猴子巖水電站45°緩坡斜井開(kāi)挖施工技術(shù)

張 學(xué) 彬，　王　竣

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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猴子巖水電站45°緩坡斜井開(kāi)挖施工技術(shù)

張 學(xué) 彬，王竣

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：猴子巖水電站45°出線斜井采用反井鉆機(jī)施工工法，突破了反井鉆機(jī)適合60°～90°斜井、豎井施工范圍的限制，將反井鉆機(jī)施工技術(shù)運(yùn)用到45°斜井，創(chuàng)造了反井鉆機(jī)長(zhǎng)距離、緩傾角施工的國(guó)內(nèi)、國(guó)際先例，將反井鉆機(jī)施工范圍擴(kuò)大到45°～90°，規(guī)避了常規(guī)施工中有軌自上而下施工帶來(lái)的施工進(jìn)度慢、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工排水難的問(wèn)題，不僅對(duì)該工程節(jié)約工程施工成本、提高施工進(jìn)度、確保施工安全具有重要意義，更是對(duì)后續(xù)的類似工程施工具有借鑒作用，意義重大。

關(guān)鍵詞：45°斜井開(kāi)挖；鉆機(jī)改造；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；質(zhì)量控制；猴子巖水電站

1工程概述

猴子巖水電站出線洞連接主變室與開(kāi)關(guān)站，起點(diǎn)位于主變出線平臺(tái)下游側(cè)邊墻，高程為1 716.5m，出口位于開(kāi)關(guān)站靠下游側(cè)45m處出線場(chǎng)，高程為1 845m，全長(zhǎng)703.6m(平面長(zhǎng)度)。分為上平段、斜井段、下平段，長(zhǎng)度分別為184.6m、185.1m、388.1m，出線斜井傾角為45°，斷面分為兩種，靠近平段部分斜井(長(zhǎng)8m)斷面為8.2m×7.35m(寬×高)，其余部位斷面為6.72m×6.78m(寬×高)，均為城門(mén)洞型。

2出線斜井施工方案的選擇

通過(guò)對(duì)斜井施工各種方案進(jìn)行比較，猴子巖水電站出線斜井最終選用反井鉆機(jī)施工工法。

根據(jù)巖石條件、斜井長(zhǎng)度、擴(kuò)孔直徑、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備及以往取得的施工經(jīng)驗(yàn)，最終選擇LM-200型反井鉆機(jī)施工(圖1)。鉆機(jī)主要部件尺寸及主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　LM-200型反井鉆機(jī)圖

表1　LM-200主要技術(shù)參數(shù)表

該工程根據(jù)豎井、斜井洞徑及長(zhǎng)度選擇了LM-200型反井鉆機(jī)，其導(dǎo)孔直徑216mm,反擴(kuò)直徑1 400mm。

3反井鉆機(jī)的改造及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1反井鉆機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

圖2為反井鉆機(jī)水平傾角90°(豎井施工)工況的施工示意圖，從圖中可以看出：鉆桿與地面的水平傾角主要由斜撐桿調(diào)節(jié)。在常規(guī)施工中，反井鉆機(jī)的水平傾角受斜撐桿可調(diào)范圍限制，只能將傾角在60°～90°范圍調(diào)節(jié)。我們針對(duì)猴子巖水電站出線斜井45°傾角工況，為滿足45°傾角需對(duì)斜撐桿進(jìn)行改造(圖3)或者通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)傾角進(jìn)行調(diào)整(圖4)。

通過(guò)圖3、圖4所示的改造發(fā)現(xiàn)，對(duì)斜撐桿進(jìn)行改造后，存在主機(jī)與小車(chē)沖撞及主機(jī)與吊桿沖撞兩個(gè)問(wèn)題。若只對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行改造，則存在主機(jī)與吊桿沖撞問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)選擇了對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行改造的方案，主機(jī)與吊桿沖撞問(wèn)題通過(guò)改造吊桿實(shí)現(xiàn)。

