拉姆2水電站引水豎井施工方案研究

吳 建 軍， 宋 自 平

(中國水利水電第十工程局有限公司 國際公司，四川 成都 610037)

1 概 述

拉姆 2水電站位于巴布亞新幾內(nèi)亞獨(dú)立國東高地省境內(nèi)的拉姆(Ramu)河上，最大設(shè)計(jì)引用流量為39.7 m3/s，利用水頭544 m，裝機(jī)容量為3×60 MW，多年平均年發(fā)電量為11.81億 kW·h。

拉姆2水電站引水系統(tǒng)線路投影總長度為8 504 m，其中低壓引水隧洞長5 625 m，高壓引水隧洞長2 879 m，兩者之間采用引水豎井相連。高壓引水隧洞中的1 265 m為鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，1 614 m采用壓力鋼管內(nèi)襯。

調(diào)壓井設(shè)在低壓引水隧洞末端，采用阻抗式布置，井深90 m，其中上室深81.4 m，開挖直徑為7.2 m，襯砌后的直徑為6 m；阻抗孔開挖直徑為4.2 m，襯砌后的直徑為3 m，調(diào)壓井頂部為明山布置。

在調(diào)壓井下游40 m處設(shè)置引水豎井，井深401.5 m，開挖直徑4.7 m，襯砌后的直徑為3.5 m，引水豎井上端與低壓引水隧洞之間以及其下端與高壓引水隧洞之間均采用半徑為30 m的弧形彎段連接以減少水頭損失。

在調(diào)壓井上游661 m處(低壓引水隧洞樁號(hào)4+964)設(shè)置了2號(hào)施工支洞，支洞長280 m；在引水豎井下游1 689 m處(高壓引水隧洞樁號(hào)2+096)設(shè)置了3號(hào)施工支洞，支洞長490 m；3號(hào)施工支洞下游的壓力鋼管內(nèi)襯洞段長度為1 150 m。

按照項(xiàng)目施工總進(jìn)度計(jì)劃安排，引水系統(tǒng)的全部施工工期為54個(gè)月。故400 m級(jí)的引水豎井成為該項(xiàng)目施工的難點(diǎn)之一，同時(shí)其處在引水系統(tǒng)施工工期的關(guān)鍵線路上，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度目標(biāo)的難度非常大。為了能確保施工進(jìn)度目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，如何科學(xué)選擇更為合理的引水深豎井施工方案至關(guān)重要。

2 引水豎井施工方案的選擇

在水電站工程施工中，對(duì)于較深的引水豎井、調(diào)壓豎井等通常采用反井鉆機(jī)施工，即利用豎井底部連接的平洞作為施工通道采用反井鉆機(jī)先施工導(dǎo)孔，然后反擴(kuò)導(dǎo)孔形成導(dǎo)井作為溜渣通道，再自上而下地采用鉆孔爆破方式擴(kuò)挖豎井至設(shè)計(jì)斷面，爆渣溜至井底通過井底平洞出渣[1]。鑒于該項(xiàng)目設(shè)計(jì)有調(diào)壓豎井和引水豎井兩條豎井，在工期上也能將二者安排在不同時(shí)間段進(jìn)行施工，故采用一臺(tái)400 m級(jí)反井鉆機(jī)即可勝任開挖工作，可以比較充分地利用設(shè)備。但施工引水豎井時(shí)必須將高壓引水隧洞作為井底施工通道，即在高壓引水隧洞開挖至引水豎井底部后需停止開挖，先進(jìn)行引水豎井的導(dǎo)孔貫通、反擴(kuò)導(dǎo)井和豎井?dāng)U挖等施工，待引水豎井開挖支護(hù)完成后才能繼續(xù)高壓引水隧洞的鋼筋混凝土襯砌施工。

