緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)及應(yīng)用

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 引 言

常規(guī)緩傾角(6°<α≤48°)斜井開挖施工中通常采用正井法、反井法或阿里馬克爬灌法施工，其中正井法自上而下用手風(fēng)鉆造孔，出渣采用傳統(tǒng)有軌運輸，利用扒渣機+人工輔助將洞渣裝入礦斗車，靠絞車或卷揚機提升系統(tǒng)牽引。反井法搭設(shè)腳手架自下而上用手風(fēng)鉆造孔，采用人工扒渣+反向鏟集渣，裝載機配合自卸車裝車外運。阿里馬克爬灌法通過頂部安裝軌道進行平臺爬升進行施工，每一循環(huán)需檢查、修復(fù)及延長軌道。正井法通風(fēng)散煙較慢，出渣難度大，施工進度慢，安全風(fēng)險高；反井法通風(fēng)散煙較難，搭設(shè)、拆除腳手架施工平臺難度較大，危石處理較難，安全風(fēng)險較高；阿里馬克爬灌法排炮循環(huán)時間增加，軌道拆裝不安全，且爆破時石渣容易破壞軌道，通風(fēng)排煙難以解決。針對傳統(tǒng)緩傾角長斜井開挖施工的不足，創(chuàng)新實踐出一種緩傾角長斜井開挖施工方法，即在緩傾角長斜井施工中采用反井鉆機施工導(dǎo)井，利用導(dǎo)井作為運輸及排煙通道，采用絞車牽引擴挖小車自下而上采用反向臺階法鉆孔施工，施工效果良好。

2 工程概況

深圳抽水蓄能電站引水隧洞斜井分上、下斜井，上斜井長380.276m，下斜井長162.88m，均由上彎段、直線段、下彎段組成，直線段傾角均為50°。上斜井直線段長315.107m，上彎段長為33.161m，下彎段長為32.008m；下斜井直線段長97.711m，上彎段長為32.008m，下彎段長為33.161m，斜井開挖斷面為圓形斷面，開挖半徑均為5.35m，襯砌后洞徑9.5m，上、下斜井直線段均采用反井鉆施工。高壓電纜洞采用斜井式布置，從主變室下游側(cè)中部引出通往地面開關(guān)站。高壓電纜洞由下平段、斜井和上平段組成。高壓電纜洞斜井段傾角為36.833°，長333.126m，斷面為城門洞形，開挖支護成型標準斷面尺寸為4.0m×4.3m，高壓電纜洞斜井段施工增設(shè)施工支洞，分上、下兩段施工，上段長201.346m，下段長131.780m，采用反井鉆施工導(dǎo)井，再自下而上一次擴挖成型。

3 技術(shù)原理

緩傾角長斜井施工按先導(dǎo)孔正向鉆進貫通、反井鉆反拉完成，自下而上一次擴挖成形，開挖過程中支護及時跟進。

3.1 反井鉆施工

在角度小于45°緩傾角斜井上井口水平面擴挖區(qū)布置反井鉆機，測量放出鉆孔點，鉆孔傾角沿斜井軸線上調(diào)0.5°～1°，沿該方向往下鉆一直徑為216mm的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔形成后在下段將φ216鉆頭更換成φ1400鉆頭，然后通過自下而上反拉擴挖形成直徑φ1400的導(dǎo)井。

3.2 反向臺階法施工

利用反井鉆機形成的φ1400導(dǎo)井作為擴挖小車運輸及排煙通道，采用10t雙筒絞車牽引擴挖小車自下而上采用反向臺階法鉆孔施工。擴挖平臺設(shè)備作為施工作業(yè)平臺，采用反井鉆爆法施工，支護及時跟進，隨著掌子面的回撤及時觀察已開挖面的出碴情況。

4 流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

緩傾角斜井按先導(dǎo)孔正向鉆進貫通、反井鉆反拉完成，自下而上一次擴挖成形進行施工。具體施工包括反井鉆安裝及拆除、反井鉆機鉆孔、絞車及擴挖小車安裝及拆除、緩傾角斜井擴挖等內(nèi)容。緩傾角長斜井開挖施工工藝流程見圖1。

圖1 緩傾角長斜井開挖工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1 反井鉆施工

4.2.1.1 反井鉆施工

在上井口水平面擴挖區(qū)沿斜井軸線方向往下鉆一直徑為216mm的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔形成后在下段將φ216鉆頭更換φ1400的反拉鉆頭，通過自下而上反拉擴挖形成直徑φ1400的小車運輸通道，反井鉆機布置類似于常規(guī)斜井反井鉆布置，反井鉆機施工流程：鉆機安裝→φ216導(dǎo)鉆進→φ1400反向擴孔。

