反井鉆機(jī)在溪洛渡水電站右岸閘室豎井開挖中的應(yīng)用

[摘要]反井鉆機(jī)在20世紀(jì)五十到六十年代出現(xiàn)在美國(guó)和德國(guó)采礦工程領(lǐng)域，它是將隧道掘進(jìn)機(jī)和鉆井法鑿井機(jī)結(jié)合形成的井筒施工設(shè)備，用于施工礦山地下暗井、溜井、礦倉(cāng)等導(dǎo)井工程。我國(guó)在八十年代末開始將反井鉆機(jī)用于煤礦地下工程中，九十年代開始在水電工程施工中試用。近年來(lái)，隨著反井鉆機(jī)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，開始在應(yīng)用于水利水電工程豎井、斜井的施工。反井鉆機(jī)施工具有安全、快速、高質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，在溪洛渡水電站右岸導(dǎo)流洞閘室豎井開挖過(guò)程中，成功地應(yīng)用反井鉆機(jī)完成了閘室豎井溜渣導(dǎo)井的開挖，大大降低了豎井開挖難度，并確保了安全與進(jìn)度。

[關(guān)鍵詞]反井鉆機(jī)；溪洛渡水電站；豎井開挖

1、工程概述

1.1建筑物概況

溪洛渡水電站施工期壩址兩岸各布置了3條導(dǎo)流洞，右岸為4#-6#導(dǎo)流洞。導(dǎo)流洞平面上呈彎道布置，洞身斷面為城門洞型，襯砌后凈斷面尺寸均為18×20m。在4#導(dǎo)流洞樁號(hào)0+168m～0+248處及群導(dǎo)流洞在樁號(hào)0+233.886m～0+313.866處設(shè)置豎井閘室，閘室由下閘室（導(dǎo)流洞洞身擴(kuò)挖形成）、啟閉機(jī)室及閘室豎井組成，啟閉機(jī)室位于下閘室正上方，兩者之間通過(guò)閘室豎井連接。閘門豎井開挖斷面為矩形，斷面尺寸為14.5m×34m，開挖高差43m。

1.2圍巖主要地質(zhì)狀況

右岸導(dǎo)流洞布置于金沙江右岸山體內(nèi)，高程約在364m-400m之間，洞身所在巖層主要為P2B4～P2B6層致密狀玄武巖、斑狀玄武巖及角礫（集塊）熔巖，巖石巖性堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度大于100MPa，屬堅(jiān)硬-極堅(jiān)硬巖類。導(dǎo)流洞沿線巖體新鮮完整，嵌合緊密，巖體多呈塊狀一次塊狀結(jié)構(gòu)，地應(yīng)力量值中等，巖體透水性總體較弱，圍巖穩(wěn)定性較好，以II類圍巖為主，層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育段局部圍巖穩(wěn)定性較差，為Ⅲ1類。

1.3工期要求

閘室豎井開挖安排在啟閉機(jī)室及下閘室上層開挖完成后進(jìn)行，并要求在導(dǎo)流洞洞身中層開挖至下閘室斷前完成，工期較緊張。

2、施工方案的研究

右岸導(dǎo)流洞豎井開挖，高度43m，斷面尺寸達(dá)14.5×34m，如此大斷面的豎井，必須采用先打通溜渣導(dǎo)井再分多次擴(kuò)挖成型的方案，施工的關(guān)鍵點(diǎn)是溜渣導(dǎo)井的開挖，有如下方案可供選擇：

（1）導(dǎo)井人工開挖。由于豎井深度僅50m，可在上部啟閉機(jī)室設(shè)置起吊系統(tǒng)，人工進(jìn)行導(dǎo)井正井法鉆爆開挖，同時(shí)，在下閘室頂部人工由下往上進(jìn)行反向墊渣鉆爆開挖，上下兩方向貫通后，導(dǎo)井開挖完成。該施工方法優(yōu)點(diǎn)是易于組織，設(shè)備投入最少。缺點(diǎn)是方法原始，特別是正向開挖，鉆爆掏槽效果差，每循環(huán)進(jìn)尺不足1m，且出渣為人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下；反向墊渣開挖作業(yè)環(huán)境差，造成導(dǎo)流洞閘室段交通中斷，且安全保障性小。

（2）爬罐法反向開挖。我集團(tuán)公司采用爬罐施工豎井與斜井技術(shù)已相當(dāng)成熟，在三峽地下右岸電站排沙斜洞等工程均成功采用爬罐施工。但是，溪洛渡導(dǎo)流洞下閘室跨度大，爬罐工作平臺(tái)擴(kuò)挖安裝困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且爬罐施工同樣存在效率不高，井壁平整度差，作業(yè)環(huán)境差等缺點(diǎn)。

（3）反井鉆機(jī)開挖。采用LM-200反井鉆機(jī)，在啟閉機(jī)室安裝完成后，沿豎井中心線造一φ216mm先導(dǎo)孔貫通下閘室，再在下閘室安裝反井鉆機(jī)反擴(kuò)鉆頭，由下至上反向擴(kuò)孔施工，完成φ1.4m溜渣導(dǎo)井?dāng)U挖。反井鉆機(jī)施工技術(shù)先進(jìn)，速度快，安全性高，擴(kuò)孔后井壁光滑，便于溜渣，且無(wú)爆破作業(yè)對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

