正反井開挖施工技術(shù)在梅蓄電站下庫閘門井上的應(yīng)用

張春洪,梁勝利

(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

梅州抽水蓄能電站的輸水發(fā)電系統(tǒng)工程下水庫進(jìn)/出水口閘門井位于下庫進(jìn)/出水口EL.421平臺(1#公路靠下水庫側(cè))，其底部與尾水主洞相連。井口高程為421.000 m，井底高程為348.446 m，總開挖深度為72.554 m，其中井口至尾水主洞頂拱一段井深59.404 m(EL.421.000～EL.361.596)，開挖斷面為13.6 m×7.9 m矩形斷面。

下庫進(jìn)/出水口閘門井井身段巖性為中粗粒黑云母花崗巖，井口及上部，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎；下部為微風(fēng)化～新鮮的花崗巖，巖石完整。強(qiáng)風(fēng)化下限高程約為418.000 m，弱風(fēng)化下限高程約為406.000 m，地下水位高程為406.000 m。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計推測井口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 閘門井開挖程序

結(jié)合地質(zhì)情況及開挖施工方案，閘門井的開挖程序見圖1所示。

3 施工提升系統(tǒng)布置

提升系統(tǒng)分兩個階段布置。第一階段為閘門井井口20 m段開挖支護(hù)階段，這一階段采用16 t汽車吊吊運(yùn)材料，采用25 t汽車吊吊運(yùn)扒渣反鏟挖掘機(jī)進(jìn)出閘門井。第二階段為閘門井井口20 m以下的井身段開挖支護(hù)階段，這一階段的提升系統(tǒng)包括：1臺10 t提升用變頻卷揚(yáng)機(jī)，1臺2 t牽引用卷揚(yáng)機(jī)，1個門形支架、一套反鏟運(yùn)輸小車、一個井蓋、一組鋼絲繩及其轉(zhuǎn)向滑輪系統(tǒng)。提升體統(tǒng)布置見圖2，圖中、、表示10 t變頻卷揚(yáng)機(jī)基礎(chǔ)控制點(diǎn)。

注：Ⅰ為導(dǎo)孔施工；Ⅱ為Φ1.4 m導(dǎo)井反拉；Ⅲ為井口覆蓋層正井法開挖；Ⅳ為井身段鉆爆開挖；Ⅴ：閘門槽開挖。

圖1 下水庫進(jìn)/出水口閘門井開挖程序示意(單位：mm)

圖2 提升系統(tǒng)平面布置示意(單位：mm)

3.1 第一階段提升系統(tǒng)

閘門井井口20 m段開挖支護(hù)期間，主要吊運(yùn)入井的材料有掛網(wǎng)及錨桿鋼筋、錨固劑和其他材料及扒渣用的反鏟挖掘機(jī)、鉆孔手風(fēng)鉆及其配件等。材料采用16 t汽車吊起吊，設(shè)備采用25 t汽車吊吊運(yùn)。

3.2 第二階段提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與布置

3.2.1卷揚(yáng)機(jī)及牽引系統(tǒng)布置

采用10 t變頻卷揚(yáng)機(jī)，布置在閘門井右側(cè)421平臺，距離閘門井中心30 m。卷揚(yáng)機(jī)卷筒軸線與閘門井寬度方向平行，卷筒中心布置在閘門井縱軸線的延長線上。牽引鋼絲繩選用直徑為26 mm的6×37 s+FC纖維芯鋼絲繩。卷揚(yáng)機(jī)為單繩纏繞。鋼絲繩纏繞卷筒并引出后，繞過井口門形支架上的定滑輪，向下再繞過起吊點(diǎn)處配置的1個單門15 t動滑輪，向上引至井口并鎖死在門形支架上。卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，牽引的鋼絲繩繩頭鎖死在門形支架，卷筒收放鋼絲繩來牽引下部動滑輪及重物上下運(yùn)行。卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)

