淺豎井一次擴(kuò)挖成型工藝在梅蓄電站的應(yīng)用

張朝澤，楊 耀

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

梅州抽水蓄能電站地處廣州～汕頭粵東部分的中部，位于廣東省梅州市五華縣南部的龍村鎮(zhèn)黃獅村境內(nèi)，電站上、下水庫均位于黃獅村內(nèi)。上水庫進(jìn)/出水口閘門井(簡稱“上庫閘門井”)井口位于上庫進(jìn)/出水口EL.824.500平臺上，上庫閘門井豎井控制點(diǎn)坐標(biāo)M1(X=2 588 941.297，Y=34 429.435)。其底部與上庫進(jìn)出水口引水主洞相連，井深為62.872 m，井口高程為EL.824.500 m，井底高程(至底部引水主洞段頂拱處)EL.761.628 m，上庫閘門井開挖斷面尺寸13.6 m×7.9 m。井口15 m段圍巖質(zhì)量為Ⅳ類，以下剩余洞段圍巖質(zhì)量均為Ⅲ類。

下水庫進(jìn)/出水口閘門井(簡稱“下庫閘門井”)井口位于下庫進(jìn)/出水口EL.421.000平臺(1#公路靠下水庫側(cè))，下庫閘門井豎井控制點(diǎn)坐標(biāo)P(X=2 589 728.794，Y=343 513.748)。其底部與下庫進(jìn)出水口尾水主洞相連，井深為59.404 m，井口高程為EL.421.000 m，井底高程(至底部尾水主洞段頂拱處)為EL.361.596 m，下庫閘門井開挖斷面為13.6 m×7.9 m。井口15 m段圍巖質(zhì)量為Ⅳ類，以下剩余洞段圍巖質(zhì)量均為Ⅲ類。

2 施工程序概述

上、下庫閘門井開挖共分為兩個(gè)步驟：① 首先使用反井鉆機(jī)開挖直徑為200 mm的先導(dǎo)孔，并向上反拉直徑為1.4 m的導(dǎo)井；② 再采用正井法自上而下一次擴(kuò)挖成型。閘門井Φ1.4 m導(dǎo)井采用LM250型反井鉆機(jī)施工，擴(kuò)挖時(shí)先擴(kuò)挖井口20 m段，再安裝井口施工平臺及提升系統(tǒng)，后續(xù)再進(jìn)行剩余井身擴(kuò)挖。

3 施工程序調(diào)整的目的及原因

梅州抽水蓄能電站上庫閘門井開挖深度為62.872 m，下庫閘門井開挖深度為59.404 m，開挖尺寸為13.6 m×7.9 m，施工過程中并非采用常規(guī)豎井開挖方法[1]：反井鉆機(jī)導(dǎo)孔、導(dǎo)井施工→反井法一次擴(kuò)挖形成Φ3.5 m溜渣導(dǎo)井→正井法二次擴(kuò)挖成型，而是均采用正井法一次擴(kuò)挖成型的施工方法進(jìn)行開挖施工。

調(diào)整施工程序的原因主要有以下3點(diǎn)：

1) 上、下庫閘門井井口段均為Ⅳ類圍巖洞段，屬于不良地質(zhì)洞段。采用常規(guī)施工程序，反井鉆機(jī)施工完成Φ1.4 m導(dǎo)井后再人工鉆爆自下而上進(jìn)行一次反擴(kuò)施工，則施工過程中存在不可控的安全隱患。

2) 在電站系統(tǒng)中相對其它豎井而言，上庫閘門井開挖深度為62.872 m，下庫閘門井開挖深度為59.404 m，井身較短，施工過程若是能省去自下而上一次擴(kuò)挖，形成Φ3.5 m溜渣井及一次擴(kuò)挖，提升系統(tǒng)拆除等施工環(huán)節(jié)，則能節(jié)約施工資源，有利于施工成本控制。

3) 上、下庫閘門井工期緊張，其施工進(jìn)度直接影響梅州抽水蓄能電站上、下庫進(jìn)出水口下閘蓄水工期節(jié)點(diǎn)，如果采用正井法全斷面一次擴(kuò)挖成型的施工方法，上、下庫閘門井2條豎井將分別節(jié)約工期約為23 d(其中一次擴(kuò)挖提升系統(tǒng)拆除節(jié)約工期10 d，一次反擴(kuò)施工節(jié)約工期13 d)，將推進(jìn)項(xiàng)目按節(jié)點(diǎn)目標(biāo)順利完工。

