梨園水電站引水道斜井導(dǎo)井施工方法探討

杜宜斌，韓順波

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川彭山 620860)

1 工程概述

梨園水電站工程屬一等大(1)型工程，主要永久性水工建筑物為1級(jí)建筑物。工程是以發(fā)電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的水利水電樞紐工程。樞紐建筑物主要由面板堆石壩、右岸溢流道及消力池、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及岸邊主副廠房、左岸泄洪沖沙洞等組成。水庫(kù)庫(kù)容為7.27×108m3，電站裝機(jī)容量2400 MW(4×600 MW)。

梨園水電站引水系統(tǒng)共布置有4條引水道，每條引水道均由上平段、斜井段、下平段組成，斜井開挖成形直徑為13.6 m，斜井與水平面夾角均為48°，如此平緩的斜井在國(guó)內(nèi)比較少見。其中:1#引水道斜井長(zhǎng)84.3 m，2#引水道斜井長(zhǎng)78.8 m，3#引水道斜井長(zhǎng)74.3 m，4#引水道斜井長(zhǎng)69.5 m。

引水道斜井布置于廠房后邊坡山體內(nèi)，斜井施工時(shí)，廠房后邊坡已開挖形成，其上覆巖體厚度約40～60 m(靠外側(cè)1#斜井相對(duì)較薄)。斜井通過地段分布的基巖為P2d4的玄武巖類，其流層面產(chǎn)狀N75°～85°E，NW∠44°～65°，各洞段依次通過屬Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面的F10、F11和F6等斷層，其中F6斷層傾角較緩。除斷層外，屬Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面的小斷層、擠壓帶和屬Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面的節(jié)理裂隙發(fā)育，且部分為中緩傾角。引水隧洞開挖洞徑規(guī)模較大，隧洞最小凈間距不足1.5倍洞徑，加之遭遇F6等小傾角斷層洞段地質(zhì)條件相對(duì)較差。

1#斜井圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較好，以Ⅲ類、次Ⅲ類為主，2#、3#及4#斜井圍巖地質(zhì)條件較差，以Ⅳ類為主;而4#斜井圍巖地質(zhì)條件最差，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，擠壓帶、泥質(zhì)破碎帶、斷層分布錯(cuò)綜復(fù)雜，巖體綠泥石化嚴(yán)重，遇水或短時(shí)間暴露即軟化，圍巖自穩(wěn)能力極其低下。

2 人工正導(dǎo)井施工方案的確定

目前，常見的斜井開挖施工方法有:人工正導(dǎo)井法、人工反導(dǎo)井法、爬罐法及反井鉆機(jī)法。導(dǎo)井施工方法已基本成熟，只需在施工中根據(jù)各自工程不同的特點(diǎn)及施工需要采取適宜的方法而已。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)及前期施工規(guī)劃，該工程斜井采取先導(dǎo)井、后開挖的施工方法。而斜井施工的最大難度及對(duì)安全、進(jìn)度起關(guān)鍵作用的則在導(dǎo)井施工環(huán)節(jié)上。目前國(guó)內(nèi)最常見的斜井導(dǎo)井斜度均在60°～90°之間，小于60°的斜井非常少見。梨園水電站斜井導(dǎo)洞除去上下彎段可水平開挖的洞段外，斜井導(dǎo)井的開挖長(zhǎng)度(1#～4#)分別為:67 m、57 m、53 m、45 m，其長(zhǎng)度均不太長(zhǎng)。

本工程引水道斜井導(dǎo)井坡度較緩且長(zhǎng)度短，利用反井鉆機(jī)不能充分發(fā)揮其優(yōu)越性，且可能造成鉆桿扭斷的風(fēng)險(xiǎn)，不僅造成資源浪費(fèi)，還將直接影響到施工安全和成本。經(jīng)綜合比選后決定采用人工正導(dǎo)井法施工，待導(dǎo)井形成后再自上而下擴(kuò)挖，通過導(dǎo)井溜渣、下平段機(jī)械出渣的施工方案。施工順序?yàn)橄?#、3#，后2#、4#，兩兩錯(cuò)開。

3 人工正導(dǎo)井施工

3.1 導(dǎo)井布置

斜井導(dǎo)井由引水道上平段下半洞底板自上而下進(jìn)行開挖，開挖形式為2 m×2 m 方形斷面，下傾角為48°(與水平面夾角)，導(dǎo)井下部出口與引水道下平段頂拱相接。1#導(dǎo)井斜長(zhǎng)67 m，3#導(dǎo)井斜長(zhǎng)53 m。為方便擴(kuò)挖時(shí)排渣，導(dǎo)井于斜井正中稍靠后布置(中導(dǎo)井)。