3.2.2井口門形支架、轉(zhuǎn)向滑輪及溜渣井井蓋布置

1) 門形支架凈高4.5 m，跨度9.9 m，在鋼筋加工場進(jìn)行制作，門形支架頂部平臺主梁為3根I36c工字鋼，斜撐為4根I25b工字鋼，兩者間通過16 mm厚鋼板及I25b邊架頂梁焊接，頂部主梁間設(shè)[20a平臺連系梁，并覆3 mm厚花紋鋼板作為人員通道，頂部平臺四周設(shè)護(hù)欄。門形支架結(jié)構(gòu)示意見圖3，轉(zhuǎn)向滑輪與井蓋位置示意見圖4。

圖3 門形支架結(jié)構(gòu)示意

圖4 轉(zhuǎn)向滑輪與井蓋位置示意(單位：mm)

2) 門形支架上轉(zhuǎn)向滑輪直徑600 mm，布置在井架中部，轉(zhuǎn)向滑輪中心線與卷揚(yáng)機(jī)卷筒中心線的連線應(yīng)與卷筒軸線垂直。

3) 井蓋的作用是防止井內(nèi)施工人員從Φ1.4 m溜渣孔墜落。井蓋尺寸為3 m×3 m，其龍骨采用[16槽鋼@600×600 mm，上部設(shè)置Φ20@100×100 mm鋼筋網(wǎng)片，四角各設(shè)置一根2 m長Φ18 mm鋼絲繩作為起吊繩。井蓋細(xì)部結(jié)構(gòu)見圖5所示。

注：1為Φ20圓鋼，2、3、4為[16槽鋼。

圖5 井蓋細(xì)部結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

4 閘門井開挖施工工藝

4.1 Φ1.4 m導(dǎo)井施工

下庫進(jìn)出水口閘門井Φ1.4m導(dǎo)井采用LM250型反井鉆機(jī)施工，主要施工內(nèi)容包括：豎井中心測量定位澆筑反井鉆機(jī)基礎(chǔ)鉆機(jī)安裝打設(shè)Φ200 mm先導(dǎo)孔反擴(kuò)鉆頭安裝Φ1.4 m導(dǎo)井反拉，鉆機(jī)及基礎(chǔ)拆除等[1]。為保證開挖質(zhì)量和進(jìn)度，采取的主要措施如下：

1)Φ200 mm先導(dǎo)孔施工精度控制[2]

① 在導(dǎo)孔開孔前對鉆進(jìn)的軸線進(jìn)行復(fù)測，使鉆桿中心和豎井中心點(diǎn)對準(zhǔn)。

② 利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔。

③ 導(dǎo)孔鉆進(jìn)5～10 m左右由測量再次復(fù)核鉆孔角度。

④ 結(jié)合以往施工經(jīng)驗，先導(dǎo)孔開孔時的鉆孔速度控制在0.5～0.8 m/h，推進(jìn)力為20～150 kN；轉(zhuǎn)速為12～18 r/min；正常鉆孔過程中為1.0～1.5 m/h，推進(jìn)力為250～270 kN，轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，回轉(zhuǎn)扭矩5～15 kN·m。

⑤ 鉆頭后連續(xù)安裝6根穩(wěn)定鉆桿，隨后3根普通鉆桿，1根穩(wěn)定鉆桿，再放3根普通鉆桿，1根穩(wěn)定鉆桿，組成開孔鉆具組。穩(wěn)定鉆桿選用磨損較少的鉆桿，如果磨損較大，合理增加1～2根穩(wěn)定鉆桿。

⑥ 導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速應(yīng)高于開孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速，用Ⅱ檔或Ⅲ檔，遇到松軟地層和過渡地層采用低鉆壓，遇到硬巖和穩(wěn)定地層宜采用高鉆壓。

⑦ 施工過程中對鉆壓、鉆速、地質(zhì)、鉆深、穩(wěn)定鉆桿配置、異常情況處理等進(jìn)行控制，發(fā)現(xiàn)偏離設(shè)計鉆進(jìn)軸線位置，及時采取措施進(jìn)行糾偏和處理。