斜井上段導(dǎo)井貫通后，更換鉆頭進行反拉，施工布置見圖2。

4.2.1.2 緩傾角斜井導(dǎo)孔精度控制

導(dǎo)孔精度控制是反井鉆施工的關(guān)鍵，反井鉆先導(dǎo)孔的施工精度是反井施工成敗關(guān)鍵，是保證洞軸線的必要條件。

圖2 反井鉆反向擴孔示意圖

a.測量放樣。先制定詳實可行的測量放樣方案，在現(xiàn)場采用全站儀對開口點進行放樣，然后在安裝機身時一定要同時采用水平尺和鉛垂球從多角度進行精確測量，再對中心點進行校核，為便于調(diào)節(jié)鉆機位置精度，底座上螺孔都加工成條形孔，最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定鉆機。首先是基礎(chǔ)混凝土的澆筑，按設(shè)計傾角通過測量設(shè)備定出導(dǎo)線，然后是機身傾斜后的下部支撐及上部牽拉一定要牢固穩(wěn)定，最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定，鉆機造孔過程中不斷進行孔向測斜。

b.控制造孔速度。反井鉆機導(dǎo)孔鉆進速度越快，精度越難以保證，因此在精度要求較高的部位，建議慢速推進。

c.在導(dǎo)孔鉆進過程中采用穩(wěn)定鉆桿防止鉆桿偏斜，穩(wěn)定鉆桿以每隔15～20m長度增加1根為宜。

d.對于傾斜孔，由于鉆機在開孔后鉆桿會由于自重原因略向下傾斜，造孔后鉆機會向下傾0.5°～1°、在實際施工中可將鉆孔傾角上調(diào)0.5°～1°，或開孔點作適當調(diào)整。

e.遇不良地質(zhì)段，需及時采取灌漿等方式進行處理，防止鉆桿遇軟巖發(fā)生偏斜。

4.2.1.3 緩傾角反井鉆施工突發(fā)情況處理

在緩傾角斜井導(dǎo)孔鉆進過程中有時會出現(xiàn)由于塌孔、水壓力不夠、停電等導(dǎo)致的孔內(nèi)石渣滯留堆積后出現(xiàn)卡鉆，或是導(dǎo)孔、擴孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內(nèi)等情況，處理起來相當困難，并且發(fā)生的頻率也較多，是反井鉆機導(dǎo)井法施工的難點及重點。

a.不良地質(zhì)段的鉆孔。在導(dǎo)孔鉆進過程中如發(fā)現(xiàn)返渣返水減少和鉆孔扭矩加大，應(yīng)采用高壓水強行沖孔，轉(zhuǎn)桿慢慢轉(zhuǎn)動提升，防止卡鉆。對于不良地質(zhì)段鉆孔困難，可以采用水泥漿或水泥砂漿將鉆孔灌滿，重新進行掃孔，反復(fù)進行，直至通過不良地質(zhì)段。在擴孔過程中如遇不良地質(zhì)段應(yīng)降低扭矩，放慢擴孔速度，平穩(wěn)地通過不良地質(zhì)段。

b.擴孔過程中的掉鉆。在擴孔過程中，由于鉆桿斷裂，擴孔鉆頭卡在已擴挖成形的孔內(nèi)，此時若從下面處理非常危險，應(yīng)從上部導(dǎo)孔中進行。第一種方法：將鉆桿接上后通過鉆桿對鉆頭施加壓力使其自然墜落至下平洞。第二種方法：在孔口通過鋼絲繩將炸藥送入鉆頭卡住部位，引爆后將鉆頭震落至下平洞，該方法每次炸藥用量控制在5～8kg，對鉆頭不會構(gòu)成大的損傷。

c.導(dǎo)孔施工過程中的鉆桿斷裂。部分長期使用的鉆桿在導(dǎo)孔鉆進及擴孔過程中可能會發(fā)生斷裂，反井鉆機單根鉆桿長度為1m，重達180kg。鉆桿斷裂后，如果不將其取出，那么一方面要丟失鉆桿、鉆頭，造成經(jīng)濟損失，另一方面還需要重新造孔，而有些特殊部位不允許重新造孔。因此如何打撈鉆具成了反井鉆機導(dǎo)井法施工的一個難題。為此專門設(shè)計了一種鉆桿打撈器(見圖3)，鉆桿打撈器的原理與膨脹螺栓原理相同，其上部與鉆桿以直螺紋連接，下部為錐形套，前進過程中可以直接進入已斷裂鉆桿的內(nèi)壁，進入內(nèi)壁后，在打撈器提升過程中錐形套會張開，與斷裂鉆桿內(nèi)壁緊緊連接，越拉越緊，然后通過打撈器將孔內(nèi)鉆桿提升到孔口用夾釬器固定后逐一取出鉆桿。該打撈器一次能提升40t以上的重量，即能提取200m以上的鉆桿長度，基本能滿足取鉆要求。