圖2　反井鉆機(jī)構(gòu)造示意圖

圖3　45°傾角斜撐桿改造示意圖

圖4　45°傾角基礎(chǔ)設(shè)計(jì)改造示意圖

改造后的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

3.2反井鉆機(jī)的改造

對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造后，通過(guò)圖5、6可以發(fā)現(xiàn)：主機(jī)與吊桿存在沖撞問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)需對(duì)反井鉆機(jī)吊桿進(jìn)行改造(圖7)。

圖5　反井鉆機(jī)基礎(chǔ)平面布置圖

圖6　反井鉆機(jī)基礎(chǔ)剖面圖

圖7　鉆桿吊運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

吊桿為固定長(zhǎng)度，在主機(jī)水平安置傾角為60°～90°范圍內(nèi)，吊桿可以通過(guò)液壓千斤頂調(diào)節(jié)以滿足鉆桿安裝需要，在水平傾角小于60°時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)主機(jī)與吊桿沖撞情況。項(xiàng)目部結(jié)合吊裝結(jié)構(gòu)情況，將定長(zhǎng)吊桿換成雙向可調(diào)節(jié)絲桿，改造后的情況見(jiàn)圖8。

圖8　改造后的鉆桿吊運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

445°斜井反井鉆機(jī)施工方案

4.1施工程序

鉆機(jī)改造→基礎(chǔ)混凝土澆筑→鉆機(jī)安裝與調(diào)試→φ216導(dǎo)孔施工→φ1 400擴(kuò)孔施工→鉆機(jī)拆除→全斷面正向擴(kuò)挖。

4.2主要施工方法

(1) 鉆機(jī)改造。

鉆機(jī)吊桿改造方案如圖8所示，吊桿由加工廠加工，現(xiàn)場(chǎng)安裝。

(2) 基礎(chǔ)混凝土澆筑。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、圖5。鉆機(jī)安裝前，反井鉆機(jī)基礎(chǔ)澆筑完成，現(xiàn)場(chǎng)施工由測(cè)量人員采用全站儀精確定位。

(3)鉆機(jī)的安裝及調(diào)試。

①安裝斜井裝置底板。鉆機(jī)的吊裝就位按照鉆孔中心點(diǎn)的十字記號(hào)線方向放置反井鉆機(jī)裝置底板，然后將主機(jī)運(yùn)進(jìn)洞內(nèi)，通過(guò)洞頂?shù)牡跹b錨桿將主機(jī)吊起，對(duì)好位后擰緊連接螺栓，使主機(jī)和底板成為一體，再裝上后支撐拉桿以穩(wěn)定鉆機(jī)。

②鉆機(jī)定位及角度調(diào)節(jié)。

這一環(huán)節(jié)直接關(guān)系到斜井導(dǎo)孔的偏斜度，必須高度重視，其步驟為:

a.調(diào)整鉆機(jī)方位角和垂直度。

先用后支撐拉桿將鉆機(jī)頂起，目測(cè)前后方向與地面大致垂直；然后調(diào)整鉆機(jī)左右方向與地面的垂直。一般采用線垂測(cè)量法，在鉆架的左右兩邊各懸掛一長(zhǎng)2m的線垂，通過(guò)在底板下方墊置斜鐵等辦法調(diào)整垂直度，允許偏差0.5‰，完畢后再用全站儀測(cè)量鉆機(jī)的方位角，確定無(wú)誤后即可裝上底腳螺栓進(jìn)行基礎(chǔ)二次混凝土澆筑。

b.調(diào)整鉆機(jī)傾斜角。

待反井鉆機(jī)基礎(chǔ)二次混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，通過(guò)后支撐拉桿的伸縮調(diào)節(jié)鉆機(jī)的傾斜角，經(jīng)過(guò)計(jì)算調(diào)整好鉆機(jī)傾角，鎖緊螺母，然后用電焊將鉆機(jī)與裝置底板的幾個(gè)鉸接點(diǎn)焊住，防止在施工過(guò)程中后支撐拉桿松動(dòng)、鉆機(jī)發(fā)生移動(dòng)，以確保導(dǎo)孔的施工精度。