2)Φ1.4 m導(dǎo)井施工質(zhì)量控制

① 開孔時慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低鉆速5～9 rpm旋轉(zhuǎn)。

② 系統(tǒng)壓力控制在18 MPa之內(nèi)。

③ 巖石硬度較大，適當(dāng)增加鉆壓，反之減小鉆壓。

④ 防堵井措施：在爆破前將廢舊鋼絲繩穿入溜渣井內(nèi)(盡量使用大直徑鋼絲繩，且鋼絲繩每隔1 m設(shè)置一個繩卡，用于增大受力面)，如發(fā)生堵井，利用卷揚(yáng)機(jī)向上提升鋼絲繩，對堵井點(diǎn)進(jìn)行擾動，達(dá)到疏通井身的目的。

采取上述措施后，取得了良好的效果，Φ200 mm先導(dǎo)孔鉆孔偏斜率為0.92%，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，平均鉆進(jìn)速度達(dá)19.9 m/d，Φ1.4 m導(dǎo)井平均施工速度達(dá)9.95 m/d。

4.2 井口覆蓋層開挖施工

根據(jù)設(shè)計圖紙及反井鉆基礎(chǔ)開挖情況分析，閘門井井口向下約3～5 m為強(qiáng)風(fēng)化層。在井口增設(shè)井圈鎖口混凝土后，該部位采用從上至下“正井法”施工技術(shù)。

地表全風(fēng)化覆蓋層采用1.8 m3反鏟挖掘機(jī)直接開挖[3]，配20 t自卸汽車出渣至庫底渣場，開挖層高2 m，支護(hù)緊跟開挖進(jìn)行。

井口段風(fēng)化程度較弱巖體，1.8 m3反鏟無法直接開挖時，采用1.8 m3反鏟帶10 t液壓破碎錘鑿除，再采用另1臺1.8 m3反鏟撈渣，配20 t自卸汽車出渣至2#石料中轉(zhuǎn)場。開挖層高50 cm，每開挖2 m后進(jìn)行支護(hù)施工。

4.3 井身段開挖施工

閘門井井口5m以下反鏟的開挖深度受限，巖石完整性增強(qiáng)，采用鉆孔爆破方式，以先期施工完成的導(dǎo)井為溜渣井，“正井法”自上而下一次擴(kuò)挖成型[4]。人員上下閘門井采用井壁固定的“之字形”鋼梯，材料和設(shè)備上下采用提升系統(tǒng)吊運(yùn)。

為有效防止爆破飛石損傷，開挖井口5～20 m段后再安裝閘門井上部提升系統(tǒng)。

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。開挖工藝流程見圖6所示。

1) 開挖準(zhǔn)備

井內(nèi)風(fēng)、水、電就緒，施工人員、機(jī)具準(zhǔn)備就位。

2) 測量放線

擴(kuò)挖施工前需提前將控制導(dǎo)線引至閘門井井口，并在井口設(shè)置控制點(diǎn)。由測量專業(yè)人員采用全站儀實施。擴(kuò)挖每排炮后進(jìn)行閘門井中心線、設(shè)計規(guī)格線檢查，并根據(jù)爆破設(shè)計參數(shù)點(diǎn)布孔。爆破設(shè)計參數(shù)表見表2，爆破設(shè)計參數(shù)見圖7。開挖斷面檢查在噴混凝土前進(jìn)行，檢查間距為5 m。定期進(jìn)行導(dǎo)線點(diǎn)檢查、復(fù)測，確保測量控制精度。同時，隨閘門井開挖、支護(hù)進(jìn)度，每隔10 m在兩側(cè)洞壁設(shè)一明顯的樁號標(biāo)志，并作好保護(hù)。

圖6 爆破開挖工藝流程示意

表2 閘門井井身段爆破設(shè)計參數(shù)

3) 鉆孔作業(yè)

由熟練鉆工按照測量定出的開挖輪廓線進(jìn)行鉆孔，分區(qū)、分部位定人定位施鉆。每排炮按“平、直、齊”的要求進(jìn)行檢查，做到炮孔的孔底落在爆破規(guī)定的同一個垂直斷面上。擴(kuò)挖輪廓線均采用光面爆破。