3.2 出渣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置

導(dǎo)井開挖出渣由上部出渣，出渣系統(tǒng)由8 t 慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)、渣斗、渣料提升系統(tǒng)三個(gè)主要部分組成。

軌道布置:提升系統(tǒng)軌道為［14槽鋼，其余主、副構(gòu)件采用工字鋼、槽鋼及角鋼等焊接而成。軌道軸線中心和導(dǎo)井中軸線一致，軌距145 cm，隨開挖延伸軌道。

渣斗:采用0.75 m3拌和站提升斗。

渣料提升系統(tǒng)布置:卸渣系統(tǒng)(渣料提升架)利用0.75 m3拌和站提升系統(tǒng)經(jīng)局部改造直接使用。提升架基礎(chǔ)為C20混凝土(30 cm×30 cm×20 cm)，基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋φ25(L=1.5 m，外露30 cm)插筋，該插筋與提升架立柱焊接。

卷?yè)P(yáng)機(jī)布置:將卷?yè)P(yáng)機(jī)布置在外框尺寸略大于卷?yè)P(yáng)機(jī)外形尺寸的混凝土基礎(chǔ)上，卷筒橫向中心和軌道中心一致，并將卷?yè)P(yáng)機(jī)機(jī)座和基礎(chǔ)底板預(yù)埋插筋焊接牢固，連接渣斗的鋼絲繩經(jīng)提升架頂?shù)膶?dǎo)向滑輪和卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒相連，卷?yè)P(yáng)機(jī)與渣料提升架距離按30 m 左右控制。

3.3 導(dǎo)井鉆爆施工

導(dǎo)井開挖采用手風(fēng)鉆造孔、中部直孔掏槽、周邊光面爆破的爆破方式，炸藥為乳化炸藥，雷管為電雷管。導(dǎo)井開挖渣料采用人工裝渣至渣斗，由卷?yè)P(yáng)機(jī)提升至上彎井口后，經(jīng)渣料提升架直接翻至5 t 自卸汽車內(nèi)，經(jīng)1#支洞運(yùn)出。

鉆爆參數(shù):中部直孔掏槽，中心設(shè)一空孔，掏槽孔及空孔孔深1.5～1.8 m;塌落孔間距60～80 cm，孔深1～1.5 m;周邊孔間距66 cm，孔深1～1.5 m，循環(huán)進(jìn)尺寸為1～1.5 m。起爆順序?yàn)?掏槽孔→崩落孔→周邊孔。

3.4 人工導(dǎo)井的實(shí)際施工情況

在實(shí)際施工中，1#導(dǎo)井采用人工正導(dǎo)法從上至下開挖，隨著導(dǎo)井深度加深，導(dǎo)井通風(fēng)散煙難度加大，炮后排煙時(shí)間加長(zhǎng)，出渣效率也明顯降低，施工進(jìn)度不是很理想。后根據(jù)導(dǎo)井開挖過程中圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較好的實(shí)際情況，在開挖至47 m深度后，決定停止正導(dǎo)法施工，余下20 m 采用反導(dǎo)法(人工反向從下至上進(jìn)行導(dǎo)井開挖)，此法由于減少了人工出渣占用直線工期，效率較以前有較大提升，但安全危險(xiǎn)性加大。同樣，3#導(dǎo)井施工時(shí)，也采用正反導(dǎo)井相接合的施工方法，工期壓力得到了一定程度的改善。

人工導(dǎo)井法在1#、3#導(dǎo)井施工的平均循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m/d，小于預(yù)期值。

4 斜井導(dǎo)井反井鉆機(jī)施工

4.1 方案確定

2010年1月20日，4#斜井下彎段出現(xiàn)大塌方，塌方體及塌方面揭露出的斜井圍巖地質(zhì)條件太差，采用人工正導(dǎo)井法施工人員的安全難以保證，同時(shí)，由于塌方處理時(shí)間較長(zhǎng)，原計(jì)劃目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)已相當(dāng)困難，若根據(jù)前期人工導(dǎo)井施工情況，如2#、4#導(dǎo)井仍采用人工正導(dǎo)井法施工，進(jìn)度、安全、質(zhì)量等方面均難以保證。若采用反井鉆機(jī)施工，由于反井鉆機(jī)施工角度有限，國(guó)內(nèi)均在60°～90°之間，小于60°的斜井非常少見，同時(shí)，其施工成本與人工導(dǎo)井法相比成倍增加。但幾經(jīng)綜合論證，項(xiàng)目部仍決定2#、4#導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)法施工。

