淺談超深豎井開挖支護施工技術

王 智，賀 沖，胡偉成

（中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，湖南 長沙 410014）

1 工程概況及項目背景

1.1 工程概況

陽江抽水蓄能電站水頭800 m，是國內在建、已建水頭最高的抽水蓄能電站，工程為一等工程，工程規模為大（Ⅰ）型。引水上豎井連接上平洞和中平洞，上、下彎段長45.925 m，半徑30 m，直徑段長度290.088 m，上豎井全段共長381.938 m，開挖直徑8.7 m。

1.2 工程地質

引水上豎井通過的巖性均為燕山三期（5）中粗粒花崗巖。高壓壓水試驗結果大部分巖體在高壓水頭下滲透性弱，具有較好的抗滲透性能。弱風化巖飽和單軸抗壓強度一般60～100 MPa，平均83 MPa。微風化巖飽和單軸抗壓強度一般100～130 MPa，平均114 MPa。

引水上豎井發育有1 條主要斷層f718。f718 斷層呈NE～NEE（近EW 向）組，從上豎井下部通過，剖面上與豎井交角約17°，主探洞揭露斷層帶寬度2～3 m，膠結較差，對上豎井下部圍巖影響較大。

1.3 施工難度

豎井開挖支護作業屬于有限作業空間，施工通道布置、材料運輸困難；引水上豎井深度達400 m 級，堵井及施工安全風險高；斷層與豎井軸線夾角較小，反井鉆機導孔易隨斷層偏斜，精度控制困難；豎井開挖及支護工序交替進行、施工通道布置困難，無法多工作面同時施工，且工期緊張。國內傳統水電站豎井多集中在200.0 m 左右，超深豎井施工鮮見。

2 施工方案比選

傳統豎井施工多采用正井法或反井法開挖，導井開挖方法有反井鉆機、爬罐法、吊罐法，但傳統工藝施工周期長、堵井風險和安全風險高等問題突出。合理選擇施工工藝及施工設備能有效降低安全風險及縮短施工工期，下面對常用的施工方法進行比選。豎井開挖方法比選見表1。

表1 豎井開挖方法比選表

通過表1 對比分析，超深豎井中導洞采取反井鉆機+定向鉆機施工能有效降低卡鉆風險及避免導孔無法貫穿的風險，且分兩次擴挖成型，能有效減低堵井及縮短工期。

本工程中導洞采用反井鉆機+定向鉆機施工，豎井分兩次擴挖成型。

3 施工程序

本工程豎井施工程序為：豎井上下彎段開挖支護（彎段至豎井邊墻）—→定向鉆機導孔施工—→反井鉆機導井擴孔（Φ1.4 m）—→提升系統施工—→溜渣井擴挖（即豎井一次擴挖）—→上彎段剩余部分開挖支護—→豎井二次擴挖支護—→下彎段剩余部分開挖支護。

4 提升系統

豎井開挖支護階段提升系統需要兼顧后續豎井混凝土澆筑和灌漿施工，因此，提升系統的設計必須高度重視，是豎井提升系統設計中的重要部分。

1）載人系統。豎井擴挖載人采取罐籠結構，通過10 t 雙滾筒絞車提升。罐籠通過兩根防纏繞鋼絲繩同時提升，避免罐籠提升過程中鋼絲繩纏繞。載人罐籠增加防墜器，有效防止降低墜落風險。

2）載物系統。豎井擴挖施工載物吊盤（兼井蓋）結構，通過15 t 單滾筒卷揚機提升。鋼絲繩與吊盤之間增加防旋轉吊鉤可以有效避免吊盤旋轉。

3）井架。豎井施工井架分一次擴挖井架和二次擴挖井架。一次擴挖井架各桿件之間采用高強螺栓連接可拆卸式井架，后續可為其他豎井一次擴挖施工時使用。二次擴挖井架后續作為混凝土、灌漿施工用井架，需按最大荷載及施工工況進行設計，本工程井架跨度大采用巖壁梁+桁架結構體系，具備承受荷載大、節約鋼材等優點。

4）防過卷裝置。避免絞車及卷揚機提升罐籠、吊盤時過卷，造成鋼絲繩斷繩。距井架0.5 m、1.0 m位置安裝重錘限位器，并與絞車、卷揚機操作系統連接，當限位器動作時絞車或卷揚機停止提升并自動剎車。

5）安全通道。豎井擴挖施工過程中沿洞壁安裝豎直鋼爬梯，每隔6.0 m 錯位布置，同時設置休息平臺。若在施工過程中提升系統長時間無法升降，絞車故障無法確定或排除，施工人員可從罐籠或作業面，通過鋼梯爬至井口。

5 豎井開挖

5.1 導井施工

1）設備選型。超深豎井導孔精度將決定豎井施工成敗，特別是陡傾角軟弱斷層復雜地質條件下傳統反井鉆機進行導孔施工時經常無法與下平洞貫通情況。本工程采用定向鉆機+MWD、RMRS 隨鉆測斜糾偏技術進行超深豎井導孔施工。