4 施工程序調(diào)整后遇到的問題及解決措施

梅蓄電站上、下庫閘門井開挖施工程序調(diào)整后主要存在以下兩個(gè)方面的問題：

1) 全斷面一次擴(kuò)挖施工時(shí)，溜渣井直徑僅有1.4 m，將大大提高溜渣井堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 溜渣井直徑減小后，扒渣的工作量將大大提高，人工投入及勞動強(qiáng)度增加。

因此，為保證上、下庫閘門井開挖施工順利進(jìn)行并達(dá)到調(diào)整施工程序后預(yù)期的目標(biāo)，必須采取相應(yīng)解決措施，以保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。

結(jié)合類似豎井開挖施工經(jīng)驗(yàn)并針對上、下庫閘門井井身較短的特點(diǎn)，采用了以下兩點(diǎn)措施：

1) 設(shè)計(jì)合理的爆破參數(shù)：炮孔方向應(yīng)平行于Φ1.4 m溜渣導(dǎo)孔軸線，布孔間距太大會造成爆破后石渣塊徑較大，容易造成溜渣井堵塞。布孔間距太小會導(dǎo)致打孔時(shí)間過長、起爆器材及炸藥使用量大，不利于成本控制。每循環(huán)爆破后的石渣量與開挖進(jìn)尺的大小有關(guān)，每循環(huán)進(jìn)尺過大，爆破后大量的石渣會瞬間堵塞溜渣井井口，給施工帶來較大的安全隱患，因此，必須控制每循環(huán)開挖進(jìn)尺。經(jīng)生產(chǎn)性試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際施工總結(jié)，適合上、下庫閘門井全斷面開挖施工的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)為：每排炮進(jìn)尺2.0 m，最大孔距為0.8 m，排距0.7 m，采用毫秒非電起爆網(wǎng)絡(luò)[2]。上、下庫閘門井?dāng)U挖鉆爆示意見圖1，主要爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 上、下庫閘門井?dāng)U挖鉆爆示意(單位：mm)

表1 上、下庫閘門井主要爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

2) 現(xiàn)場擴(kuò)挖施工時(shí)，為減小每循環(huán)扒渣量，將掌子面溜渣導(dǎo)井孔口擴(kuò)挖成漏斗形。增大溜渣井孔口斷面，為防止溜渣井堵塞的同時(shí)，在開挖爆破后能夠有效匯集開挖石渣并使之沿導(dǎo)井溜至閘門井底部。從而使豎井開挖掌子面留有的石渣量最小，節(jié)省扒渣時(shí)間，減小人工勞動強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度。

5 施工布置

5.1 提升系統(tǒng)布置

上、下庫閘門井開挖提升系統(tǒng)主要功能是滿足閘門井材料、扒渣用反鏟吊運(yùn)的需要，該提升系統(tǒng)分2個(gè)階段布置：第1階段，即閘門井井口20 m段開挖支護(hù)階段，采用16 t汽車吊吊運(yùn)材料、25 t汽車吊吊運(yùn)扒渣反鏟上下閘門井。第2階段為閘門井井口20 m以下的井身段開挖支護(hù)階段，其提升系統(tǒng)包括：5 t變頻卷揚(yáng)機(jī)1臺，2 t牽引用卷揚(yáng)機(jī)1臺，1個(gè)門形支架、1套反鏟運(yùn)輸小車、1個(gè)井蓋、1組鋼絲繩及其轉(zhuǎn)向滑輪系統(tǒng)。圖2～3分別為上、下庫閘門井井口平臺提升系統(tǒng)布置示意。

圖2 上庫閘門井井口平臺提升系統(tǒng)布置示意(單位：mm)

圖3 下庫閘門井井口平臺提升系統(tǒng)布置示意(單位：mm)

5.2 施工人員上下閘門井途徑

上、下庫閘門井開挖提升系統(tǒng)主要功能是滿足閘門井材料、扒渣用反鏟吊運(yùn)的需要，不具備承載施工人員上下閘門井功能。閘門井井口20 m段擴(kuò)挖時(shí)(即第1階段)人員上下通過井壁掛設(shè)的鋼管直爬梯，為保證人員安全應(yīng)在直爬梯上加設(shè)防墜器，并做好雙保險(xiǎn)措施。閘門井?dāng)U挖第2階段時(shí)人員上下采用布設(shè)于井壁的之字形鋼爬梯，鋼爬梯底部應(yīng)與工作面間有約5 m的安全距離，在施工過程中根據(jù)飛石對爬梯的破壞程度對安全距離進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，人員通過直爬梯上下，該處直爬梯與井口20 m段相同，需加設(shè)防墜器，并做好雙保險(xiǎn)措施。鋼爬梯結(jié)構(gòu)布置見圖4。

