厄瓜多爾索普拉多拉水電站343 m 超深高壓豎井開挖支護(hù)施工技術(shù)研究

閆平，黃傳庚

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 工程概況

索普拉多拉水電站位于南美洲厄瓜多爾國境內(nèi)，是保特河流域上的重要梯級(jí)，為地下廠房式發(fā)電站。水電站由三臺(tái)混流式發(fā)電機(jī)組成，發(fā)電水頭為375.6 m，單機(jī)容量162.6 MW，總裝機(jī)容量487.8 MW。

電站由高壓豎井連接引水隧洞上平段與埋深430 m 的地下廠房。豎井設(shè)計(jì)斷面為圓形，開挖典型斷面直徑為7.3～6.2 m，垂直開挖高度343.76 m。地質(zhì)資料顯示無大斷層通過，圍巖整體穩(wěn)定，巖石強(qiáng)度為40～60 MPa，具備較好的成洞條件。

2 開挖支護(hù)施工方案

2.1 開挖支護(hù)總體方案的確定

高壓豎井開挖采用“反井鉆機(jī)導(dǎo)井法”和“人工溜渣井+自上而下擴(kuò)挖”的施工方法。首先采用BMC400型反井鉆機(jī)造φ270導(dǎo)向孔，接著由反井鉆機(jī)自下而上進(jìn)行φ1.4 m 導(dǎo)井開挖，然后由人工自上而下對(duì)導(dǎo)井進(jìn)行擴(kuò)挖形成φ3.4 m 溜渣井，最后由人工自上而下進(jìn)行φ7.3 m 豎井全斷面擴(kuò)挖及支護(hù)施工。

鑒于豎井深度達(dá)343.76 m，且因巖層走向和硬度變化、地質(zhì)缺陷等潛在因素影響，是否能夠豎直開挖至底部與引水隧洞下平段準(zhǔn)確連接非常重要。為此，豎井開挖前，制定了兩套開挖施工方案。方案一:釆取豎井全高一段開挖;方案二:增加水平支洞，分段進(jìn)行豎井開挖方案。

(1)方案一:豎井全高一段開挖支護(hù)。

采用反井鉆機(jī)全高一段完成豎井導(dǎo)孔鉆設(shè)和導(dǎo)井?dāng)U挖施工。由于反井鉆機(jī)的偏斜率不超過井深的1%，即導(dǎo)孔鉆設(shè)完畢，與引水隧洞下平段的中心線水平最大偏差不超過約3.44 m。若控制得當(dāng)，此偏差會(huì)更小。該方案的優(yōu)點(diǎn)是反井鉆機(jī)、開挖提升系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施僅需安置和拆卸一次，既節(jié)省了豎井施工的直線工期，且不增加支洞費(fèi)用。難點(diǎn)主要是反井鉆機(jī)偏斜率的精度控制要求非常高，要求在1%偏斜率的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步減小偏差。若第一次導(dǎo)孔鉆設(shè)偏斜率較大而成為廢孔，則重新鉆設(shè)導(dǎo)向孔需增加豎井直線工期;其次是豎井?dāng)U挖提升系統(tǒng)的施工安全管理難度較大。

(2)方案二:增加水平支洞，分段進(jìn)行豎井開挖支護(hù)。

增加一條330 m 長(zhǎng)的水平支洞(5 m×5 m，城門洞型)至343.76 m 豎井中段，將超深豎井分兩段施工，上段豎井深106.33 m，下段豎井深237.43 m。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)是按照BMC400型鉆機(jī)不超過1%井深的偏斜率，可以控制豎井與引水隧洞下平段準(zhǔn)確連接，從而降低了因?qū)Э灼边^大、重新鉆設(shè)的工期風(fēng)險(xiǎn);其次是豎井分段施工后，擴(kuò)挖提升系統(tǒng)的安全管理難度較小。但由于需增加支洞、增加預(yù)算費(fèi)用且因豎井要分兩段施工，反井鉆機(jī)、開挖提升系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施的拆卸和安置各增加1次，均需增加豎井的直線工期。

