巴貢水電站引水隧洞豎井開挖施工

丁勇

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概述

巴貢水電站引水隧洞共8條，單洞長537.55～590.014m，共4503.684m。每條洞均由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、漸變段和鋼襯段組成。洞間軸線距離21～25m，設計開挖洞徑11.1～8.4m，洞間巖柱距離9.9～16.6m，具有洞室多、開挖洞徑大、洞間距離小等特點。引水隧洞布置見圖1。隧洞豎井開挖斷面為圓形。除豎直段開挖外，還包括一部分上、下彎段開挖。豎井開挖高度為81.56(1號)～86.94m(8號)，高程130m以上開挖直徑為9.9m，其下為10.1m。圍巖為Ⅱ～Ⅲ類，主要為砂巖，其次是砂/頁巖互層。

豎井開挖施工主要內容包括:

圖1 巴貢水電站引水隧洞布置示意圖

2 反井鉆機施工位置選址和上彎段開挖方案

為方便施工，將豎井開挖的導井位置選擇在豎井的中軸線上。巴貢水電站引水隧洞上下彎段均為85°，彎度大、坡度陡，豎井施工須包括部分上下彎段，反井鉆機施工平臺選址在上彎段。根據所選用的、由中國煤建公司生產的LM200型反井鉆機外形尺寸和安裝、操作空間，反井鉆機的施工高度需4.5m，上彎段將會造成一定的技術性超挖。

如何減少上彎段技術超挖，快捷完成以進行反井鉆機導井施工，在綜合考慮隧洞彎段施工主要選用的施工設備的回轉半徑、動臂長度、高度、爬坡能力等參數和施工鋼平臺高度后，在上平段下臺階均不開挖的條件下，主要有兩種施工方案可供選擇:

方案一:在開挖至隧洞上彎段后，下臺階降坡30%，彎段頂部適度擴挖，見圖2中虛線部分。

圖2 引水隧洞上彎段及豎井導井開挖示意圖

方案二:在上臺階開挖至距離彎段起始線15 m時，以26%的坡度進行底板降坡開挖，至上彎段起始線后38m與豎井中軸線交叉的位置，平直開挖一個長×寬×高為7.69m×4m×4.5m的、供反井鉆機施工用的孔洞，見圖2上部直線部分。

巴貢水電站引水隧洞在8號隧洞上彎段開挖施工選用的是方案一，后加以改進選用了方案二。方案二除在上彎段和反井鉆機施工洞的開挖工期稍長外，對后期豎井施工便捷，超挖量小，效益高。實施過程中，又在方案二的基礎上，綜合比較了上平段的下臺階開挖與否對豎井開挖的影響。上平段距離短，開挖工期短，則開挖下臺階后，豎井施工空間更大、坡度小，更利于發(fā)揮反鏟等施工設備在整個彎段施工中的效率并便于后期輔助系統(tǒng)的施工，超挖更小。若上平段較長，則從上平段中間某段開挖下臺階，留一長緩的坡度，在上彎段創(chuàng)造足夠大的空間以利于后期豎井施工。

表1 方案一與方案二比較表

3 反井鉆機施工導井

巴貢水電站引水隧洞豎井導井施工選用的設備是由中煤礦山工程有限公司生產的LM－200型反井鉆機。在上彎段反井鉆機施工洞形成后，安裝鉆機進行導井施工。

3.1 LM－200型反井鉆機

該機包括主機、操作車、泵站、鉆具、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。泵站由兩臺電機驅動，主油泵75kW，輔油泵7.5kW，導孔鉆進循環(huán)用泥漿泵為90kW，冷卻系統(tǒng)循環(huán)量為為10～15m3/h。該機設計最大鉆井深度200m(已改進至最大鉆進深度316m)，工程鉆井直徑1.4～2m。