鑒于我集團(tuán)公司反井鉆機(jī)施工技術(shù)已相當(dāng)嫻熟，閘室啟閉機(jī)室場(chǎng)地開闊，反井鉆機(jī)安裝方便，且使用反井鉆機(jī)掘進(jìn)明顯優(yōu)于前三個(gè)方案，故采用了反井鉆機(jī)開挖方案。

3、反井鉆機(jī)的工作原理

它是將隧道掘進(jìn)機(jī)和鉆井法鑿井機(jī)結(jié)合形成的井筒施工設(shè)備，反井鉆機(jī)由機(jī)身、轉(zhuǎn)盤吊及翻轉(zhuǎn)架、電動(dòng)液壓系統(tǒng)及操作臺(tái)幾大部分組成，鉆進(jìn)過(guò)程中，可利用轉(zhuǎn)盤吊與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接鉆桿，鉆桿的裝卸靈活、準(zhǔn)確、操縱機(jī)械化。正向先導(dǎo)孔鉆孔采用在鉆桿上安裝φ216mm鉆頭直接鉆進(jìn)，先導(dǎo)孔貫穿后，將鉆桿降至導(dǎo)流洞下閘室上層底板上，卸下φ216mm鉆頭，安裝反向擴(kuò)孔鉆頭，再反向提升進(jìn)行擴(kuò)孔施工。反向擴(kuò)孔是TBM機(jī)械法破巖掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用：采用大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力水龍頭，后者將扭矩傳遞給鉆具系統(tǒng)，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)；破巖采用鑲齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng)，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆先導(dǎo)孔時(shí)巖屑由洗井液沿鉆桿與孔壁間的環(huán)行空間提升到上部，流入位于啟閉機(jī)室底板上的循環(huán)水池；擴(kuò)孔時(shí)巖屑靠自重落到下閘室底板。

4、施工情況簡(jiǎn)介

由于下閘室開挖過(guò)程中，頂拱已支護(hù)，為了防止已施工錨桿損壞鉆頭，對(duì)下閘室頂拱中心部位采用反向掏槽法進(jìn)行了鉆爆作業(yè)，炸除了溜渣豎井周圍錨桿。在先導(dǎo)孔開孔、鉆進(jìn)50cm、鉆進(jìn)100cm，對(duì)孔向進(jìn)行測(cè)量校核，確保鉆向垂直，以免先導(dǎo)孔孔向發(fā)生偏移，在擴(kuò)孔過(guò)程中鉆桿偏心受力，發(fā)生斷桿事故。先導(dǎo)孔鉆孔在堅(jiān)硬新鮮的玄武巖中進(jìn)行，若鉆進(jìn)速度過(guò)快，鉆頭磨損將較嚴(yán)重，且孔底殘留巖屑易使鉆進(jìn)方向發(fā)生偏移，因此，為確保成孔質(zhì)量，降低成本在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，勻速徐徐鉆進(jìn)，并加強(qiáng)高壓水洗孔，先導(dǎo)孔造孔平均鉆進(jìn)效率達(dá)到為10m/d，而在其他工地變質(zhì)砂巖中造孔，曾達(dá)到40m/d的高效率鉆孔進(jìn)度。先導(dǎo)孔造孔貫穿下閘室后，繼續(xù)延伸鉆桿下至下閘室底板，安裝擴(kuò)孔鉆頭，提升鉆頭至下閘室頂拱，開始φ1.4m導(dǎo)井的反向擴(kuò)孔施工，反向擴(kuò)孔主要靠鑲齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動(dòng)，對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊、擠壓和剪切作用，由于圍巖為硬質(zhì)玄武巖，反向鉆進(jìn)速度平均達(dá)到5m/d。在其他工地變質(zhì)砂巖中反向擴(kuò)孔，曾達(dá)到15m/d的高效率進(jìn)度。

雖然反井鉆機(jī)在新鮮堅(jiān)硬的玄武巖中施工，掘進(jìn)效率受到一定的限制，但是掘進(jìn)速度仍明顯高于采用爬罐開挖導(dǎo)井（日均進(jìn)度1.5～2 4m），更遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工土法鉆爆開挖，φ1.4m溜渣導(dǎo)井形成后，井壁光滑，溜渣效果相當(dāng)好，為閘室豎井二次擴(kuò)挖創(chuàng)造了良好的臨空面及溜渣豎井。

結(jié)語(yǔ)：

隨著我國(guó)能源開發(fā)需要，金沙江流域相繼梯級(jí)開發(fā)的水電工程中將有大量的地下工程，反井鉆機(jī)將更加廣泛應(yīng)用到地下洞室工程豎井、斜井的掘進(jìn)施工中。反井鉆機(jī)在溪洛渡水電站導(dǎo)流洞閘室豎井開挖的成功應(yīng)用，化解了施工難度，確保了施工進(jìn)度，并突破了LM-200反井鉆機(jī)在抗壓強(qiáng)度大于100Mpa的極堅(jiān)硬玄武巖中掘進(jìn)的技術(shù)難關(guān)，為后期在溪洛渡采用反井鉆機(jī)施工豎井與斜井提供了施工參考數(shù)據(jù)，為反井鉆機(jī)在溪洛渡地下工程建設(shè)中發(fā)揮更大作用奠定了基礎(chǔ)。