抽水蓄能電站斜（豎）井導(dǎo)井開挖施工技術(shù)綜述

潘福營，溫學(xué)軍

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林省敦化市 133700 ）

0 引言

一座抽水蓄能電站工程通常設(shè)置有上水庫閘門井、引水上斜（豎）井、引水下斜（豎）井、下水庫閘門井、調(diào)壓豎井、通風(fēng)豎井、出線斜（豎）井等多條斜（豎）井，斜（豎）井特別是斜井施工難度最大，安全風(fēng)險最高，一直是抽水蓄能電站工程施工過程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)項(xiàng)目之一。斜（豎）井施工工藝一般先開挖一導(dǎo)井，再從上至下按照設(shè)計斷面擴(kuò)挖，擴(kuò)挖渣料通過導(dǎo)井溜到斜（豎）井底部再裝車運(yùn)走，斜（豎）井導(dǎo)井施工經(jīng)歷了人工法到機(jī)械法的發(fā)展過程，特別是反井鉆機(jī)法開挖導(dǎo)井，是水電工程的一重大技術(shù)進(jìn)步，導(dǎo)井施工主要有人工開挖法、吊罐法、爬罐法、反井鉆機(jī)法等施工技術(shù)，本文就抽水蓄能電站斜（豎）井導(dǎo)井施工技術(shù)進(jìn)行全面總結(jié)概述。

1 斜（豎）井開挖施工技術(shù)

1.1 人工開挖正導(dǎo)井方法

人工開挖正導(dǎo)井即從斜（豎）井頂部從上至下開挖，在導(dǎo)井頂部布置提升設(shè)施，豎井施工時用龍門吊提升石渣、鉆具、火工品等材料，斜井施工時需在導(dǎo)井下部鋪設(shè)軌道，利用絞車或卷揚(yáng)機(jī)提升材料，導(dǎo)井較短時人員通過專用爬梯上下工作面，如果斜（豎）井較長，人員通過專用提升設(shè)施上下工作面。各種提升設(shè)施需要專業(yè)單位設(shè)計，安裝完成經(jīng)驗(yàn)收合格后才能投入使用。

人工正導(dǎo)井施工過程中，施工人員可以及時掌握導(dǎo)井圍巖地質(zhì)情況，可以隨開挖隨支護(hù)，能保證作業(yè)面和已完成開挖部位的安全防護(hù)。人工正導(dǎo)井是最原始的開挖方法，也可以一次開挖成型斜（豎）井，適用于所有工程，投入設(shè)備少，施工成本低，但是正導(dǎo)井隨著導(dǎo)井深度的增加，出渣、運(yùn)輸材料、人員上下的速度越來越慢，施工進(jìn)度較慢，同時提升設(shè)施的安全風(fēng)險等級越來越高。溧陽抽水蓄能電站由于圍巖地質(zhì)條件較差，反井鉆機(jī)等設(shè)備無法施工，幾條300多米的引水豎井、出線豎井和進(jìn)出水口豎井全部采用正井全斷面開挖施工完成，成功解決了圍巖地質(zhì)條件較差的豎井施工技術(shù)，解決了安全風(fēng)險管控問題，是人工正井開挖施工最成功的案例。

1.2 人工開挖反導(dǎo)井方法

人工開挖反導(dǎo)井即從斜（豎）井底部從下至上開挖反導(dǎo)井，施工人員通過在反導(dǎo)井井壁安裝插筋作上下爬梯，鉆具、火工品等材料通過滑輪小車提升，爆破渣料自由落體到導(dǎo)井底部。反導(dǎo)井在開挖前首先利用地質(zhì)鉆機(jī)或潛孔鉆從斜（豎）井頂部中心向下鉆一φ100mm左右的鉆孔，作為反導(dǎo)井施工時的通氣孔。

