淺談深豎井導井改分段施工為一次成井的方案優(yōu)化

郭朝輝，王薛鋼

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州311122）

1 概 述

山東沂蒙抽水蓄能電站工程總裝機容量為1200MW，地下廠房內(nèi)安裝4臺單機容量為300MW 的混流可逆式水輪發(fā)電機組。引水高壓管道采用一管兩機布置方式，兩條高壓主管平行布置，洞軸線間距為47m，立面上采用單豎井布置，豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6 m，井筒為鋼襯結(jié)構(gòu)，鋼襯外圍回填混凝土厚度為0.6 m，內(nèi)凈尺寸為6.2 m。1號高壓管道引水豎井頂部中心高程為 EL497.89 m、井底中心高程為 EL118 m，高差為379.89 m；2號高壓管道引水豎井頂部中心高程為 EL498.07 m、井底中心高程為 EL118 m，高差為380.07 m。

沂蒙抽水蓄能電站工程區(qū)位于華北準地臺魯西斷隆的北緣，主要發(fā)育北東向郯廬斷裂帶及北西向魯西斷裂帶，近場區(qū)發(fā)育兩條活動斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，多為微風化～新鮮巖石，巖石強度高。

豎井段巖性為微風化片麻狀閃長巖和花崗閃長巖，多為微風化～新鮮巖石，巖石強度高，飽和極限抗壓強度為100 MPa～248 MPa。主要發(fā)育三組裂隙，均為陡傾角裂隙，在豎井邊墻宜形成不穩(wěn)定塊體，地下水埋深為51m。圍巖巖體多為塊～次塊狀結(jié)構(gòu)，以Ⅱ～Ⅲ 類圍巖為主，斷層及裂隙密集帶地段為 Ⅳ 類圍巖。兩條豎井受斷層切割，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，屬 Ⅳ 類圍巖。

2 原施工方案

在豎井中部，自廠房排風平洞引接一條豎井施工支洞，斷面尺寸為5.5 m×5 m（寬×高），全長415.2 m，平均縱坡1%；將壓力管道豎井分為上、下兩段施工，上豎井深142.86 m，下豎井深237.3 m，豎井開挖出渣通道為施工支洞及引水系統(tǒng)下平段。

2.1 施工工序

豎井施工支洞石方洞挖及支護→上豎井段反井鉆機自上而下鉆設導孔→上豎井段反井鉆機自下而上反導井提拉→人工自上而下一次擴挖及支護→下豎井段反井鉆機自上而下鉆設導孔→下豎井段反井鉆機自下而上反導井提拉→人工自上而下一次擴挖及支護。

2.2 導孔鉆設

開挖導井時，采用 BMC400 型反井鉆機沿豎井中心線自上而下鉆設直徑為270mm 的導孔；豎井導孔形成后，在下彎段部位換擴孔鉆頭，自下而上擴挖為直徑2m 的導井，挖至反井鉆機混凝土基礎時結(jié)束。

2.3 豎井擴挖

反井鉆機鉆設導井形成后，采取鉆爆法對豎井自上而下全斷面擴挖至設計斷面，光面爆破，采取 YT28 手風鉆人工鉆設垂直孔，井外毫秒微差起爆。

3 方案優(yōu)化

原方案施工中，先從排風平洞引接豎井施工支洞，作為豎井上部施工的出渣通道，而本工程排風平洞工期因征地等原因已滯后，為此豎井的施工受到延誤。為保證工期，施工單位總結(jié)本項目利用 BMC400 型反井鉆機實施的引水事故閘門井、出線豎井、排風豎井的成功經(jīng)驗，提出取消施工支洞，采取380m 豎井一次鉆孔擴挖的施工方案。