6 施工方法

6.1 反擊鉆機(jī)導(dǎo)孔、導(dǎo)井施工

梅蓄電站上、下庫閘門井反井施工均采用LM-250型反井鉆。反井鉆施工分為導(dǎo)孔施工、擴(kuò)孔施工兩個(gè)步驟[3]。

上、下庫進(jìn)出水口閘門井導(dǎo)井施工步驟基本一致，具體施工步驟為：作業(yè)平臺的施工→反井鉆機(jī)基礎(chǔ)及循環(huán)水池的施工→安放干凈油筒配小潛水泵做主機(jī)冷卻循環(huán)水→安裝反井鉆機(jī)，并進(jìn)行調(diào)試→由上向下鉆進(jìn)Φ200 mm導(dǎo)孔→導(dǎo)孔貫通后，拆掉導(dǎo)孔鉆頭，接上Φ1.4 m擴(kuò)孔鉆頭，由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔施工→拆除鉆機(jī)并做好防護(hù)。

圖4 鋼爬梯結(jié)構(gòu)布置側(cè)視示意

1) 先導(dǎo)孔施工

閘門井井口測量定位后，對井口場地進(jìn)行整平、清理，然后澆筑基礎(chǔ)混凝土?；A(chǔ)尺寸為4.5 m×3 m，厚為0.7 m，分一、二期澆筑。待反井鉆機(jī)基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后，進(jìn)行鉆機(jī)安裝調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保先導(dǎo)孔的鉆孔精度，控制先導(dǎo)孔偏斜率，在鉆進(jìn)過程中，及時(shí)跟進(jìn)測斜，當(dāng)發(fā)生鉆孔偏斜時(shí)則必須及時(shí)采取措施糾偏[4]。結(jié)合以往反井鉆施工斜井經(jīng)驗(yàn)，擬定施鉆參數(shù)如表2。

表2 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)選擇

2) 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

當(dāng)擴(kuò)孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉(zhuǎn)速(5～9 rpm)旋轉(zhuǎn)，并慢慢給進(jìn)、保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞，鉆頭停下，等刀齒把凸出的巖石破碎掉，再繼續(xù)給進(jìn)。開始擴(kuò)孔時(shí)，下邊要有人觀察，將情況及時(shí)通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴(kuò)孔鉆進(jìn)。在擴(kuò)孔鉆頭全部進(jìn)入鉆孔時(shí)，為防止鉆頭劇烈晃動而損壞鉆頭鉆具，應(yīng)該使用低鉆壓[5]。此時(shí)鉆機(jī)的提升能力為720 kN，扣除系統(tǒng)的壓力損失，提升能力為680 kN。正常鉆孔過程中，擴(kuò)孔施工鉆孔速度為0.5～0.7 m/h，鉆壓為800～1 200 kN，轉(zhuǎn)速為7～8 r/min，回轉(zhuǎn)扭矩50～60 kN·m。在擴(kuò)孔過程中，當(dāng)巖石硬度較大，可適當(dāng)增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)要及時(shí)清理擴(kuò)孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。換鉆桿操作時(shí)在鉆桿未固定的條件下應(yīng)切記不能反轉(zhuǎn)，否則鉆桿易脫落[6]。擴(kuò)孔過程也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿要進(jìn)行必要的清理，上油戴好保護(hù)帽。

3) 完孔

當(dāng)鉆頭鉆至距基礎(chǔ)2.5 m時(shí)，應(yīng)降低鉆壓慢速鉆進(jìn)，且需認(rèn)真觀察基礎(chǔ)周圍是否有異?，F(xiàn)象。如果基礎(chǔ)四周出現(xiàn)裂縫，則停止鉆進(jìn)、停機(jī)，小心將鉆頭固定，在確保安全時(shí)小心拆除鉆機(jī)，最后用風(fēng)鎬挖掉松動基巖，取出鉆頭。

4) 拆機(jī)