人工反導(dǎo)井施工過程中作業(yè)人員基本無法采取有效的安全保證措施，安全風(fēng)險極高，且施工進(jìn)度慢，僅適用于圍巖地質(zhì)條件好的短導(dǎo)井開挖施工，應(yīng)禁止采用人工反導(dǎo)井法，如果必須要采用此施工工藝應(yīng)進(jìn)行充分論證后限制使用。

1.3 吊罐法

吊罐法施工只適用于豎井導(dǎo)井施工，施工前需要在導(dǎo)井頂部中心利用潛孔鉆向下鉆一φ100mm左右的鉆孔，用于開挖過程中吊罐導(dǎo)向、吊罐提升、作業(yè)通風(fēng)和上下通信用，導(dǎo)井頂部布置提升系統(tǒng)，底部設(shè)置一吊罐，吊罐為定制產(chǎn)品，用于保護(hù)作業(yè)人員上下和施工時的作業(yè)平臺，提升系統(tǒng)的鋼絲繩通過φ100mm鉆孔與吊罐連接，吊罐通過提升系統(tǒng)在反導(dǎo)井內(nèi)上下升降，到達(dá)導(dǎo)井底部開挖作業(yè)面后固定吊罐，人員在吊罐平臺上作業(yè)，作業(yè)完成后再放回到反導(dǎo)井底部。

吊罐法適用于圍巖條件好、深度低于50m的豎井反導(dǎo)井施工，相比人工開挖反導(dǎo)井方法增加了吊罐作為作業(yè)人員的安全防護(hù)設(shè)施，但是安全風(fēng)險和管理難度仍較大，建議限制采用，如果采用應(yīng)進(jìn)行充分論證，做好安全防護(hù)措施后實(shí)施。

1.4 深孔爆破法

深孔爆破法只適用于豎井導(dǎo)井或豎井全斷面開挖施工。深孔爆破法是在反導(dǎo)井底部洞室開挖完成具備通行條件后，測量人員在反導(dǎo)井頂部按照設(shè)計進(jìn)行放線標(biāo)識，布孔后用深孔鉆機(jī)從上至下鉆一組孔徑φ90～110 mm垂直平行孔，鉆孔過程中要保持鉆孔的精度和垂直度，鉆孔一次完成后，從下至上按照批復(fù)的爆破設(shè)計采用分段多次爆破或孔內(nèi)分段裝藥、孔間分段后一次性進(jìn)行爆破，形成導(dǎo)井。深孔爆破法通常采用菱形掏槽形式布孔，對施工技術(shù)要求高、對爆破設(shè)計要求高、對爆破參數(shù)落實(shí)要求標(biāo)準(zhǔn)高、對爆破人員技術(shù)水平要求高、對安全質(zhì)量控制水平要求高，因此對現(xiàn)場施工管理水平要求高。

深孔爆破法安全性高，施工速度快，施工投入少，施工成本低，也可以一次達(dá)到設(shè)計開挖斷面要求，但是爆破后導(dǎo)井周邊超欠挖控制難度大，導(dǎo)井成型質(zhì)量差，更適合深度50m以內(nèi)的大斷面豎井導(dǎo)井開挖，對有結(jié)構(gòu)要求的豎井不建議采用深孔爆破法進(jìn)行全斷面開挖。

1.5 爬罐法

爬罐為一專用施工機(jī)械設(shè)備，設(shè)置有主、副爬罐，斜（豎）井下部平洞開挖完成且具備通行條件后，將爬罐主設(shè)備布置在距導(dǎo)井底部一定距離平洞內(nèi)，爬罐主設(shè)備布置后下部具備正常通行條件，隨著導(dǎo)井開挖延伸，沿著導(dǎo)井頂部反吊爬罐上下移動軌道，軌道通過專用的脹殼式錨桿和支架固定，爬罐用主設(shè)備上布置的帶齒輪的發(fā)動機(jī)升降，帶動爬罐沿導(dǎo)軌上下移動。施工人員站在爬罐內(nèi)操作升降，到達(dá)工作面后，將爬罐固定，利用爬罐做操作平臺，人員站在爬罐上進(jìn)行鉆爆作業(yè)，工作完成后人員回到爬罐內(nèi)，通過操作爬罐回到導(dǎo)井底部主設(shè)備上撤離，人員通過主爬罐上下，施工材料通過副爬罐運(yùn)輸。

