斜井一次擴(kuò)挖成型工藝在海蓄電站的應(yīng)用

熊曉杰，陳文杰

(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

海南瓊中抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩級斜井，每級斜井均由上彎段、直線段及下彎段組成，其中一級斜井長為247.958 m，直線段長為192.461 m，全部為Ⅱ～Ⅲ級圍巖。二級斜井長227.118 m，直線段長為170.122 m，Ⅱ～Ⅲ級圍巖長為65 m，占二級斜井總長的28.6%；Ⅲ級圍巖長為110 m，占二級斜井總長的48.4%；Ⅳ級圍巖長為52.118 m，占二級斜井總長的23%。斜井開挖洞徑均為Φ9.6 m，襯砌后洞徑均為Φ8.4 m，傾角均為55°(見圖1)[1]。

圖1 斜井開挖結(jié)構(gòu)示意

2 施工工藝的確定

海蓄電站一、二級斜井地質(zhì)條件差，兩條斜井巖石節(jié)理發(fā)育明顯，圍巖破碎，穿過多條斷層，并有不同程度地下水滲出。如果采用常規(guī)施工方法，通過反井鉆機(jī)施工，完成Φ1.4 m導(dǎo)井后再通過人工從下至上進(jìn)行一次反擴(kuò)施工，存在較大安全隱患，因?yàn)榉淳@機(jī)施工完成的導(dǎo)井很難進(jìn)行初期支護(hù)，施工人員在地質(zhì)條件較差的導(dǎo)井中進(jìn)行作業(yè)，過程中產(chǎn)生的掉塊很容易造成作業(yè)人員的傷亡[2]。

斜井施工工期緊、任務(wù)重，如果省去一次反擴(kuò)施工程序，在后續(xù)其他作業(yè)均按計(jì)劃進(jìn)行的情況下，每條斜井將節(jié)約工期約50 d(其中一次擴(kuò)挖提升系統(tǒng)布置與拆除20 d，一次反擴(kuò)施工工期30 d)，如果能夠順利實(shí)施將加快斜井施工進(jìn)度，推進(jìn)項(xiàng)目按合同要求完成目標(biāo)。

從安全和進(jìn)度兩方面考慮，決定不采用常規(guī)斜井開挖施工方法進(jìn)行海蓄電站兩級斜井的開挖施工。常規(guī)斜井開挖施工方法為：反井鉆機(jī)Φ216 mm先導(dǎo)孔施工→反井鉆機(jī)Φ1.4 m導(dǎo)井反擴(kuò)施工→自下至上一次擴(kuò)挖形成Φ3～Φ4 m 溜渣導(dǎo)井→自上至下二次擴(kuò)挖成形。海蓄電站將斜井開挖程序調(diào)整為：反井鉆機(jī)施工完成Φ2 m導(dǎo)井后一次性從上至下全斷面開挖成形，即省去溜渣導(dǎo)井形成后從下至上的一次反井法擴(kuò)挖施工。

3 施工過程存在的問題及對策

海蓄電站斜井開挖施工程序調(diào)整后主要存在以下兩個方面的問題：

1) 溜渣井直徑僅為2 m，全斷面擴(kuò)挖施工時，溜渣井堵塞的風(fēng)險(xiǎn)將大大提高；

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，為保證兩級斜井開挖施工順利進(jìn)行并達(dá)到施工程序調(diào)整后預(yù)期的目標(biāo)，必須采取相應(yīng)措施解決上述兩個問題，確保項(xiàng)目的順利開展和實(shí)施。

結(jié)合以往斜井開挖施工經(jīng)驗(yàn)，必須在以下幾個方面對施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1) 導(dǎo)井位置

導(dǎo)井的位置直接關(guān)系到扒渣量的大小，導(dǎo)井位置的合理確定將有效加快斜井開挖施工速度。從開挖后扒渣作業(yè)的安全考慮，孔底堆渣不宜過高，過低又會增加堵井概率；導(dǎo)孔在施工過程中因反井鉆機(jī)一直處于傾斜狀態(tài)，鉆進(jìn)過程鉆頭易向上傾斜；因斜井結(jié)構(gòu)影響，搭設(shè)反井鉆機(jī)施工平臺需進(jìn)行技術(shù)超挖，導(dǎo)井位置直接影響超挖工程量。綜合以上因素，最終確定導(dǎo)井中心位于斜井軸線下方1 m處(見圖2)。

圖2 斜井開挖典型斷面示意(單位：mm)

2) 反井鉆機(jī)施工精度

反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工精度一直是斜豎井施工過程中控制的重點(diǎn)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，反井鉆機(jī)在導(dǎo)井施工過程受地質(zhì)情況、鉆壓、鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)深度等因素影響，反井鉆機(jī)在貫通后鉆頭往往會偏離設(shè)計(jì)的位置。因此，施工過程中應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件控制反井鉆機(jī)掘進(jìn)速度和鉆頭壓力，保證反井鉆機(jī)鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定性，定期檢查鉆機(jī)狀態(tài)，更換和安裝鉆桿時應(yīng)該保證鉆桿穩(wěn)固，定期測量先導(dǎo)孔斜度，及時調(diào)整鉆進(jìn)角度，將導(dǎo)井施工的偏差降到最小[3]。

3) 爆破參數(shù)