鑒于從高壓引水隧洞開挖到引水豎井底部后所需的反井鉆機(jī)導(dǎo)孔貫通時(shí)間至少需要考慮5 d，反向擴(kuò)大鉆頭反擴(kuò)導(dǎo)井按5～6 m/d計(jì)算需要約2.5個(gè)月時(shí)間，加之反井鉆機(jī)拆除考慮15 d，豎井鉆孔爆破擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面及支護(hù)施工按3 m/d計(jì)算需要考慮4.5個(gè)月時(shí)間，容錯(cuò)浮動(dòng)時(shí)間考慮10 d，則整個(gè)工期需要考慮8個(gè)月的時(shí)間。

從3號(hào)施工支洞到引水豎井底部施工線路上的工程量主要包含：① 2 179 m長的隧洞單頭開挖支護(hù)；② 1 225 m長的鋼筋混凝土襯砌；③ 464 m長的壓力鋼管內(nèi)襯及混凝土回填；④壓力隧洞的回填灌漿、固結(jié)灌漿及接觸灌漿；⑤ 3號(hào)施工支洞的封堵。因此，這條施工線路上的工程量和施工難度非常大，導(dǎo)致其成為引水系統(tǒng)的施工難點(diǎn)之一，就工期而言沒有多少可壓縮的空間，在不考慮將其作為引水豎井施工通道的情況下，其已然成為施工的關(guān)鍵線路；如果還要考慮將高壓引水隧洞工作面作為引水豎井開挖的施工通道，其施工工期將無法滿足要求。

在引水豎井頂部，若從2號(hào)施工支洞口推進(jìn)到引水豎井頂部，其單頭開挖長度為981 m，可以比較快地到達(dá)豎井頂部，故對(duì)引水豎井考慮正井法施工在工期上是可行的。通過參考國內(nèi)外類似工程的施工，如中東克卡夫哈亞鄧抽蓄項(xiàng)目高壓豎井[2]、新疆喀雙隧洞KS10勘探試驗(yàn)洞項(xiàng)目等，一個(gè)400～500 m級(jí)的水電工程項(xiàng)目的豎井采用正井法施工在方案上是可行的。項(xiàng)目部經(jīng)綜合分析比較后認(rèn)為：該項(xiàng)目引水豎井應(yīng)考慮正井法施工方案。

3 豎井合并布置方案

引水豎井的施工考慮正井法施工方案，需要在井口布置提升設(shè)備以滿足施工人員上下井、出渣、支護(hù)、通風(fēng)、抽排水等施工需要，如采用簡易的提升裝備則只能選擇人工持手風(fēng)鉆打眼放炮、人工掏渣、簡易吊桶提升、在井壁擴(kuò)挖耳洞以滿足施工人員避險(xiǎn)等措施，這些措施施工工藝落后，人員安全很難得到保證，風(fēng)險(xiǎn)很大，完全不能滿足深豎井安全施工的需要[3]。若要采用機(jī)械化程度高且成熟可靠的施工工藝進(jìn)行正井法施工，則要求必須在豎井頂部擴(kuò)挖洞室，布置井架、提升絞車等安全可靠的提升裝備以滿足提升和為豎井施工提供安全作業(yè)平臺(tái)的需要，并在井口提供必要的施工工作平臺(tái)。但若在拉姆2水電站引水豎井井口進(jìn)行洞室擴(kuò)挖以實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備布置和提供井口施工平臺(tái)，必定會(huì)帶來大量的洞挖、安全支護(hù)、混凝土回填等工程量，將導(dǎo)致發(fā)生大量的施工措施費(fèi)用支出。