綜合考慮以上因素和分析結(jié)果，決定采用方案一進(jìn)行超深高壓豎井的施工。

2.2 導(dǎo)向孔和導(dǎo)井施工

采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)向孔和導(dǎo)井施工。反井鉆機(jī)就位后從上往下鉆設(shè)導(dǎo)向孔(φ270)，然后自下而上進(jìn)行導(dǎo)井(φ1.4 m)擴(kuò)孔施工。導(dǎo)向孔鉆進(jìn)過程中，定期采用測(cè)斜儀測(cè)斜，及時(shí)掌握導(dǎo)向孔偏斜度，發(fā)現(xiàn)異常情況采取加設(shè)穩(wěn)定桿、控制鉆進(jìn)速度、控制鉆機(jī)水平度等措施進(jìn)行糾偏。導(dǎo)向孔和導(dǎo)井施工方法見圖1。

中國鉀鹽資源的匱乏，不僅使中國在國際市場(chǎng)中受到擠壓，同時(shí)也是中國糧食安全的掣肘之痛。不管從資源稟賦、利用價(jià)值還是開發(fā)環(huán)境，鉀肥對(duì)于中國來說都是稀缺資源。解決兩者之間的矛盾，是“鹽湖人”對(duì)于資源發(fā)自內(nèi)心的有一種敬畏之心，也必然使資源開發(fā)以合理、適度、資源最大化為前提。

圖1 導(dǎo)向孔和導(dǎo)井施工方法示意圖

圖2 溜渣井及全斷面擴(kuò)挖施工示意圖

2.3 溜渣井及全斷面擴(kuò)挖施工

溜渣井(φ3.4 m)采用從下往上分段鉆爆的方法進(jìn)行施工，每12 m 為一段，全井分28段進(jìn)行擴(kuò)挖。溜渣井?dāng)U挖采用小型施工吊籃作為施工平臺(tái)，吊籃采用10 t 卷揚(yáng)機(jī)牽引，吊點(diǎn)設(shè)在豎井正上方，吊籃設(shè)兩層，每層容一人，采用氣腿鉆在導(dǎo)井井壁上鉆設(shè)略下傾的水平孔，水平孔間排距為0.8 m，鉆孔深度1.15 m。

豎井全斷面(φ7.3 m)擴(kuò)挖采取“豎直造孔，周邊光爆”的方法進(jìn)行，單循環(huán)爆破進(jìn)尺3 m 左右。光爆參數(shù)通過試驗(yàn)確定并隨施工過程逐步進(jìn)行優(yōu)化。溜渣井?dāng)U挖及全斷面擴(kuò)挖施工方法見圖2。

2.4 支護(hù)施工

為確保支護(hù)施工緊跟全斷面擴(kuò)挖施工，需加工一支護(hù)施工平臺(tái)(圖2、3)。錨桿采用TY-28手風(fēng)鉆造孔，MZ-1注漿機(jī)注漿，人工安裝。

噴混凝土料采用溜料管(φ200鋼管)溜至支護(hù)工作平臺(tái)上的集料斗，小型濕噴機(jī)施噴。

圖3 豎井大吊籃施工平臺(tái)示意圖

3 垂直運(yùn)輸方案

3.1 垂直運(yùn)輸方案的確定

豎井垂直運(yùn)輸配備一臺(tái)10 t 主卷揚(yáng)機(jī)和兩臺(tái)5 t 副卷揚(yáng)機(jī)，溜渣井?dāng)U挖的小吊籃采用10 t 主卷揚(yáng)機(jī)牽引。由于豎井深度達(dá)343.76 m，故垂直運(yùn)輸?shù)陌踩陵P(guān)重要。經(jīng)研究確定了采用升降吊籃的方案合理可行，安全度較高。