爆破后石渣塊徑的大小與溜渣井堵塞有直接關(guān)系，石渣塊徑較大，溜渣井堵塞的概率越高，因此，必須通過調(diào)整爆破參數(shù)控制石渣塊徑，爆破孔的布置應(yīng)根據(jù)導(dǎo)井的尺寸進(jìn)行調(diào)整，布孔間距太大造成爆破后石渣塊徑較大，容易堵塞溜渣井；布孔間距太小，打孔時間過長，炸藥及起爆器材使用量大，不利于成本控制。開挖進(jìn)尺的大小決定了每循環(huán)爆破后的石渣量，進(jìn)尺過大，爆破后大量的石渣會在瞬間將溜渣井井口堵塞，給施工帶來較大的安全隱患。同時為保證光面爆破效果，周邊孔線裝藥密度應(yīng)控制在0.22 kg/m，周邊孔鉆進(jìn)過程控制鉆桿鉆進(jìn)角度。因此，必須控制開挖進(jìn)尺、造孔角度和單孔藥量。

經(jīng)生產(chǎn)性試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)際施工總結(jié)，適合斜井Φ2 m溜渣孔全斷面開挖施工的布孔參數(shù)為：周邊孔布孔間距為50 cm，主爆孔布孔間距為80 cm，排距均為80 cm，間、排距允許最大偏差不超過5 cm，每循環(huán)進(jìn)尺不超過2 m，每循環(huán)開挖進(jìn)尺不宜超過1.2 m(見圖3和表1)。

圖3 爆破擴(kuò)挖布孔示意

表1 爆破設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

5) 爆破用雷管

將斜井傳統(tǒng)開挖施工過程中常用的毫秒非電雷管替換為半秒微差雷管，增大延期間隔時間，減小同一時點(diǎn)通過溜渣導(dǎo)孔的石渣量，能有效控制溜渣井堵塞。

6) 孔口結(jié)構(gòu)

為減小現(xiàn)場開挖施工時的扒渣量，將掌子面溜渣導(dǎo)井孔口擴(kuò)挖成漏斗型。增大溜渣井孔口斷面，在防止溜渣井堵塞的同時，在開挖爆破后能夠有效匯集開挖石渣并使之沿導(dǎo)井溜至斜井底部。從而使斜井開挖掌子面留有的石渣量最小，節(jié)省扒渣時間，減小人工勞動強(qiáng)度，加快施工進(jìn)度[4]。

4 施工流程

1) 反井鉆機(jī)導(dǎo)進(jìn)

斜井的先導(dǎo)孔和一次擴(kuò)孔采用LM-250型反井鉆機(jī)進(jìn)行施工。反井鉆機(jī)基礎(chǔ)采用C25混凝土澆筑，基礎(chǔ)上預(yù)留鉆機(jī)安裝孔槽，待鉆機(jī)基礎(chǔ)和預(yù)留孔槽二期混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后，再安裝鉆機(jī)配套設(shè)施，鉆機(jī)調(diào)平后開始鉆進(jìn)施工。

先導(dǎo)孔施工采用Φ216 mm鉆頭，施工過程采用高壓泵將水壓入先導(dǎo)孔內(nèi)，作為排渣及冷卻鉆頭用水。擴(kuò)孔施工采用Φ2.0 m擴(kuò)孔鉆頭，在擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)各階段，為防止鉆頭晃動、增長鉆頭使用壽命、保證鉆進(jìn)過程穩(wěn)定，需控制鉆壓和鉆速。鉆進(jìn)過程隨時觀察鉆機(jī)基礎(chǔ)的情況，如基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫、沉降等異?，F(xiàn)象，立刻停止鉆進(jìn)，待異常現(xiàn)場處理完成，基礎(chǔ)重新穩(wěn)定后方可繼續(xù)施工[5]。

2) 斜井石方擴(kuò)挖

斜井?dāng)U挖采用手風(fēng)鉆進(jìn)行造孔，炸藥為安全性高、污染少的Φ32巖石乳化炸藥，用半秒微差雷管進(jìn)行引爆。開挖分井口開挖和直線段的擴(kuò)挖兩個階段，爆破參數(shù)依照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行施工，開挖過程中可根據(jù)巖石節(jié)理、巖脈和裂隙走向等地質(zhì)狀況對爆破參數(shù)在允許范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整[6]。

井口彎段出渣采用自卸車出渣，直線段法采用導(dǎo)井溜渣，再用自卸車從井底出渣。為方便施工及保障施工安全，自制斜井?dāng)U挖臺車，施工人員在擴(kuò)挖臺車上進(jìn)行開挖支護(hù)作業(yè)，作業(yè)人員、材料和施工設(shè)備通過運(yùn)輸小車運(yùn)送至擴(kuò)挖臺車。

5 結(jié)語

海蓄電站一、二級斜井采用Φ2 m反導(dǎo)井一次擴(kuò)挖施工方法與常規(guī)采用兩次擴(kuò)挖的施工方法相比，省去一次擴(kuò)挖施工時提升系統(tǒng)布置、一次擴(kuò)挖施工及提升系統(tǒng)拆除等施工環(huán)節(jié)，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)的同時，節(jié)省一次擴(kuò)挖施工時間，提高斜井開挖總體施工效率。新的施工工藝優(yōu)化了常規(guī)兩次擴(kuò)挖施工中先導(dǎo)孔、反井鉆機(jī)施工和爆破參數(shù)等工藝的設(shè)計(jì)，其優(yōu)化措施是海蓄斜井按計(jì)劃節(jié)點(diǎn)提前完成斜井開挖施工的關(guān)鍵所在，可產(chǎn)生較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

海蓄電站一級斜井開挖支護(hù)實(shí)際完成時間較計(jì)劃節(jié)點(diǎn)完成時間提前36 d，二級斜井開挖支護(hù)實(shí)際完成時間較計(jì)劃節(jié)點(diǎn)完成時間提前31 d。直接節(jié)約工程施工成本107.2萬元，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)生的間接經(jīng)濟(jì)效益均未計(jì)入，實(shí)際產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更大。