shí)機(jī)合理爆破，及時(shí)出渣，避免因出渣不及時(shí)而使堆渣量超過(guò)容渣量導(dǎo)致堵井的情況。

④扒渣時(shí)，應(yīng)注意觀察導(dǎo)井內(nèi)的風(fēng)向及氣流，防止堵井后繼續(xù)下渣導(dǎo)致導(dǎo)井全部堵死從而無(wú)法處理的情況。

⑤防止錨桿及掛網(wǎng)鋼筋等材料落入溜渣井，造成堵井。

導(dǎo)井如被封堵的比較松散，且封堵石渣為小粒徑，可采取高壓水沖法；導(dǎo)井如被封堵的比較密實(shí)且封堵石渣為大粒徑，則必須采用爆破的方式進(jìn)行處理。

3.3 支護(hù)參數(shù)

引水上斜井支護(hù)型式包括施工系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土面層，具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 引水上斜井支護(hù)參數(shù)

3.4 注意事項(xiàng)

（1）為確保斜井?dāng)U挖無(wú)欠挖，做到全線貫通，可采用測(cè)量?jī)x器對(duì)斜井前60 m直接進(jìn)行測(cè)量導(dǎo)向；斜井?dāng)U挖超過(guò)60 m以后，可采用較精確的激光指向儀進(jìn)行測(cè)量定位。

（2）采用超前錨桿支護(hù)與掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土處理擴(kuò)挖過(guò)程中遇到的斷層，當(dāng)沿?cái)鄬訋r體蝕變明顯時(shí)，擴(kuò)挖應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、早封閉、強(qiáng)支護(hù)”的原則進(jìn)行施工，盡量避免施工事故的發(fā)生[4]。

4 結(jié)論

（1）先導(dǎo)孔鉆孔圓心及導(dǎo)井圓心位置距離斜井圓心1.5 m，方便后期溜渣，能減少擴(kuò)挖施工期人工扒渣量，縮短了循環(huán)時(shí)間與整體工期。

（2）綜合考慮導(dǎo)井?dāng)U孔直徑、井深長(zhǎng)度、傾角及圍巖巖體抗壓強(qiáng)度，本工程引水斜井導(dǎo)井?dāng)U孔方案選用ZFY3.5/150/500 反井鉆機(jī)由下往上刷大的方法。

（3）本工程導(dǎo)井直徑2 m，導(dǎo)井?dāng)嗝娲?，斜井?dāng)U挖爆破后塊度較小，施工過(guò)程中只要施工組織合理，出渣及時(shí)，導(dǎo)井堵井的幾率很小。