爬罐法1957年首先在瑞典成功應(yīng)用于反導(dǎo)井開挖施工，國內(nèi)以阿力馬克（ALIMAK）爬罐應(yīng)用開挖反導(dǎo)井為代表設(shè)備，首先在廣州抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電站成功應(yīng)用，爬罐的成功應(yīng)用也是一項(xiàng)重大施工技術(shù)進(jìn)步，隨后在水電工程得到了全面的推廣應(yīng)用，主要項(xiàng)目有寶泉、西龍池、桐柏、仙居、豐寧抽蓄等項(xiàng)目引水斜井，月進(jìn)尺可以達(dá)到100m以上，西龍池抽水蓄能電站利用爬罐成功開挖了382m的長斜井[1]。

利用爬罐開挖導(dǎo)井位置偏差可控，成型斷面大，斷面平整度好，利于溜渣，安全性和施工效率較人工法有了很大的進(jìn)步和提高。但是爬罐設(shè)備操作相對復(fù)雜，對錨桿的施工技術(shù)和施工質(zhì)量要求高，人員作業(yè)空間相對狹小，作業(yè)環(huán)境差，頂部掉塊的風(fēng)險較高，特別是導(dǎo)井開挖長度超過200m以后，通風(fēng)散煙困難，通風(fēng)時間長，安全風(fēng)險仍然較高，目前國內(nèi)、國外生產(chǎn)爬罐廠家較少。

爬罐法更適合于圍巖條件較好的300m以內(nèi)斜井導(dǎo)井開挖，應(yīng)用于長斜井開挖時，通常采用爬罐法開挖反導(dǎo)井與人工開挖正導(dǎo)井相結(jié)合的方法。

1.6 反井鉆機(jī)法

反井鉆機(jī)為專用施工機(jī)械設(shè)備，在導(dǎo)井底部隧洞開挖完成具備通行條件后，反井鉆機(jī)在導(dǎo)井頂部固定，先采用小鉆頭從上至下鉆到下平洞，在鉆進(jìn)過程中利用泥漿泵或高壓水泵將按照要求配置的泥漿從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，同時將石渣從導(dǎo)孔壁與鉆桿間的空間排至排渣槽，最后進(jìn)入沉渣池。導(dǎo)孔貫通后卸下小鉆頭，換成大直徑φ1.2m、1.4m、2.4m等不同規(guī)格的盤形滾刀鉆頭，由下向上反提擴(kuò)孔，利用鐮齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動造成對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井導(dǎo)井開挖，擴(kuò)孔時的石渣經(jīng)過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。