(4)φ216導(dǎo)孔施工。

①鉆進(jìn)參數(shù)。

根據(jù)該工程壓力管道斜井及排風(fēng)豎井施工總結(jié)的施工經(jīng)驗(yàn)將鉆進(jìn)參數(shù)暫定(表2)，實(shí)施過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

表2　45°斜井初擬鉆進(jìn)參數(shù)表

②開(kāi)孔鉆進(jìn)。

首先對(duì)鉆桿進(jìn)行改造，加工穩(wěn)定鉆桿。穩(wěn)定鉆桿與普通鉆桿相比，穩(wěn)定鉆桿周邊均勻焊接了4條3cm長(zhǎng)的鋼肋板，其作用是導(dǎo)向，以防止隨鉆孔深度的增加鉆桿因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過(guò)大的彎曲和擺幅，同時(shí)有效減少鉆桿與孔壁的接觸磨損。

鉆桿分布：開(kāi)鉆前10m全部使用穩(wěn)定鉆桿；10～30m調(diào)整為3根普通鉆桿設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿并安裝扶正器以保證鉆孔的開(kāi)孔質(zhì)量，鉆速為平均3～4h鉆進(jìn)1m；30～80m每隔20m設(shè)1根穩(wěn)定鉆桿，鉆速為平均2～3h鉆進(jìn)1m；80m后未設(shè)置穩(wěn)定鉆桿。

(5)φ1 400擴(kuò)孔施工。

①對(duì)接擴(kuò)孔鉆頭。

鉆頭對(duì)接前，將導(dǎo)孔透孔部位進(jìn)行擴(kuò)挖，形成對(duì)接小平臺(tái)，用手拉葫蘆將擴(kuò)挖鉆頭提升到小平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，具體操作步驟如下：

a.放下鉆桿，對(duì)接鉆頭。

將擴(kuò)孔鉆頭放到斜井下部與下平段交接處，放下鉆桿對(duì)接。

b.擴(kuò)孔鉆頭提升。

提升時(shí)，采用小油泵，計(jì)算鉆桿及鉆頭重量，設(shè)定油泵壓力，提升時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，超過(guò)設(shè)定壓力后慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，順利將擴(kuò)孔鉆頭提升到反導(dǎo)洞頂部。

②擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

擴(kuò)孔鉆進(jìn)相對(duì)于前面的工序簡(jiǎn)單，巖石較硬，平均每m進(jìn)尺按照用時(shí)5～8h控制。

(6)鉆機(jī)拆除。

將擴(kuò)挖鉆頭卡固在鋼軌上，拆掉鉆機(jī)的斜撐桿及各種油管，吊出主機(jī)，然后再將反擴(kuò)鉆頭取出。

(7)全斷面正向擴(kuò)挖。

①施工前采用鋼筋、鋼管制作簡(jiǎn)易人行爬梯，提供斜井人員、設(shè)備施工通道。

②為減少開(kāi)挖后人工扒渣的工程量及難度，在導(dǎo)井區(qū)域首先形成一個(gè)“漏斗區(qū)”,盡量讓渣料滾入井內(nèi)，漏斗區(qū)直徑約為3m，深度約為1.5m，開(kāi)挖完成后立即將渣料通過(guò)導(dǎo)井清除，并啟動(dòng)全斷面開(kāi)挖爆破鉆孔。

③為嚴(yán)格控制渣料粒徑，防止堵井，需嚴(yán)格控制爆破孔深度和間距，通過(guò)爆破試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)，爆破孔間距和抵抗線均為60cm左右。

④通過(guò)爆破試驗(yàn)研究，采用高延時(shí)爆破工藝有助于漏斗區(qū)渣料充分溜入導(dǎo)井內(nèi)，以減少因大體積渣料爆破可能造成的堵井風(fēng)險(xiǎn)并減少扒渣的體積。嚴(yán)格控制爆破的孔距及排距，按照爆破設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，孔深利用測(cè)量進(jìn)行精確控制，盡量減少底部因開(kāi)挖造成的不平整而導(dǎo)致后續(xù)扒渣工作難度加大。