由設(shè)計(jì)報(bào)告知：拉姆2水電站的調(diào)壓井與引水豎井的布置位置僅相距40 m。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案按照常規(guī)設(shè)計(jì)將引水豎井與低壓引水隧洞之間設(shè)計(jì)了圓弧連接段并將調(diào)壓井考慮在低壓引水隧洞直段末端，而調(diào)壓井的上室開挖直徑為7.2 m，阻抗孔段的開挖直徑為4.2 m，且因引水豎井的開挖直徑為4.7 m，兩者相差不大，如果調(diào)整引水豎井位置與調(diào)壓井處于同一中心線上、將兩井合并布置，即可以充分利用調(diào)壓井頂部的明挖平臺(tái)布置井架、絞車等設(shè)備，還可提供井口施工平臺(tái)，從而為采用快速正井法施工工藝施工豎井創(chuàng)造條件；且調(diào)壓井阻抗井段的開挖直徑可以加大到與引水豎井相同，均采用4.7 m以便于井內(nèi)施工吊盤的布置。拉姆2水電站調(diào)壓井和引水豎井合并布置的建議情況見圖1。將調(diào)壓井與引水豎井采用同一中心線結(jié)合布置并采用快速正井法施工已在厄瓜多爾德爾西水電站項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用[4]，這也從另一個(gè)側(cè)面印證了在拉姆2水電站項(xiàng)目實(shí)施此類方案的可行性。

圖1 拉姆2水電站調(diào)壓井和引水豎井合并布置建議圖

4 快速正井法施工方案

快速正井法施工是參考礦山正井法施工深豎井的施工工藝，具體做法為：在井口布置井架、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備，采用吊盤作為豎井施工的工作平臺(tái)，布置傘鉆進(jìn)行豎井開挖鉆孔，中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)挖渣，提升系統(tǒng)配吊桶出渣、運(yùn)送支護(hù)材料等進(jìn)行豎井施工。所布置的井架、絞車、吊盤及提升系統(tǒng)在豎井開挖完成后，仍可繼續(xù)用于豎井滑模襯砌施工時(shí)的人員、材料、設(shè)備等井內(nèi)運(yùn)輸。項(xiàng)目部最終建議在該工程快速正井法施工方案中主要設(shè)備參數(shù)的選擇及施工措施的安排如下：

(1)拉姆2水電站調(diào)壓井的開挖直徑為7.2 m，引水豎井的開挖直徑為4.7 m，兩個(gè)豎井迭加的總深度為489.05 m，可以采用Ⅲ型桁架式無縫鋼管鑿井井架。該井架總高度約為21 m，基礎(chǔ)中心跨距為12 m×12 m，總重量約為33 t，工作時(shí)的懸吊總荷載大于1 500 kN，能夠滿足直徑5～7 m、深度600 m以內(nèi)豎井的施工需要。在井架頂部設(shè)天輪平臺(tái)，設(shè)置鑿井提升天輪1個(gè)、吊盤懸吊天輪2個(gè)、穩(wěn)繩懸吊天輪2個(gè)，在井架中部設(shè)置一層作業(yè)平臺(tái)用于安裝自動(dòng)翻渣裝置。調(diào)壓井明挖時(shí)可以考慮足夠的場地布置井架及卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)并提供安裝、開挖期出渣及支護(hù)材料堆放等井口施工平臺(tái)。施工時(shí)先進(jìn)行調(diào)壓井井口5 m的開挖，可以采用明山開挖的方法和設(shè)備開挖并進(jìn)行鎖口施工，再施工井架基礎(chǔ)，安裝井架。

(2)豎井的開挖施工主要包括傘鉆鉆孔爆破、抓巖機(jī)出渣和平底、人工錨噴支護(hù)等工序。鑒于豎井直徑不大，考慮一臺(tái)中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)即可滿足出渣需要。另外，由于調(diào)壓井位于山脊，而其下部的引水豎井埋深大，初步判定不會(huì)出現(xiàn)大量涌水的情況；對(duì)于排水，主要考慮施工廢水，其水量不大，故主要考慮吊桶排水或小型吊泵排水，而不考慮在吊盤上設(shè)置臥泵、水箱等。因此，建議該項(xiàng)目考慮配置雙層吊盤即可滿足施工要求。同時(shí)，雙層吊盤比較安全，可以避免由于盤面荷載分布不均勻產(chǎn)生傾斜或翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[5]。其上層盤為保護(hù)盤，下層盤為工作盤，上下盤間距按3 m考慮，吊繩懸吊點(diǎn)設(shè)在上層盤。吊盤在完成調(diào)壓井開挖后應(yīng)進(jìn)行改造，縮小直徑以適應(yīng)引水豎井的施工。