巴貢水電站隧洞采用的LM－200型反井鉆機的主要技術參數見表2。

表2 反井鉆機主要技術參數表

3.2 反井鉆機施工導井工藝

反井鉆機是連續(xù)鉆進導井的機械設備，其施工工藝是將反井鉆機安裝在上部已澆筑好的混凝土基礎上，由上向下鉆進導向孔，導孔和下部隧洞貫通后，拆掉導孔鉆頭，連接擴孔鉆頭，由下向上擴孔成直徑為1.4m的導井。導孔鉆進時破碎下來的巖屑由循環(huán)液帶出至井口，擴孔時破碎下來的巖屑落到下彎段工作面(圖3)。主要施工程序:

(1)反井鉆機工作平臺開挖(施工洞)。

(2)澆筑C25混凝土基礎，預留地腳螺栓孔的位置。

(3)反井鉆機安裝。

(4)澆筑鉆機地腳螺栓二期混凝土。

(5)系統(tǒng)調試運行。

(6)φ216中導孔鉆進(斷層破碎帶處理)。

圖3 LM－200型反井鉆機及施工示意圖

(7)拆導孔鉆頭，安裝φ1400擴孔鉆頭。

(8)擴孔鉆進和下彎段出渣。

3.3 反井鉆機施工的主要注意事項

(1)采用防斜措施，控制導孔偏斜率:選擇適宜的鉆進參數(根據巖石情況和鉆進距離實時調整鉆壓、鉆速等);增設穩(wěn)定鉆桿;泥漿參數控制;測量測斜控制導孔偏斜率。中導孔是反井鉆機施工的關鍵，關系到整個鉆井工作的成敗。

(2)斷層破碎帶處理:在導孔鉆進過程中，應對斷層進行處理。根據鉆進過程觀察，到斷層時，加大循環(huán)量，在將斷層中泥質部分沖洗干凈后，提鉆進行灌漿處理:采用水灰比為2∶1的漿液開灌，逐級增大漿液濃度，至0.5∶1結束灌漿;然后重新鉆進導孔。當通過全部斷層和其影響帶后，再將鉆具提出，用水灰比為1∶1的漿液進行全孔灌漿，以增強地層穩(wěn)定性和封堵部分地層涌水，最后繼續(xù)鉆進貫通。

反井鉆機因其施工安全、工作效率高、工程質量好、操作簡單、工人勞動強度低、綜合效益顯著等特點已廣泛運用于隧洞豎井施工。巴貢水電站引水隧洞在巖石堅硬(灰砂巖，硬度250MPa)、砂頁巖互層、斷層破碎帶較多的條件下施工導井，8條豎井平均導孔鉆速為0.66m/h，平均擴孔速度為0.28m/h，導井平均偏斜率為0.27%。

4 導井擴挖

巴貢水電站引水隧洞豎井開挖直徑為9.9 m/10.1m，導井直徑為1.4m。在第一條4#豎井的上彎段擴挖過程中，曾發(fā)生兩次堵塞導井現(xiàn)象。仔細檢查和研究了堵井原因并非炮孔孔距大造成大石堵塞，主要是因為在全斷面漏斗型擴挖施工中爆破后大量石渣同時溜下導井，由于導井不夠大，石渣擁擠在一起而造成堵井。若豎井擴挖斷面采用平直或小傾角鉆爆擴挖方式，則扒渣量大且危險。綜合評定后，采用了擴大導井的解決方案(圖4)。

圖4 豎井導井自下而上擴挖鉆爆示意圖

反井鉆機施工完成的導井井壁平整，自下而上鉆爆擴挖比較安全;炮渣直接落至下彎段，不需扒渣和支護。為此，特制了導井擴挖施工吊籃，將用天錨、卷揚機組成的提升系統(tǒng)放進φ1.4m的導井施工。

爆破孔沿圓心成放射狀布設，水平向下傾角為17°，孔徑選用42mm;根據圍巖條件每排(圈)布炮孔8～10個，上下排距0.8～1m。鉆孔先短鉆桿開孔，后逐步換長鉆桿(后期改進了此法，采用特制的連接套筒接長)鉆進孔深120～160cm;鉆完炮孔后，采用非電毫秒雷管配裝φ32卷裝乳化炸藥入炮孔，采用非電毫秒雷管孔內孔外微差順序起爆技術，排間自下至上用非電雷管微差連接8排，用導爆索引至導井口爆破。如此將φ1.4 m導井擴成φ3.4～4m。