方案優(yōu)化后，采用反井鉆機進行一次性鉆孔擴挖，其主要施工工序：（1）高精度先導孔施工，TDX50 定向鉆機安裝調(diào)試，進行定向井施工，鉆進直徑為 Φ152 mm，鉆機在施工過程中隨時測斜糾偏；（2）定向井擴孔至Φ311 mm，導孔擴大的過程也是鉆桿下放的過程；（3）拆除 TDX50 定向鉆機，安裝 BMC600 型反井鉆機；（4）在下平段換接擴孔鉆頭；（5）2.4 m 擴孔鉆進和下口出渣；（6）拆除反井鉆機，設備撤場；（7）豎井擴挖，其方法與原方案一致。

在目前國內(nèi)已建工程中，秦嶺終南山公路隧道3號通風豎井深度為390m，采用400型反井鉆機施工，導孔直徑27cm，導井直徑1.4 m，3 個月完成了導孔和導井開挖，施工偏斜率1.0%，控制良好，滿足設計要求。雖然秦嶺項目這一成功案例可以證明導井一次成井的施工方案是可行的，但是秦嶺項目圍巖主要為混合片麻巖，夾有少量片麻巖殘留體，巖體受構(gòu)造影響較大、易破碎，并且以塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，而本工程圍巖以新的花崗閃長巖和片麻狀閃長巖為主，屬于中高硬圍巖，考慮到擴挖階段出渣要求，其導井直徑必須在2.0 m 以上，因而導井一次成井的施工方案在技術上是否可行仍有待商榷。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對整個豎井開挖產(chǎn)生最大影響的工序是導井施工，導井的孔斜控制是質(zhì)量控制的關鍵，而設備的正確選擇和正確使用是保證質(zhì)量的前提。380 m 豎井導井一次成井在國內(nèi)抽水蓄能電站中尚屬首例，為了論證該方案的可行性，筆者結(jié)合工程實際，主要從設備選擇、工期、安全和投資等方面進行深入分析。

3.1 設備選擇

中支洞取消后，一次鉆孔深度變大，為選擇適合本工程的反井鉆機，經(jīng)調(diào)研其他項目，目前較先進的設備主要有澳大利亞特瑞特克生產(chǎn)的 TR-3000 反井鉆機、北京中煤礦山工程有限公司生產(chǎn)的 BMC400、BMC600 反井鉆機。各反井鉆機參數(shù)詳見表1。

本工程豎井段巖性為微風化片麻狀閃長巖和花崗閃長巖，巖石較硬。經(jīng)對比上述設備參數(shù)，其均能滿足本工程需要；BMC600 為 BMC400 的升級版，且國內(nèi)生產(chǎn)的BMC600 鉆機價格優(yōu)于 TR-3000。經(jīng)進一步了解，BMC600鉆機施工的最大反井直徑為5.3 m，最深為562m，最硬巖層抗壓強度為320MPa。BMC600 型反井鉆機能夠滿足本工程的需要，在確保不出現(xiàn)安全事故及質(zhì)量達標的前提下，綜合考慮鉆機參數(shù)及洗井液循環(huán)設備等，導井可按直徑2.4 m 進行施工。

表1 反井鉆機參數(shù)對照表

為確保380m 高壓豎井導井一次成型孔斜滿足要求，引進 TDX-50 型定向鉆機，配合 WMD-76 無線隨鉆測斜儀進行測斜定向，使用165mm 螺桿鉆具作為井下動力鉆具，全程采用定向鉆進和復合鉆進組合方式施工。

3.2 工期分析

原方案中，豎井開挖施工工期為16個月，但中支洞作為上豎井出渣的主要通道和下豎井開挖的平臺，由于受征地影響，造成整個工期延誤3個月。對于原方案的優(yōu)化，主要考慮底部下平洞出渣通道的形成，在下平段完成前1個月可提前進行反井鉆機導井施工準備。

在已建項目中，BMC600 反井鉆機的導孔鉆進速度最高可達到16.3 m/d，導井反拉鉆進速度為8.3 m/d，而定向鉆機鉆導孔鉆速度在12.5 m/d～14.6 m/d 之間，工效稍低于 BMC600 反井鉆機。按此進度施工，再考慮到施工過程中的準備時間、不可避免的中斷和休息時間等，導井施工需要153個工日。1號豎井導井施工完成后可移鉆機至2號豎井導井施工，1號豎井可同時進行豎井擴挖，按此計劃，開挖兩條豎井共需要12個月。