4) 裝藥爆破

裝藥前用高壓風(fēng)沖掃炮孔，炮孔經(jīng)檢查合格后，方可進(jìn)行裝藥爆破；光爆孔將小藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥。崩落孔和其它爆破孔裝藥要密實，按照爆破設(shè)計進(jìn)行裝藥及聯(lián)結(jié)起爆網(wǎng)絡(luò)，炮泥堵塞長度不小于1/3，孔口壓沙袋，沙袋上覆橡膠輪胎炮被及竹條板，井口鋪鋼絲繩網(wǎng)，以防控飛石。最后由炮工和值班技術(shù)員復(fù)核無誤后，撤離人員和設(shè)備，炮工負(fù)責(zé)引爆。

圖7 井身段鉆爆示意(單位：mm)

光面爆破須達(dá)到以下要求：

① 鉆孔孔口位置、角度和孔深應(yīng)符合爆破設(shè)計的要求；

② 炮眼殘孔率：除不良地質(zhì)段外，炮眼殘孔率應(yīng)在80%以上；

③ 相鄰兩孔間的巖面平整，孔壁沒有明顯的爆震裂隙；

④ 相鄰兩茬炮之間臺階的錯臺不應(yīng)大于15 cm；

⑤ 擴(kuò)大掌子面孔口尺寸成漏斗形。

井身段周邊孔、光爆孔裝藥示意見圖8～9。

圖8 井身段周邊孔裝藥示意(單位：cm)

圖9 井身段光爆孔裝藥示意(單位：cm)

周邊孔的線裝藥密度、單孔藥量和單位耗藥量計算如下：

周邊孔的線裝藥密度=單孔裝藥量/裝藥長度=0.35/1.90=0.184 kg/m

(1)

周邊孔單孔藥量=底藥+中間節(jié)裝藥量×節(jié)數(shù)=2/3×300+1/8×300×4=350 g

(2)

式(2)中的參數(shù)見圖8，計算結(jié)果見表2。

光爆孔單孔藥量=底藥+中間節(jié)裝藥量×節(jié)數(shù)=1×300+1/2×300×8=1 500 g

(3)

式(3)中的參數(shù)見圖9，計算結(jié)果見表2。

總裝藥量=光爆孔單孔藥量×孔數(shù)+周邊孔單孔藥量×孔數(shù)=1 500×166+350×76=275 600 g=275.6 kg

(4)

式(4)中的孔數(shù)見圖7，計算結(jié)果見表2。

按閘門井平均超挖6 cm、實際進(jìn)尺2.2 m計，石渣量=(開挖斷面面積-導(dǎo)井面積)×實際進(jìn)尺=[(13.6+0.06×2)×(7.9+0.06×2)-3.14×0.72]×2.2=238.7 m3

(5)

式(5)中的參數(shù)見圖1。

單位耗藥量=總裝藥量/石渣量=275.6/238.7=1.15 kg/m3

(6)

5) 通風(fēng)散煙及除塵：開挖爆破后30分鐘內(nèi)煙塵自然擴(kuò)散，并噴水除塵。

6) 扒渣及安全處理：閘門井爆破后，經(jīng)通風(fēng)散煙，采用10 t卷揚(yáng)機(jī)吊運(yùn)徐工XE60D反鏟入井內(nèi)扒渣[5]，從四周向溜渣孔扒渣，局部位置人工配合扒渣。扒渣時優(yōu)先將渣料表面及邊墻上危石清除。

在溜渣井堵塞使用預(yù)埋鋼絲繩抖動無法疏通時，采用氫氣球提升炸藥爆破法進(jìn)行疏通[6]。

7) 出渣及清底：溜渣結(jié)束并用井蓋將導(dǎo)井井口封閉后，即采用裝載機(jī)配合自卸汽車在下部尾水主洞進(jìn)行出渣[7]。

閘門井底部尾水主洞的存渣量約900 m3，閘門井排炮進(jìn)尺按2 m計算，松方系數(shù)取1.4，則下部集渣量約為3排炮堆渣量。因此每開挖2～3排炮即需出渣一次。

4.4 閘門槽段開挖施工

閘門槽段指閘門井底部與尾水主洞相交段，總高13.15 m，該段開挖斷面尺寸為13.6 m×7.9 m，但因該段閘門井內(nèi)部的尾水主洞開挖時內(nèi)部寬11.2 m范圍已經(jīng)開挖完成，形成臨空面，故閘槽兩側(cè)各剩余1.2 m厚巖體需要開挖。結(jié)構(gòu)示意見圖10。