根據(jù)2#、4#導(dǎo)井長(zhǎng)度及施工條件綜合考慮，最終選用LM-200型反井鉆機(jī)。其主要由主機(jī)、操作車、泵車和鉆具系統(tǒng)組成。導(dǎo)孔直徑216 mm，擴(kuò)孔直徑1.2～2 m，施工角度為60°～90°。本次施工擴(kuò)孔直徑為1.4 m，施工角度48°。

4.2 施工布置

將反井鉆機(jī)布置于導(dǎo)井開口底板混凝土基礎(chǔ)上。由于2#、4#斜井圍巖綠泥石化嚴(yán)重，巖性較軟，強(qiáng)度低，遇水軟化成泥漿，同時(shí)斷層裂隙發(fā)育，因此本次施工中未采用泥漿護(hù)壁的方法，而是采用灌水泥漿固結(jié)法，布置中取消了泥漿池。

本次施工導(dǎo)井角度為48°，超過了反井鉆機(jī)自身的角度調(diào)節(jié)能力，因而其混凝土基礎(chǔ)面與水平夾角按不小于17°控制，以配合鉆機(jī)鉆進(jìn)角度的調(diào)整。

4.3 采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井施工

施工順序:先進(jìn)行自上而下的導(dǎo)孔施工，然后自下而上進(jìn)行導(dǎo)井反擴(kuò)施工。

導(dǎo)孔直徑為216 mm。導(dǎo)孔的鉆進(jìn)過程是反井鉆施工中所有環(huán)節(jié)中相對(duì)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，導(dǎo)孔鉆進(jìn)也是對(duì)地層的勘探過程，根據(jù)其鉆進(jìn)過程觀察到的返出巖屑的情況，可以對(duì)地層地質(zhì)情況有初步的定性分析和了解，為擴(kuò)孔施工以及后期全洞擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)直徑提供參考。

導(dǎo)孔施工完成后，下部采用裝載機(jī)配合，安裝反擴(kuò)鉆頭，從下至上反擴(kuò)成設(shè)計(jì)圖紙中的圓形導(dǎo)井;為后期方便溜渣，再自下而上將導(dǎo)井直徑擴(kuò)大至3 m。

4.4 導(dǎo)孔塌孔的處理

在2#導(dǎo)井導(dǎo)孔施工過程中，由于導(dǎo)孔鉆井時(shí)在不同高程處遇到了泥質(zhì)帶、破碎帶，且因?qū)Э姿讎?yán)重，固灌效果不佳，孔內(nèi)循環(huán)水大部分從巖縫中漏走，孔內(nèi)大量泥渣無法排出，在距導(dǎo)井出口7 m 時(shí)，將鉆頭及鉆桿抱死，導(dǎo)致鉆機(jī)無法進(jìn)退。后經(jīng)測(cè)量定位導(dǎo)向，采用人工反導(dǎo)井法從下至上將導(dǎo)孔與下部導(dǎo)井打通，最終反井鉆機(jī)擴(kuò)孔成功。

4#斜井圍巖綠泥石化嚴(yán)重、質(zhì)地較軟、遇水軟化，同時(shí)經(jīng)過兩處大的泥質(zhì)斷層，導(dǎo)孔施工至1/2(20 m 左右)深度時(shí)塌孔嚴(yán)重、經(jīng)過多次固結(jié)灌漿均無法鉆進(jìn)，后經(jīng)分析，由于泥質(zhì)化嚴(yán)重，孔壁在高壓水下塌孔嚴(yán)重，孔底及周邊形成了一個(gè)大的孔腔，孔內(nèi)巖屑經(jīng)水浸泡，再經(jīng)鉆頭攪磨形成了濃度較高的泥漿，停水固灌時(shí)，泥漿沉淀于孔底，灌漿后孔底便形成上部為水泥漿、下部為純泥漿的分層結(jié)構(gòu)，從而無法達(dá)到固灌效果。經(jīng)論證后采取了以下方法得以解決:孔內(nèi)注漿管采用高強(qiáng)耐壓的PVC 管，安插灌漿管時(shí)，同時(shí)向孔內(nèi)壓入高壓水，壓水管口與灌漿管同步伸至孔底，通過高壓水使孔底泥漿及巖屑翻動(dòng)，以利于灌漿管能安插到導(dǎo)孔底部，灌漿時(shí)，使水泥濃漿與泥漿充分混合而不至于分層，從而達(dá)到了固灌效果。

4.5 反井鉆機(jī)施工情況小結(jié)