(3)傘鉆的型號(hào)選擇按引水豎井的開挖直徑考慮，可選擇SJZ5.5型，該型傘鉆有3個(gè)支撐臂、5個(gè)動(dòng)臂，鉆孔深度最大為3.5 m，重約5.3 t，調(diào)壓井施工時(shí)，傘鉆圈徑以外的炮孔采用手風(fēng)鉆鉆孔。另外，豎井井壁支護(hù)用的錨桿鉆孔亦采用手風(fēng)鉆。

(4)根據(jù)引水豎井的開挖直徑可選用HZ-4型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)，該機(jī)型抓斗容積為0.4 m3，提升能力約為1 t，生產(chǎn)效率為40～50 m3/h。吊桶采用2個(gè)容積為2 m3的坐底桶，施工時(shí)輪換使用。

(5)提升絞車、吊盤絞車、穩(wěn)繩絞車等的型號(hào)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行選擇；封口盤可在現(xiàn)場制作鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)置供吊桶進(jìn)出的封口門；在豎井完成25～30 m開挖施工后再進(jìn)行封口盤的安裝，供電線管、通信線管、供風(fēng)管、排水管等均進(jìn)行吊掛，以便于井筒的正式挖掘和支護(hù)施工。

(6)施工時(shí)應(yīng)合理安排低壓引水隧洞和豎井的銜接時(shí)間，宜先完成低壓引水隧洞至豎井的洞挖施工，再安排豎井下挖到與平洞貫通；兩個(gè)工作面同時(shí)施工時(shí)其錯(cuò)開的距離應(yīng)保持約30 m。洞室貫通后應(yīng)做好低壓引水隧洞的截排水工作，避免影響到引水豎井的延深施工。

(7)在施工工期上，引水豎井底部高壓隧洞的開挖工期為32個(gè)月，而采用快速正井法施工方案施工的豎井井挖工期為12～15個(gè)月，留給調(diào)壓井明挖及井架安裝等的準(zhǔn)備時(shí)間長達(dá)17～20個(gè)月，施工工期安排的靈活度非常高。如果考慮在豎井井挖完成后適當(dāng)進(jìn)行部分高壓引水隧洞的開挖以減輕高壓引水隧洞工作面的工期壓力也是可以做到的。

5 需要繼續(xù)深入研究的問題

項(xiàng)目實(shí)際施工時(shí)，可就是否選用傘鉆及中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)再作深入的探討，以找到更為適合項(xiàng)目的施工方案，真正實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的安全施工、節(jié)能施工。另外，建議設(shè)計(jì)單位對(duì)電站的水頭損失再做進(jìn)一步的研究，以盡可能地減小引水豎井與低壓引水隧洞弧形連接段的半徑，使洞井的布置更為協(xié)調(diào)、合理，比如采用對(duì)連接段局部加鋼里襯減小糙率的措施。

6 結(jié) 語

拉姆2水電站是中國電建國際工程有限公司與深圳能源組成聯(lián)合體共同參與競標(biāo)、中標(biāo)后由中國電建國際工程有限公司EPC承建全部工程的項(xiàng)目。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案除應(yīng)考慮電站運(yùn)行的可靠性外，還應(yīng)充分考慮施工方案的可行性及降本增效。文中提出的將引水豎井調(diào)整到與調(diào)壓井采用同一中心線布置的方案，為采用一套井架及配套井挖施工設(shè)備快速正井法施工豎井創(chuàng)造了條件，為減少施工措施費(fèi)用、降低臨建成本、節(jié)約施工工期提供了更優(yōu)的解決方案，亦期待將快速正井法施工方案應(yīng)用于水電工程項(xiàng)目深豎井施工增加更多的實(shí)證。