⑤采用人工進(jìn)行扒渣工作，制作簡(jiǎn)易溜渣槽進(jìn)行扒渣，減少扒渣的水平距離，提高施工效率。

5反井鉆機(jī)施工質(zhì)量控制

5.1開(kāi)孔精度控制

(1)鉆進(jìn)參數(shù)。

鉆進(jìn)參數(shù)的選擇主要是依據(jù)水平傾角、地層條件、鉆進(jìn)部位等多方面因素確定。施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同情況予以調(diào)整。

(2)開(kāi)孔鉆進(jìn)。

開(kāi)孔前，對(duì)鉆孔中心及鉆孔角度再次進(jìn)行校核，確認(rèn)無(wú)誤后開(kāi)孔；開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)，利用開(kāi)孔扶正器和開(kāi)孔鉆桿配合，慢速開(kāi)孔，斜井1～20m設(shè)為開(kāi)孔段，鉆速1m/10h。連接導(dǎo)孔鉆頭的第1根鉆桿放置高精度穩(wěn)定鉆桿(φ216)，開(kāi)孔段每3m放置穩(wěn)定鉆桿(φ216)，開(kāi)孔段以后按照第23m、第27m、第35m、第50m……放置穩(wěn)定鉆桿，其余鉆進(jìn)過(guò)程使用普通鉆桿(φ182)。

5.2導(dǎo)孔糾偏措施

在出線洞導(dǎo)孔施工、鉆機(jī)定位時(shí)，其定位夾角為45°30′，預(yù)留30′下沉量。鉆進(jìn)20m時(shí)傾角基本未變，鉆進(jìn)至約100m時(shí)下傾角約為44°，偏斜值為1°。此時(shí)，主要采取了以下糾偏措施：

(1)加快鉆進(jìn)速度，鉆速為1.5h左右鉆進(jìn)1m；

(2)減少主泵供水量，使導(dǎo)孔內(nèi)的水壓降低，所殘留的少量巖屑有利于將鉆頭向上托起；

(3)減少穩(wěn)定鉆桿，80m以后未設(shè)置穩(wěn)定鉆桿。

6結(jié)語(yǔ)

(1)在反井鉆機(jī)安裝時(shí)，必須精確控制水平位置、方位角及傾角，反井鉆機(jī)的偏斜率不得超過(guò)1%，偏斜主要是向右下方。對(duì)于斷面面積大于控制偏斜率的斜井，鉆機(jī)應(yīng)定位在斜井中心點(diǎn)上，調(diào)整鉆機(jī)角度應(yīng)遵照斜井的實(shí)際傾角，無(wú)需刻意向上或下調(diào)整。對(duì)于斷面面積小于控制偏斜率的斜井，反井鉆機(jī)的定位可向左上方移動(dòng)。

(2)導(dǎo)孔施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)水平傾角、地層條件慢速鉆進(jìn)，開(kāi)孔采用扶正器，最好保持連續(xù)鉆進(jìn)，這樣鉆孔產(chǎn)生上下偏差的幾率較小。鉆孔一旦產(chǎn)生偏差，采用掃孔糾偏的方法效果并不明顯。

(3)使用測(cè)斜儀對(duì)鉆進(jìn)傾角進(jìn)行檢測(cè)。

(4)擴(kuò)孔應(yīng)使用壽命較長(zhǎng)的硬巖滾刀，盡可能地避免或減少中途更換滾刀的次數(shù)。

(5)施工精度：溜渣井導(dǎo)孔貫穿偏差為1.65m，貫通精度為0.89 %。

(6)施工效率：反井鉆機(jī)φ216導(dǎo)孔平均施工效率為5.95m/d；φ1 400反導(dǎo)井?dāng)U挖平均施工效率為9.23m/d；全斷面擴(kuò)挖與支護(hù)平均施工效率為1.39m/d。

張學(xué)彬(1974-)，男，四川資陽(yáng)人，項(xiàng)目總工程師，高級(jí)工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作；

王峻(1987-)，男，重慶黔江人，助理工程師，從事水電工程及高速鐵路施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0020-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV52

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