圖10 閘門槽段結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

采用手風(fēng)鉆造孔，中部崩落，周邊光爆開挖。與尾水主洞直邊墻相交段兩側(cè)1.2 m厚巖體采用手風(fēng)鉆豎直鉆孔，光爆修邊。周邊孔采用竹片加導(dǎo)爆索間隔裝藥，線裝藥密度116 g/m。該段開挖鉆孔深度3.5 m，預(yù)期排炮進(jìn)尺3 m。周邊孔裝藥示意見圖11。

圖11 閘門槽段周邊孔裝藥示意(單位：cm)

5 施工效果

1) 2019年9月24日導(dǎo)孔開鉆，9月26日導(dǎo)孔貫通。經(jīng)測量檢查導(dǎo)孔鉆進(jìn)59.689 m，X向偏差-0.438 m，Y向偏差-0.327 m。經(jīng)計算導(dǎo)孔日進(jìn)尺19.9 m/d，類似工程反井鉆導(dǎo)孔最大進(jìn)尺15 m/d，提前1 d完成。經(jīng)計算導(dǎo)孔偏斜率0.92%，滿足《水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范》(DL/T 5407—2009)鉆孔偏斜率不大于1%的要求。

2) 2019年9月27日導(dǎo)井反拉開鉆，10月2日反拉完成，經(jīng)計算導(dǎo)井?dāng)U挖日進(jìn)尺9.95 m/d，達(dá)到類似工程導(dǎo)井最大進(jìn)尺10 m/d水平。

3) 結(jié)合《水利水電工程施工技術(shù)全書》第二卷土石方工程第一冊爆破技術(shù)表4-1各類巖體的單位耗藥量：風(fēng)化較輕，節(jié)理不甚發(fā)育細(xì)粒結(jié)構(gòu)花崗巖單位炸藥耗藥量1.3～1.6 kg/m3。梅蓄電站下庫閘門井井身段圍巖為Ⅲ類，微風(fēng)化～新鮮的花崗巖，巖石完整，單位耗藥量1.15 kg/m3，接近經(jīng)驗值的下限，比經(jīng)驗爆破炸藥節(jié)省。

4) 通過適當(dāng)加密布孔參數(shù)，減小主爆孔間距，減小排炮開挖進(jìn)尺，增加爆破延時，降低大塊率，最大石塊直徑不大于溜渣井洞徑1/3，同時擴(kuò)大掌子面孔口尺寸成漏斗型，爆破后石渣順利通過溜渣井，閘門井開挖過程未發(fā)生導(dǎo)井堵塞，節(jié)省扒渣時間，減小人工勞動強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度，為電站按期蓄水發(fā)電提供條件。

6 結(jié)語

下庫閘門井成功應(yīng)用正反井開挖施工技術(shù)進(jìn)行施工，施工進(jìn)度快，形成一套成熟完整的施工工藝，給類似閘門井開挖提供參考，具體優(yōu)勢如下：

1) 采用正井法一次擴(kuò)挖施工，省去一次擴(kuò)挖施工及提升系統(tǒng)布置、拆除等環(huán)節(jié)，降低施工安全風(fēng)險，節(jié)省開挖施工循環(huán)時間，提高閘門井開挖總體施工工效。

2) 采用反井法形成導(dǎo)井作為溜渣通道，開挖和出渣同步進(jìn)行，無交叉，互不干擾，解決了從井口出渣工效低的難題，壓縮了開挖施工循環(huán)時間。利用豎直臨空面，有利于爆破施工。

3) 正井全斷面開挖施工形成的工作面空間大，有利于發(fā)揮機(jī)械施工工效。

4) 正井一次擴(kuò)挖成型風(fēng)、水、電設(shè)施一次鋪設(shè)到位，節(jié)約了施工成本。

5) 利用鋼爬梯作為人員上下施工通道，開挖施工可連續(xù)作業(yè)，開挖各環(huán)節(jié)施工更加緊湊。

6) 開挖前井口施工鎖口混凝土及井口15 m范圍施工護(hù)壁混凝土，有效的保證開挖成型質(zhì)量，施工作業(yè)安全風(fēng)險降低。