將擴(kuò)孔鉆頭卡固在鋼軌上，拆掉鉆機(jī)的前后斜拉桿和各種油管，將主機(jī)從鉆架上拆掉，將鉆架主機(jī)車和一些輔助設(shè)備拆下。將擴(kuò)孔鉆頭吊牢，將軌道拆掉，再將鉆頭提出孔外。隨后將操作車吊上來，再將泵車、油箱冷卻器拆下，全部鉆孔工作結(jié)束。

6.2 豎井石方擴(kuò)挖

1) 井口段20 m擴(kuò)挖

上、下閘門井井口20 m段爆破開挖時(shí)，飛石較易飛出井口，因此，為有效防止爆破飛石損傷，需先行開挖井口20 m范圍后再安裝閘門井上部提升系統(tǒng)。該段閘門井開挖時(shí)，人員上下通過井壁掛設(shè)的鋼管直爬梯，為保證人員安全，應(yīng)在直爬梯上加設(shè)防墜器，并做好雙保險(xiǎn)措施，材料和設(shè)備吊運(yùn)采用16 t隨車吊和25 t汽車吊。

2) 井口20 m以下井身擴(kuò)挖

井口以下20 m開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行擴(kuò)挖井口提升系統(tǒng)安裝。該提升系統(tǒng)的主要功能是滿足閘門井材料和扒渣用反鏟吊運(yùn)的需要，其構(gòu)成包括：1個(gè)門形支架、1個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺、1套反鏟運(yùn)輸小車、1個(gè)井蓋，1臺提升用5 t變頻卷揚(yáng)機(jī)，1臺2 t牽引用卷揚(yáng)機(jī)、1組鋼絲繩及其轉(zhuǎn)向滑輪系統(tǒng)。

此時(shí)人員上下采用布設(shè)于井壁的之字形鋼爬梯，隨著閘門井開挖掌子面逐漸向下延伸，布置于井壁的之字形鋼爬梯逐段向下安裝。

3) 爆破擴(kuò)挖

豎井段擴(kuò)挖采用手風(fēng)鉆造孔，2#巖石乳化炸藥爆破開挖，藥卷參數(shù)為Φ32×350 mm。為保證爆破效果，以先期成形的Φ1.4 m反導(dǎo)井為爆破臨空面，因此，炮孔方向應(yīng)平行于Φ1.4 m溜渣導(dǎo)孔軸線，一次爆破擴(kuò)挖后達(dá)到設(shè)計(jì)斷面尺寸。正式擴(kuò)挖開始前，應(yīng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，驗(yàn)證爆破參數(shù)的合理性。

爆破完成后產(chǎn)生的松渣，由反鏟配合人工送入溜渣井，為防止導(dǎo)井堵塞，上、下庫閘門井下平段集渣場在溜渣結(jié)束后，檢查無堵塞情況，應(yīng)盡快用井蓋將溜渣井井口封閉，組織3 m3裝載機(jī)配合20 t自卸車出渣。爆破孔間排距嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)造孔，孔間排距不得大于鉆爆設(shè)計(jì)要求，裝藥時(shí)嚴(yán)格控制裝藥量、堵塞長度，每次溜渣結(jié)束后檢查是否有堵塞情況，如有堵塞情況判斷堵塞位置后采用小藥量進(jìn)行崩落，利用導(dǎo)爆索引至孔口起爆。

7 結(jié)語

梅州抽水蓄能電站上、下庫閘門井采用正井法一次擴(kuò)挖成型的施工方法較常規(guī)采用兩次擴(kuò)挖的施工方法共節(jié)約工期23 d，按照單個(gè)閘門井?dāng)U挖日投入25人，每人每天工資按200元計(jì)，其節(jié)約人工費(fèi)25×200×23×2=230 000元。直接節(jié)約工程施工成本23萬元，相關(guān)節(jié)省施工期間照明用電、機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)、管理人員工資以及提前完成施工任務(wù)產(chǎn)生的相關(guān)間接經(jīng)濟(jì)效益約15萬元，實(shí)際產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益共計(jì)38萬元。

與常規(guī)豎井分兩次擴(kuò)挖相比，梅蓄電站上、下庫閘門井，采用反井鉆機(jī)施工完成Φ1.4 m導(dǎo)井后自上而下全斷面擴(kuò)挖成形的施工程序，減少了自下而上反井法一次擴(kuò)挖的施工程序，也省去了一次擴(kuò)挖提升系統(tǒng)拆除的施工環(huán)節(jié)。降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，加快了施工進(jìn)度，降低了施工資源投入，提高了施工總體效率，同時(shí)也產(chǎn)生了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。