綜上分析，按照豎井導井一次開挖成井的方案施工，不僅可以彌補因征地而延誤的3個月工期，還可以提前1個月完工。

假設源節(jié)點發(fā)送信號功率PS和目的節(jié)點發(fā)送人工噪聲功率PnD不變，中繼節(jié)點發(fā)送總功率在天線數(shù)變化時不變，也即NPR=PRT不變，每根天線發(fā)送人工噪聲的平均功率為PnR=βPR=βPRT/N，0≤β<1為人工噪聲功率分配比例，相應，每根天線轉(zhuǎn)發(fā)信號的平均功率為(1-β)PR=(1-β)PRT/N.

3.3 安全分析

原方案和優(yōu)化后方案導井施工主要采用反井鉆機，若不考慮用電安全等常規(guī)安全因素，人員傷亡事故可不予評估。因此，導井施工的主要安全隱患是機械事故，如導孔過程中遇較破碎地層的埋鉆事故和遇水易泥化或膨脹地層的抱鉆事故等。通過優(yōu)化方案，配備大直徑的反井鉆桿，借用 BMC600 鉆機輸出較大的扭矩及推力，可有效降低埋鉆和抱鉆概率，從而減少了施工安全隱患。

導井施工完成后，兩種方案的豎井擴挖都采用 YT-28型手風鉆鉆孔并以自上而下一次擴挖、人工裝藥爆破的方法進行施工；人員和小型設備都是通過橋式起重機吊籠裝置上下豎井。兩種方案的安全風險點一致，不同之處在于中支洞取消后，人員上下距離增大。由于優(yōu)化后方案的導井直徑為2.4 m，擴挖工程量變小，減少了人員在井下工作的時間，從而間接地降低了人員的安全風險。

3.4 投資分析

原方案主要采用 BMC400 鉆機進行2m 導井施工，該設備在國內(nèi)應用較多，技術成熟，在水電建筑定額預算中有相應的人工、材料、機械耗量和臺時費用等的定額參考。按照《水電建筑工程預算定額》（2004年版）計算定額，380 m 深豎井 φ2.0 m 導井費用為0.54 萬元/m，合計約為407萬元；人工擴挖的費用約為340萬元。

優(yōu)化后的方案主要使用 TDX-50 定向鉆和 BMC600 反井鉆進行導井施工，兩種設備均屬近年我國自主研發(fā)，沒有相關的定額參考。兩種設備原價共約2300萬元，考慮到施工方案的經(jīng)濟性，采取市場租用的方式施工，由該廠提供這兩種設備，并安排熟練施工人員進行現(xiàn)場作業(yè)。經(jīng)與廠家洽談，380 m 深豎井 φ2.4 m 導井費用為1.2 萬元/m，合計為967 萬元。由于導井變大，相應的人工擴挖工程量減少，按原擴挖單價，費用約為330萬元。

比較以上兩種方案的費用可知，調(diào)整后，豎井一次開挖比原設計分段施工增加了約550萬元，但考慮到原方案415.2 m 中支洞的開挖支護費用為410萬元，封堵費用為200 萬元，優(yōu)化后的豎井施工方案減少了約60萬元。另外，取消中支洞，減少了施工作業(yè)面，施工管理成本也相應降低。

4 結(jié) 語

高深豎井采用不同的施工方案，對整個施工過程的質(zhì)量、安全、進度和造價均產(chǎn)生重要影響，因此在工程設計和施工前應詳細做好方案比選和施工調(diào)查工作，選擇合適的施工方案，使工程在安全、質(zhì)量、進度和造價方面達到平衡。本工程實施前，對380m 深豎井導井一次開挖成井方案進行了可行性分析，最終制定出更加合理的施工方案。這對業(yè)主而言，不僅趕回了工期，還節(jié)省了投資；對施工單位而言，不僅節(jié)省了相應的管理成本，還提高了施工業(yè)績。