在φ1.4m的狹小空間內，起爆網絡容易被爆破沖擊波振動破壞，造成盲炮。因此，采用炮孔內放高段位雷管、孔外排間連接低段位雷管，待孔外起爆網絡傳爆完畢，第一排炮孔才起爆。

巴貢水電站引水隧洞擴挖一條85m高的豎井導井需5～6d。豎井中間的導井擴挖至φ3.4～4m后，再采用35%坡度漏斗型全斷面擴挖豎井至設計斷面，這樣實施具有以下特點:

(1)導井較大，避免了巖石堵井。

(2)導井較大，增大了爆破的臨空面，炮孔爆破率可提高到95%。

(3)導井較大，根據圍巖情況，炮孔間排距適當擴大，孔數減少，爆破進尺提高到2.7m或3.7 m/排(原設計為2m/排)。

(4)爆破后大部分爆渣通過導井下溜至下彎段，人工扒渣時間減至3h(導井擴挖前，同樣人工的扒渣時間為10h左右)。

顯著縮短了全斷面擴挖的單循環(huán)時間，搶回了擴挖導井損失的工期，實際上還縮短了單條豎井開挖總工期，降低了單條豎井的火工材料耗量。

5 豎井全斷面擴挖

豎井的導井擴挖完成后，即進行全斷面擴挖，中間穿插豎井平臺、井蓋、鋼梯、休息平臺、風水電和噴護管線的安裝/延伸等輔助系統(tǒng)的施工。豎井全斷面擴挖施工單循環(huán)的主要工序包括:測量、鉆爆、扒渣、支護(圖5)。

(1)測量。在上下彎段的擴挖過程中，需用全站儀測放開挖線并檢查超欠挖情況;進入豎直段，斷面半徑已知，只需定出中軸線，再在中軸線上吊鉛垂線。

(2)鉆爆。在測量放出開挖線后進行鉆爆施工。鉆爆工器具通過井蓋(工具籃)先放下至施工面蓋住導井，施工人員通過鋼梯到工作面。巴貢水電站豎井開挖采用漏斗型開挖方法，即沿豎井的周邊向圓心傾斜35%，以利于爆破后炮渣自行下漏入導井。根據圍巖狀況確定每排炮進尺(3m/4m鉆桿)，手風鉆鑿孔，裝φ25、φ32的卷裝乳化炸藥，10g/m的導爆索孔內起爆，排間從內到外連接非電雷管進行微差爆破。

(3)扒渣。炮煙散盡后，放下井蓋，扒渣人員通過鋼梯，配好安全防護用品后進入工作面扒渣。施工面較傾斜，大部分渣已經通過導井溜至下彎段，人工扒渣量不大。

圖5 豎井全斷面擴挖示意圖

(4)支護。支護是保障豎井安全施工的關鍵，支護過程中豎井下彎段同時進行出渣工作。巴貢水電站隧洞豎井整體圍巖較好，部分洞段巖石較破碎，每排炮后根據圍巖狀況選擇錨噴(錨桿+素噴混凝土)或掛網噴護(錨桿+網片+噴混凝土)。支護工序占單循環(huán)開挖時間較長，錨桿鑿孔穿插在鉆爆過程中完成，灌注錨桿和掛網工序在扒渣工作中進行，加強支護工序的搭接以縮短單循環(huán)時間。

6 結語

巴貢水電站引水隧洞豎井的開挖，反井鉆機鉆導井時間平均為18d/條，一次全斷面擴挖導井為5.5d/條，二次全斷面擴挖為35d/條，單條豎井施工時間為60d左右。8條豎井施工質量控制較好，無一生產安全事故發(fā)生。實踐證明，該施工方法是成功的，獲得了良好的經濟效益。