500 m級(jí)超深豎井開挖方案的比選與施工

唐 雄， 代 強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中東抽水蓄能電站(以色列克卡夫哈亞鄧抽水蓄能電站)是中國(guó)電建在發(fā)達(dá)國(guó)家高端市場(chǎng)斬獲的首個(gè)EPC水電項(xiàng)目，該工程具有地質(zhì)條件復(fù)雜、工期緊、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。電站由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、下水庫(kù)及地面開關(guān)站等組成，總裝機(jī)容量344 MW。該電站引水豎井和引水調(diào)壓井垂直方向在一條直線上，上部調(diào)壓井深69.46 m，高壓豎井深438.14 m，豎井總深度為507.6 m。高壓豎井上下彎段分別與引水上、下平洞相接，調(diào)壓井上部14.6 m開挖支護(hù)后直徑為18.1 m，襯砌后直徑為16.1 m；下部54.86 m開挖支護(hù)后直徑為15.6 m，襯砌后直徑為14 m；高壓豎井開挖支護(hù)后直徑為5.2 m，鋼襯內(nèi)直徑為4 m。豎井開挖支護(hù)型式包括系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土、鋼格柵等。

引水豎井處地質(zhì)條件極為復(fù)雜，調(diào)壓井巖體以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比約40%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比約60%。高壓豎井以Ⅳ類圍巖為主，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比約35%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比約65%，且高壓豎井Ⅳ、Ⅴ類圍巖均存在擠壓變形。引水豎井布置在玄武巖、火山碎屑巖互層地層(bs+pyr)、玄武巖地層(bs)、角礫巖和集塊巖混合地層(cgl)、火山碎屑巖地層(pyr)、泥灰土地層(Marl)及粘土層(Clay)等地層。

2 可選開挖方案論述

根據(jù)引水豎井的地質(zhì)情況、結(jié)構(gòu)布置及施工條件，初選方案有反井法、正井法、正反井相結(jié)合的施工方法。筆者分別介紹于后。

2.1 反井法施工分析

反井法施工方案是在調(diào)壓井頂部采用反井鉆機(jī)先施工導(dǎo)孔，待引水下平洞開挖至引水豎井底部后，將反井鉆機(jī)鉆頭更換為擴(kuò)孔鉆，然后自下而上進(jìn)行導(dǎo)井施工；導(dǎo)井施工完成后，再利用導(dǎo)井作為溜渣井進(jìn)行調(diào)壓井上部7 m的開挖，澆筑鎖口混凝土，安裝井口載人提升系統(tǒng)和井口門機(jī)(用于井內(nèi)吊運(yùn)材料)，最后自上而下進(jìn)行豎井爆破擴(kuò)挖及支護(hù)的施工方案。

2.2 正井法施工方案

深豎井正井法施工在水電行業(yè)極為少見，而在煤礦行業(yè)，深豎井均采用正井法施工，是傳統(tǒng)的礦山豎井施工方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)邊開挖、邊襯砌，是一種快速施工豎井的方法。

正井法施工方案是先進(jìn)行調(diào)壓井上部7 m開挖，澆筑鎖口混凝土，然后繼續(xù)開挖調(diào)壓井至14.6 m，再進(jìn)行調(diào)壓井大井14.6 m結(jié)構(gòu)混凝土襯砌施工，安裝“正井法”提升系統(tǒng)及配套設(shè)備，利用正井系統(tǒng)自上而下進(jìn)行調(diào)壓井下部開挖，調(diào)壓井開挖完成后進(jìn)行調(diào)壓井下部的襯砌施工。調(diào)壓井開挖及襯砌施工完成后，再利用正井系統(tǒng)自上而下完成高壓豎井的開挖及支護(hù)施工。

2.3 正反井相結(jié)合的施工方案

正反井相結(jié)合的施工方案是先采用正井法進(jìn)行調(diào)壓井上部7 m開挖，澆筑鎖口混凝土，然后繼續(xù)調(diào)壓井開挖至14.6 m，再進(jìn)行調(diào)壓井大井14.6 m結(jié)構(gòu)混凝土的襯砌施工，安裝井口載人提升系統(tǒng)和門機(jī)(用于井內(nèi)吊運(yùn)材料)。提升系統(tǒng)形成后，再自上而下進(jìn)行調(diào)壓井下部小井的開挖及襯砌施工。在引水下平洞開挖至引水豎井底部之前，將反井鉆機(jī)吊至調(diào)壓井底部先施工導(dǎo)孔，待引水下平洞開挖至引水豎井底部后，將反井鉆機(jī)鉆頭更換為擴(kuò)孔鉆，然后自下而上進(jìn)行導(dǎo)井施工，最后利用導(dǎo)井作為溜渣井自上而下進(jìn)行高壓豎井的爆破擴(kuò)挖及支護(hù)的方案。

3 三種開挖方案之對(duì)比分析

根據(jù)上述3種方案，項(xiàng)目部從施工可行性、施工安全性、施工難度、施工優(yōu)缺點(diǎn)、施工工期、施工費(fèi)用等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，分析成果見表1。