反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工方法于1950年在北美首先發(fā)展，國內(nèi)早期主要應(yīng)用于煤礦項(xiàng)目施工，1992年我國水電系統(tǒng)第一次在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調(diào)壓井和高壓管道斜井等工程上引進(jìn)反井鉆機(jī)，使用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井法施工，并取得了高效、安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的效果，后續(xù)在水電工程斜（豎）井工程得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)水電工程早期應(yīng)用的反井鉆機(jī)以國產(chǎn)的小型LM系列為代表，其鉆孔深度在200m以內(nèi)為佳，反導(dǎo)井直徑一般為φ1.2m/1.4m，為了防止在擴(kuò)挖時爆破渣料堵井的風(fēng)險，導(dǎo)井形成后需要人工再二次擴(kuò)挖形成3m左右的導(dǎo)井，開挖月平均進(jìn)尺可達(dá)到100～150m，施工效率和安全性實(shí)現(xiàn)了斜（豎）井施工質(zhì)的飛躍，但是此反井鉆機(jī)更適合于豎井開挖，用于斜井施工時，導(dǎo)孔偏斜度控制難度大。2016年黑龍江荒溝抽水蓄能電站350m長斜井采用大口徑TR3000 反井鉆機(jī)進(jìn)行斜井導(dǎo)井施工，四條斜井導(dǎo)孔偏斜率均小于1%，具體導(dǎo)孔偏斜率見表1，一次成型導(dǎo)井直徑φ2.4m，為國內(nèi)水電工程首次在長斜井中應(yīng)用。TR3000反井鉆機(jī)擴(kuò)孔直徑φ1.8m～φ3.1m，不需要二次人工擴(kuò)挖導(dǎo)井。TR3000反井鉆井配置有穩(wěn)定鉆桿和配套的CX-6C無線光纖陀螺測線儀進(jìn)行導(dǎo)孔測斜，有效控制導(dǎo)孔偏差[2]，鉆井深度300m以上偏斜度仍較小，敦化、豐寧、天池、長龍山等項(xiàng)目普遍開始應(yīng)用大口徑反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，應(yīng)用效果良好。

表1 荒溝抽水蓄能電站TR3000導(dǎo)孔偏斜率情況表Table1 Table of guide hole deviation slope of TR3000 in Huanggou pumping storage power station

反井鉆機(jī)在施工斜（豎）井導(dǎo)孔過程中全部采用機(jī)械設(shè)備，施工人員不需要下到導(dǎo)井內(nèi)作業(yè)，反井鉆機(jī)操作簡單、安全、高效，對環(huán)境造成污染非常小，特別是大口徑反井鉆井作業(yè)人員比較少，施工速度快，鉆孔精度高，導(dǎo)井?dāng)嗝娉叽绱螅悄壳皩?dǎo)井施工普遍采用的施工工藝。但是反井鉆機(jī)設(shè)備費(fèi)和轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)相對較高，施工成本較人工法相對偏高。

1.7 定向鉆機(jī)加反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井方法

對于長斜井導(dǎo)孔的偏差度控制非常重要，為了提高導(dǎo)孔鉆孔精度，2016年開始豐寧、敦化、長龍山、文登等抽水蓄能電站引進(jìn)了定向鉆機(jī)施工技術(shù)，其施工工藝主要是利用定向鉆機(jī)在導(dǎo)井頂部就位，先利用φ216mm小鉆頭鉆設(shè)高精度導(dǎo)孔，在小鉆頭鉆進(jìn)過程中該鉆機(jī)具備糾偏和調(diào)整鉆孔方向的功能，保證了鉆孔的精度和偏斜度，小鉆孔完成后拆除φ216mm鉆桿，換接TR3000等大型反井鉆機(jī)施工所需要的φ295mm鉆頭從上至下進(jìn)行二次擴(kuò)孔。擴(kuò)孔完成定向鉆機(jī)撤離，由大口徑反井鉆機(jī)反提2400mm鉆頭形成反導(dǎo)井。

定向鉆機(jī)的核心是糾偏功能，無線隨鉆測斜儀在定向鉆的工作全過程中，均安裝于φ216mm螺桿鉆具后的無磁鉆鋌內(nèi)，隨時可以對鉆孔測斜，每次測試時間不到2分鐘。實(shí)現(xiàn)了隨時鉆進(jìn)，隨時測量，隨時糾偏，鉆進(jìn)過程中以泥漿為傳輸通道，將鉆孔的實(shí)時傾斜度、孔斜方位角、頂角、孔深等參數(shù)通過編碼轉(zhuǎn)換為電脈沖信號反饋到儀器上供施工人員使用。一般是每鉆進(jìn)一根鉆具測斜一次，5～10m為一個測點(diǎn)，進(jìn)行一次偏斜測定，以確保導(dǎo)孔偏斜度得到控制，實(shí)際應(yīng)用效果良好，幾個項(xiàng)目實(shí)際導(dǎo)孔偏斜率見表2。