3.2 垂直運(yùn)輸方案

本工程垂直運(yùn)輸采用升降吊籃方案，吊籃采用卷揚(yáng)機(jī)牽引，卷揚(yáng)機(jī)布置在上平段距豎井中心約30 m 處。在井口正上方設(shè)置承重橫梁，鋼絲繩由卷揚(yáng)機(jī)發(fā)出經(jīng)安裝在承重橫梁上的定滑輪轉(zhuǎn)入井內(nèi)與吊籃相連。鋼絲繩分主繩(φ28)和穩(wěn)繩(φ21.5)兩種，定制卷繩長(zhǎng)度為400 m。主繩由中間的10 t 主卷揚(yáng)機(jī)牽引，與吊籃相連;穩(wěn)繩由兩邊的5 t 副卷揚(yáng)機(jī)牽引，與吊籃下方的支護(hù)施工平臺(tái)相連。為防止吊籃打轉(zhuǎn)，穩(wěn)繩須通過從吊籃外側(cè)伸出的滑輪。在豎井井口架設(shè)人行棧橋，人行棧橋中間的預(yù)留孔供通行。

支護(hù)施工平臺(tái)下方設(shè)安全蓋，由可自由調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的鋼索懸掛在支護(hù)平臺(tái)下方，用于堵住溜渣井井口，確保施工安全，安全蓋兼作支護(hù)施工平臺(tái)的配重(圖4)。

4 施工中的難點(diǎn)、重點(diǎn)及對(duì)策

4.1 導(dǎo)孔鉆孔精度控制

豎井導(dǎo)井施工成敗的關(guān)鍵在于導(dǎo)孔鉆孔的精度控制。高壓豎井深約371 m，開挖洞徑7.3 m，終孔偏差率要保證不大于1%，否則將成為廢孔。導(dǎo)孔偏斜度糾偏常采用的有效方法為勤測(cè)孔斜、回填高強(qiáng)混凝土(并等強(qiáng))重新鉆進(jìn)、中部加穩(wěn)定桿、控制鉆速和鉆機(jī)的水平度等。

4.2 不良地質(zhì)巖層中的導(dǎo)孔施工

在該工程高壓豎井開挖支護(hù)過程中，導(dǎo)孔鉆設(shè)時(shí)可能遇到兩個(gè)地質(zhì)問題:一是遇溶洞(群)導(dǎo)致孔口不返水，鉆機(jī)扭矩增大而影響正常鉆孔;二是遇中高硬度、具有導(dǎo)向作用的巖層導(dǎo)致多次鉆孔偏斜過大，成為廢孔。

遇到溶洞(群)后，一般采用孔內(nèi)回填灌漿的方式進(jìn)行處理。灌漿以灌砂漿或強(qiáng)度等級(jí)較高的一級(jí)配混凝土為宜。回填的砂漿和混凝土可摻速凝劑，等強(qiáng)后沿原孔繼續(xù)鉆進(jìn)。

導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中遇到對(duì)鉆孔導(dǎo)向與巖層走向夾角較大、具有一定導(dǎo)向作用的硬質(zhì)陡傾角巖層時(shí)，一般采用“鉆進(jìn)→孔斜測(cè)量(若偏移超標(biāo))→孔底爆破→固結(jié)灌漿→再鉆進(jìn)→孔斜測(cè)量”的辦法，經(jīng)反復(fù)爆破和固結(jié)灌漿，最終破壞并穿過該“導(dǎo)向”巖層，順利終孔。

5 結(jié)語

圖4 高壓豎井垂直運(yùn)輸系統(tǒng)布置圖

厄瓜多爾索普拉多拉水電站343.76 m 高壓豎井屬于國內(nèi)、外超深豎井之一，全高一段開挖到底，施工難度極大。從開挖支護(hù)施工方案和垂直運(yùn)輸方案的確定，到導(dǎo)孔鉆孔精度的控制和不良地質(zhì)條件對(duì)導(dǎo)孔鉆孔的影響及對(duì)策，都經(jīng)過反復(fù)討論和研究，施工技術(shù)趨于成熟，適合實(shí)際應(yīng)用和推廣。