定向鉆機采用DL450T 型鉆機，可以在井巷內施工55°～90°定向孔，全液壓控制系統，維護操作便捷，履帶式底盤具備自行走功能。定向鉆機參數見表2。

表2 DL450T 定向鉆機參數表

根據鉆孔深度、鉆孔直徑、巖石抗壓強度，選擇相應的反井鉆機，使用ZFY3.5/150/400E 型反井鉆機進行擴孔，擴孔Φ1.4 m。反井鉆機參數表見表3。

表3 反井鉆機參數表

2）導孔施工。定向井鉆井全程采用復合鉆進的方式。鉆具組合為定向鉆進、復合鉆進鉆具組合。在正常鉆進時，鉆機和螺桿鉆具同時旋轉，提供較高的轉速進行鉆進；在無線隨鉆測斜儀測定出偏斜的情況下，調整至滑動鉆進，從而對鉆井軌跡進行控制，以使孔偏斜降低。圖1 為巖層軟硬、硬軟交替引起井孔偏斜示意圖。

圖1 巖層軟硬、硬軟交替引起井孔偏斜

3）導孔擴孔。先導孔直徑169 mm，導孔鉆進與下平洞貫通后，再反擴295 mm 導孔，最后拆除定向鉆機，安裝反井鉆機，下放鉆桿后安裝直徑1.4 m 擴孔鉆頭。

導孔反擴開始降低鉆速及鉆壓，為正常施工鉆壓30%，直至鉆頭全部進入巖體。當鉆頭擴孔至距井口2.5 m 時，降低鉆壓慢速鉆進，直至鉆頭露出地面。

5.2 溜渣井施工

溜渣井開挖利用絞車+一次擴挖井架作為提升系統，懸掛吊籠作為開挖施工平臺。溜渣井開挖采用自下往上由人工手風鉆造水平輻射孔，自下而上分段爆破，溜渣井開挖后直徑3.5 m。

溜渣井開挖一次完成全部造孔，然后再分段裝藥爆破，一次爆破長度8～10 m。因導井直徑（Φ1.4 m）較小，為了方便鉆孔作業，提前對手風鉆氣腿進行適當改造。開挖爆破參數見表4。

表4 溜渣井開挖爆破參數

5.3 豎井擴挖

1）測量放樣。豎井開挖放樣采用全站儀配合激光自動補償天底儀，進行豎井擴挖放樣，利用天底儀激光線進行天底投點測量。儀器有自動補償傾斜誤差的功能，保證了測量的精度。

2）豎井擴挖。豎井擴挖施工自上而下進行，人工扒渣通過溜渣井至下彎段部位，裝載機配合20 t 自卸汽車出渣。

為減少人工扒渣工作量，靠近溜渣井兩環爆破孔超深30～50 cm，爆破后形成漏斗狀，渣料大部分通過溜渣井掉落至下彎段。

豎井周邊孔采用鉆垂直孔光面爆破成型，周邊孔間距0.5 m，抵抗線0.85 m，孔深3.0 m；崩落孔間距0.65～0.81 m，抵抗線0.65～1.1 m，孔深3.5 m。非電毫秒管分段爆破成型，周邊孔采用竹片+導爆索方式爆破。豎井擴挖爆破設計見圖2，開挖爆破參數見表5。

圖2 豎井擴挖爆破設計

表5 溜渣井開挖爆破參數

6 施工難點及對策

1）提升系統設計及布置。提升系統是超深豎井施工中重要的設施，將直接決定豎井施工作業安全及保障工期。

本工程采用雙卷筒絞車、防墜系統能有效避免提升過程中罐籠纏繞問題及提高安全保護系數。提升系統布置需兼顧豎井后續混凝土、灌漿施工提升需要，避免重復進行井架拆裝施工。安全系數高、便于檢查且天輪布置靈活可靠。

2）導孔精度。豎井導孔精度將決定豎井施工成敗，特別是超深豎井導孔施工過程中經常發生導孔無法貫通的情況，造成廢孔。耽誤工期的同時還增加工程建設成本，有必要選擇新工藝及設備克服傳統反井鉆機進行導孔施工精度低問題。

本工程采用定向鉆機+MWD、RMRS 隨鉆測斜糾偏技術進行導孔施工，顯著提高導孔精度。

3）斷層部位施工。豎井斷層部位往往存在較大的地下水及軟弱夾層情況，對反井鉆機、定向鉆機導孔施工造成卡鉆及豎井擴挖過程中施工干擾。

反井鉆機、定向鉆機導孔施工過程中遇斷層部位需降低鉆壓和鉆速，必要時采用水泥漿液臨時封堵鉆孔重復鉆孔。

7 結 語

在本次陽江抽水蓄能電站引水上豎井導孔施工過程中采用定向鉆機+MWD、RMRS 隨鉆測斜技術保證導孔順利貫通。引水上豎井導孔偏差0.25 m，偏斜率0.7‰，遠低于《水電水利工程斜井豎井施工規范》DL/T 5407-2009 規定偏斜率。創新提升系統結構+礦用絞車在水電工程的應用，徹底改變了超深豎井施工工程中安全風險，并能快速優質完成豎井施工。

超深豎井施工選擇二次擴挖工藝能有效降低超深豎井擴挖過程中堵井風險，并同時能降低豎井人工扒渣工程量，加快豎井施工進度。

本工程超深豎井施工相關技術成果可為后續水利、礦山、交通等多個領域類似工程提供重要的參考，具有廣闊的應用前景及較大的利用價值。