2#導(dǎo)井采用反井鉆機(jī)施工，由于施工中圍巖裂隙漏水導(dǎo)致無法排渣而將鉆機(jī)抱死，該孔最后的7 m 采用人工反導(dǎo)法施工造成施工進(jìn)度一度緩慢，但隨后進(jìn)行的擴(kuò)孔施工比較順利，前后總用時(shí)10 d，平均每天進(jìn)尺5.7 m。4#導(dǎo)井施工由于塌孔嚴(yán)重，固結(jié)灌漿多次失敗，造成導(dǎo)孔施工困難，進(jìn)度緩慢，但隨后的擴(kuò)孔施工亦較順利。經(jīng)統(tǒng)計(jì):2#、4#導(dǎo)井施工從導(dǎo)孔施工至擴(kuò)孔完成用時(shí)分別為10 d、19 d，導(dǎo)孔施工占用時(shí)間較長(zhǎng)。施工平均進(jìn)尺2.4～5.7 m/d，擴(kuò)孔施工進(jìn)尺最大達(dá)15 m/d。

5 施工方式對(duì)比

梨園水電站引水道斜井導(dǎo)井施工中分別采用了人工導(dǎo)井法和反井鉆機(jī)鉆進(jìn)法兩種施工方法，而人工導(dǎo)井法又分別采用了正導(dǎo)井及反導(dǎo)井法。人工導(dǎo)井法與反井鉆機(jī)法兩種施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，現(xiàn)對(duì)比如下:

(1)施工準(zhǔn)備:人工導(dǎo)井輔助項(xiàng)目較多，施工相對(duì)麻煩，需準(zhǔn)備卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)，這其中涉及到卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝、渣斗軌道安裝、提升架制作及安裝;而反井鉆機(jī)僅需施工一鉆機(jī)平臺(tái)、洞內(nèi)提升吊鉤及循環(huán)系統(tǒng)，準(zhǔn)備工作相對(duì)簡(jiǎn)單。

(2)施工進(jìn)度:人工導(dǎo)井法中的正導(dǎo)井施工平均進(jìn)尺為0.8～1.5 m/d，最快進(jìn)尺為1.5 m/d;而反井鉆機(jī)平均進(jìn)尺為2.4～5.7 m/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工導(dǎo)井法，如導(dǎo)孔施工順利，平均每天進(jìn)尺數(shù)更高，可達(dá)10 m/d。

(3)施工安全:人工導(dǎo)井法首先是輔助系統(tǒng)的安全，卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升架、軌道等的安裝運(yùn)行安全要求均比較高，人員在井內(nèi)鉆孔、出渣安全危險(xiǎn)性相對(duì)較大，井內(nèi)通風(fēng)、光線均較差;而反井鉆機(jī)安全危險(xiǎn)性則相對(duì)較小，在安裝、調(diào)試、運(yùn)行中按操作規(guī)程及相應(yīng)的處理方法進(jìn)行，均能比較順利的完成施工，同時(shí)，施工環(huán)境相對(duì)較好。反井鉆機(jī)法減少了對(duì)圍巖的爆破震動(dòng)，對(duì)導(dǎo)井圍巖穩(wěn)定起到了關(guān)鍵作用。

(4)施工質(zhì)量:人工導(dǎo)井法由于在狹小的洞內(nèi)施工，其造孔、裝藥、洞線控制均比較困難，往往導(dǎo)井成形質(zhì)量較差，后期擴(kuò)挖溜渣容易塞孔。而反井鉆機(jī)經(jīng)過控制，偏心較小，經(jīng)二次擴(kuò)挖后，導(dǎo)井線型、周邊成形均較好，對(duì)后期全洞擴(kuò)挖非常有利。

(5)施工成本:在同一豎(斜)井施工中，反井鉆機(jī)每m 的施工成本約為人工導(dǎo)井法的3倍(各地有差異)，同時(shí)，反井鉆機(jī)施工進(jìn)退場(chǎng)費(fèi)相對(duì)較高，因此，反井鉆機(jī)比較適用于洞線長(zhǎng)的豎井或斜度大、洞線長(zhǎng)的斜井施工。而人工導(dǎo)井法相對(duì)比較適用于洞線短、圍巖地質(zhì)條件相對(duì)較好的導(dǎo)井施工。

6 結(jié)語

梨園水電站引水道斜井導(dǎo)井施工中人工導(dǎo)井及反井鉆機(jī)兩種施工方法的采用，其優(yōu)缺點(diǎn)形成了鮮明對(duì)比，在實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)各工程的實(shí)際情況合理選擇。

同時(shí)，反井鉆機(jī)在傾角小于60°斜井中的應(yīng)用，打破了反井鉆機(jī)僅能在60°～90°斜井中應(yīng)用的常規(guī)，特別是在地質(zhì)條件較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖中的成功應(yīng)用，為同類工程反井鉆機(jī)的施工提供了參考。