4 開挖方案的選擇與施工

根據(jù)對(duì)上述方案進(jìn)行的綜合比較和分析，項(xiàng)目部將正井法施工方案作為首選方案向業(yè)主進(jìn)行了申報(bào)并通過了業(yè)主工程師的審批。目前，中東抽水蓄能電站引水調(diào)壓井上部大井14.6 m的開挖及襯砌已完成，正井提升系統(tǒng)業(yè)已安裝完成并投入使用。

4.1 開挖施工程序

引水豎井開挖施工程序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→調(diào)壓井上部7 m井挖→調(diào)壓井鎖口混凝土施工→調(diào)壓井井挖至14.6 m→調(diào)壓井上部14.6 m結(jié)構(gòu)混凝土襯砌→正井法提升系統(tǒng)安裝→調(diào)壓井下部小井開挖→調(diào)壓井下部小井混凝土襯砌→高壓豎井開挖。

4.2 開挖施工

4.2.1 調(diào)壓井施工

(1)調(diào)壓井上部施工。

調(diào)壓井大井高度為14.6 m，分為兩部分施工。先施工鎖口段開挖及支護(hù)施工(7 m)，再進(jìn)行鎖口段混凝土襯砌施工，最后進(jìn)行調(diào)壓井大井剩余部分施工(7.6 m)。

由于該引水豎井位于該國(guó)國(guó)家森林公園，同時(shí)受調(diào)壓井邊高壓線塔的影響(距調(diào)壓井約30 m)，調(diào)壓井大井開挖只能采用機(jī)械開挖的方式施工。調(diào)壓井上部7 m屬于半挖半填，其施工方法是先用液壓錘分臺(tái)階鑿?fù)?，分層高度? m，每層鑿?fù)诤笤俨捎靡簤悍寸P裝自卸汽車運(yùn)至渣場(chǎng)，開挖高度達(dá)到2 m時(shí)作為一個(gè)開挖循環(huán)進(jìn)行支護(hù)，直至開挖完成。

當(dāng)鎖口混凝土襯砌完成后，調(diào)壓井大井下部7.6 m的開挖是采用吊車將液壓錘吊至井內(nèi)進(jìn)行全斷面分層鑿?fù)冢謱痈叨葹?.5 m，出渣由井內(nèi)反鏟裝3 m3吊桶、然后采用吊車提升吊桶出渣，每開挖2 m高度進(jìn)行一次支護(hù)。調(diào)壓井大井開挖的施工人員上下井利用井壁上設(shè)置的爬梯，施工設(shè)備、材料的井內(nèi)吊運(yùn)采用吊車。

(2)調(diào)壓井下部施工。

調(diào)壓井上部大井施工完成后，進(jìn)行正井法提升系統(tǒng)的安裝，經(jīng)當(dāng)?shù)毓こ處燆?yàn)收合格后投入使用。調(diào)壓井小井開挖支護(hù)后直徑為15.6 m，分為3個(gè)區(qū)進(jìn)行光面爆破施工，開挖循環(huán)進(jìn)尺為2 m，開挖鉆孔采用T35液壓鉆機(jī)、YT-28手風(fēng)鉆鉆孔，人工裝藥聯(lián)網(wǎng)爆破；出渣采用小型液壓反鏟配合正井系統(tǒng)抓巖機(jī)裝吊桶出渣。調(diào)壓井小井施工人員上下井利用載人提升系統(tǒng)上下，施工設(shè)備的吊運(yùn)采用吊車，施工材料的運(yùn)送采用載物提升系統(tǒng)。

表1 中東抽水蓄能電站引水豎井開挖方案對(duì)比分析表

4.2.2 高壓豎井的開挖施工

調(diào)壓井開挖及襯砌施工完成后，利用井口布置的正井提升系統(tǒng)進(jìn)行高壓豎井的開挖。高壓豎井的開挖采取全斷面光面爆破開挖，將Ⅲ類圍巖的進(jìn)尺控制在4 m以內(nèi)，Ⅳ類圍巖的進(jìn)尺為2 m。爆破孔采用SFJ4.5型傘鉆鉆孔，人工裝藥光面爆破， HZ-6中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝3 m3吊筒，JK-3×2.5提升機(jī)提升吊桶出渣，最后采用人工清底，渣石升井經(jīng)溜渣槽落地后，再由裝載機(jī)裝自卸汽車運(yùn)至棄渣場(chǎng)。為了加快施工進(jìn)度，充分發(fā)揮礦用正井提升系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，采用混凝土初襯代替噴錨支護(hù)。其施工流程：先鉆孔爆破開挖第1個(gè)循環(huán)，然后進(jìn)行第2個(gè)循環(huán)爆破不出渣，利用正井系統(tǒng)將整套鋼模板落在第2個(gè)循環(huán)爆渣上進(jìn)行第1個(gè)循環(huán)混凝土襯砌，襯砌完成后進(jìn)行第2個(gè)循環(huán)出渣及第3個(gè)循環(huán)爆破不出渣、第2個(gè)循環(huán)襯砌等，依次循環(huán)施工。

5 結(jié) 語(yǔ)

深豎井的開挖施工歷來是一個(gè)難題，其施工方案的選擇尤為重要。通過比選分析，該工程選用國(guó)內(nèi)成熟的正井法施工技術(shù)獲得了業(yè)主的高度認(rèn)可；同時(shí)，該工程也是國(guó)外水電項(xiàng)目首次采用“正井法”施工的深豎井。