圖3 鉆桿打撈器示意圖

4.2.2 反向臺階法擴挖

反拉完成后進行一次擴挖，一次擴挖施工人員、機具、材料從上平段通過10t絞車牽引6.0m運輸小車進入工作面。絞車按《一種用于水電站斜豎井施工中的提升絞車》專利進行布置，穩(wěn)定性好，可靠性高，人性化設(shè)計，操作簡單，調(diào)試維護方便，占用空間小。擴挖小車采用《一種自動調(diào)節(jié)鋼絲繩張力的斜井擴挖設(shè)備》專利，鋼絲繩由兩臺絞車分別使用兩根鋼絲繩與斜井一次擴挖設(shè)備相連，通過自動調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)，使其兩根鋼絲繩的受力均勻，另一根鋼絲繩作為安全儲備，確保安全。

為了保證緩傾角長斜井擴挖順利進行，一次擴挖自下而上先開挖上半部分洞室一至兩排炮形成臺階，斷面凈空為4.0m×2.225m的城門洞形，預(yù)留導(dǎo)井下部光滑圓弧槽作為小車運輸通道，以便于臺階法開挖，利用施工支洞或主變洞集渣出渣，下部分洞室斷面為4.0m×2.075m，見圖4、圖5，擴挖期間，做好上井口的安全防護工作，并派專人留守監(jiān)護上、下井口，防止掉物傷人。

圖4 緩傾角斜井擴挖施工示意圖

圖5 反向臺階法施工示意圖

緩傾角長斜井擴挖按施工準備→測量放線→鉆孔→裝藥放炮→散煙→安全處理施工。

5 材料設(shè)備

緩傾角長斜井開挖施工主要施工設(shè)備見表1：

表1 緩傾角長斜井開挖施工主要材料設(shè)備

6 質(zhì)量控制

緩傾角長斜井施工導(dǎo)孔精度控制是反井鉆機導(dǎo)井法施工的關(guān)鍵，測量放樣時，先制定詳實可行的測量放樣方案，在現(xiàn)場采用全站儀對開口點進行放樣，然后在安裝機身時一定要同時采用水平尺和鉛垂球從多角度進行精確測量，再對中心點進行校核，反井鉆施工需控制造孔速度，反井鉆機導(dǎo)孔鉆進速度越快，精度越難以保證，因此在精度要求較高的部位，建議慢速推進。在導(dǎo)孔鉆進過程中采用穩(wěn)定鉆桿防止鉆桿偏斜，穩(wěn)定鉆桿以每隔15～20m長度增加1根為宜。對于傾斜孔，由于鉆機在開孔后鉆桿會由于自重原因略向下傾斜，本工程經(jīng)驗為造孔后鉆機會向下傾0.5°～1°。

7 結(jié) 果

緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在減小作業(yè)難度、降低施工成本、降低施工風(fēng)險、有效改善作業(yè)環(huán)境等方面，除了安全投入所帶來的效益外，深圳抽水蓄能電站高壓電纜洞開挖帶來直接經(jīng)濟效益約200萬元。

8 結(jié) 論

水電十四局在緩傾角長斜井施工過程中，根據(jù)工程特點，通過一系列技術(shù)創(chuàng)新工作圓滿地完成了工程施工任務(wù)，在長度大于200m、角度小于45°的斜井施工中首次提出采用反井鉆完成導(dǎo)井施工，導(dǎo)井施工完成后，利用φ1400導(dǎo)井作為運輸及排煙通道，自下而上采用反向臺階法進行全斷面擴挖一次成型，有效改善了作業(yè)環(huán)境，降低了作業(yè)難度，提高了施工效率，保障了施工質(zhì)量，施工中研制的由自動調(diào)節(jié)鋼絲繩張力裝置和雙筒提升絞車等組成的斜井擴挖平臺設(shè)備，操作靈便，運行平穩(wěn)，安全可靠。工程施工技術(shù)人員通過對現(xiàn)場所采用的施工方法與技術(shù)進行總結(jié)，形成緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)，適用于水電站緩傾角(傾角小于45°)長斜井開挖施工。該技術(shù)經(jīng)濟社會效益明顯，可推廣與應(yīng)用。