表2 部分抽水蓄能電站定向鉆機(jī)導(dǎo)孔偏斜率情況表[3]Table 2 Table of guide hole deviation slope of directional drill in some pumping power stations[3]

定向鉆機(jī)保證了導(dǎo)孔的鉆孔精度，加速了導(dǎo)孔的施工進(jìn)度，減少了大口徑反井鉆機(jī)的施工時間和投入數(shù)量，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，成本相對較低。定向鉆機(jī)加反井鉆機(jī)施工長斜（豎）井導(dǎo)井的施工方法具有推廣價值。

1.8 TBM施工法

TBM 英文全稱為“Tunnel Boring Machine”，特指全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，是一臺集中機(jī)械、液壓、電子、激光、監(jiān)測、自動控制等各種先進(jìn)技術(shù)于一體的高度機(jī)械化、自動化和智能化的大型隧道開挖機(jī)械裝備，實(shí)現(xiàn)了開挖、出渣和支護(hù)等多道工序同時作業(yè)的要求。

TBM可以根據(jù)開挖直徑要求定制設(shè)備，可以先開挖導(dǎo)井，也可以一次開挖成型斜（豎）井，可以從上至下、也可以從下至上進(jìn)行導(dǎo)井開挖施工。TBM掘進(jìn)時，刀盤在主推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)，刀盤破巖切削下來的石渣通過配套的皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到礦車上運(yùn)出洞外。TBM配置超前地質(zhì)探測設(shè)備，可以進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報用于指導(dǎo)施工，保證施工安全，掘進(jìn)同時可同步進(jìn)行出渣、初期支護(hù)、軌線延伸、風(fēng)、水、電管線延伸、物料運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，各工序互不干涉，實(shí)現(xiàn)了跟進(jìn)支護(hù)，避免了單工序作業(yè)對施工進(jìn)度的影響。

國內(nèi)TBM廣泛應(yīng)用于水利、礦山、鐵路、市政交通等領(lǐng)域，在抽水蓄能電站斜井還沒有應(yīng)用案例，國外抽水蓄能電站大坡度斜井隧洞TBM應(yīng)用案例較多，最大應(yīng)用斜井坡度達(dá)到了52.5°，最大開挖直徑達(dá)到了9.03m，月平均進(jìn)尺250m。

TBM較傳統(tǒng)鉆爆工法具有隧道施工“工廠化”、機(jī)械化程度高、快速、安全、人員投入少、勞動強(qiáng)度小、對圍巖擾動小、施工環(huán)境好、支護(hù)質(zhì)量好、減少隧道開挖中輔助工程等優(yōu)點(diǎn)[4]。缺點(diǎn)是設(shè)備成本高、靈活性較差、一臺設(shè)備只能開挖一種斷面。但是從社會發(fā)展趨勢，隨著社會勞動力減少和安全管理需要，TBM施工技術(shù)應(yīng)該是以后的發(fā)展方向。

2 結(jié)束語

抽水蓄能電站斜（豎）井導(dǎo)井開挖有人工正導(dǎo)井法、人工反導(dǎo)井法、吊罐法、深孔爆破法、爬罐法、反井鉆機(jī)法、定向鉆機(jī)加爬罐法、爬罐加反井鉆機(jī)法、定向鉆機(jī)加反井鉆機(jī)法、TBM施工法等各種施工工藝，每種方法都有其適用性和經(jīng)濟(jì)合理性，在實(shí)際工程中要根據(jù)工程的具體特點(diǎn)[5]，在保證安全和質(zhì)量的前提下，經(jīng)充分論證比較技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、施工進(jìn)度安排等綜合因素后確定。同時也需要專業(yè)人員進(jìn)一步研究先進(jìn)的裝備、技術(shù)在斜（豎）井施工中的應(yīng)用，促進(jìn)水電施工技術(shù)發(fā)展。