洪屏抽水蓄能電站引水豎井開挖施工技術

劉旭剛，楊曉輝

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000 )

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洪屏抽水蓄能電站引水豎井開挖施工技術

劉旭剛，楊曉輝

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽110000 )

洪屏抽水蓄能電站每條引水洞共有2條豎井，上豎井高程差為277 m，下豎井為295 m，施工條件差，開挖過程中安全及質量控制難度大。從施工方案選擇、豎井施工平面布置、施工工藝等幾個方面，對洪屏抽水蓄能電站引水豎井開挖施工實施過程進行了介紹。防墜罐籠、防墜器、視頻監控設備等現代科技的應用，保證了豎井開挖施工的安全。

引水豎井；開挖；施工技術；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站引水系統采用“二洞四機”布置，由引水上平洞、引水調壓井、引水上豎井、引水中平洞、引水下豎井、引水鋼岔管、引水支管等組成。引水豎井有4條，分別為1、2號引水上豎井和1、2號引水下豎井。其中，上豎井長277 m(含上、下彎段)，開挖直徑6.4 m；下豎井長295 m(含上、下彎段)，除上彎段直徑為6.4 m外，其余均為6 m。豎井施工是本工程引水系統施工的重點。

引水上豎井全鋼襯管道上覆巖體厚69～375 m，巖石微～新鮮，巖體完整性差～較完整，屬穩定性差～基本穩定的Ⅲ～Ⅱ類圍巖。其中，Ⅱ～Ⅲ類圍巖占45%，Ⅲ類占36%，Ⅳ類占16%，Ⅴ類占3%。

上彎段由于受f116斷層切割，形成一個不穩定的大棱體，在與節理切割組合下，易沿f116斷層向豎井內塌滑，需錨噴支護處理。上豎井段中下部構造較發育，有f176、F140、f116等3條斷層，f176、f116寬度小，F140寬度較大，均與豎井斜交，傾向下游，對上游壁的穩定不利，與其他方向的節理切割組合，易形成不穩定的棱體，開挖過程需及時支護。下彎段受f176斷層切割影響，彎段頂部巖體厚度薄，洞室開挖后形成臨空，頂部巖體易沿f176脫落，需加強支護。

引水下豎井上覆巖體厚372～650 m，屬整體塊狀構造，節理較發育，為Ⅱ～Ⅲ類巖體，斷層帶部位為Ⅳ～Ⅴ類巖體。發育F109、F521、F115、f173、f174、f112、f114、f172等8條斷層。其中，f173、f174、f114、f172寬度小，屬Ⅲ級結構面，但與豎井斜交且傾向下游或上游，對上游或下游井壁有一定影響；F115、F521、F109屬Ⅱ級結構面，寬度較大，性狀較差。由于斷層帶一般均導水，地下水易沿斷層集中滲漏。

2 施工方案選擇

該豎井斷面較小，井身長，施工難度大，且豎井為在平洞內施工，受工作面制約，井口布置困難。常規豎井施工分為正井開挖和反井開挖，正井和反井開挖又分一次開挖和多次擴挖，擴挖的種類又分人工擴挖和機械擴挖等。根據本豎井的施工特點及施工要求，本工程先利用反井鉆機開挖導孔，而后利用導孔進行二次擴挖。擴挖后的棄渣通過反井鉆機鉆設的作為溜渣槽的導孔，最終由豎井下方平洞段出渣。此方法的優勢在于，一次導井開挖采用反井鉆機施工，施工效率高且無太多安全隱患；二次擴挖在洞口布置多層安全防護措施，通過導井出渣，最大程度保證了施工進度。此方法綜合了反井和正井開挖方法的優勢。

3 豎井施工平面布置

本豎井的施工安全質量重點在于豎井的二次擴挖。為保證施工安全，采用多種安全防護措施，對豎井施工中遇到的各種問題進行認真分析，并據此進行豎井二次擴挖的場地布置。

在豎井進入上彎段的平洞位置設置3臺卷揚機，用于施工期豎井開挖及噴錨支護施工。受施工場地的限制，在豎井上方布置提升架的難度較大，為此，利用后期豎井鋼襯安裝的橋機室橋機軌道梁布置提升設備的基礎。卷揚機通過架設在豎井上彎段巖壁橋機軌道梁上的型鋼橫梁，垂直伸入豎井內。在橫梁上設置定滑輪，同時，在平洞段地面設置導向定滑輪，鋼絲繩通過滑輪對豎井內設備進行提升。為便于豎井內布置，豎井施工開始的20 m左右，采用人工擴挖，擴挖出的工作面作為場地布置的平臺，以便在井口布置鋼梁及大盤等設備。豎井施工平面布置見圖1。

圖1 豎井施工平面布置

豎井施工平面布置主要包括擴挖設備及作業平臺、安全防護設施、施工風水電布置等作業內容。由于豎井開挖斷面小，施工設備采用YT- 28手風鉆鉆孔爆破開挖。開挖時，井口進行封閉，且在井內布置工作大盤，工作大盤在距離開挖作業面10 m范圍對開挖作業人員進行防護，同時也可以在大盤上進行必要的支護作業，形成立體交叉施工作業，加快施工進度。主要施工設備及布置如下：

(1)封孔盤。導井施工完畢后，進行擴挖作業時，需對反井鉆機導井進行封堵，保證豎井內及豎井下方施工人員安全。封口盤在孔鉆裝藥連線之后(或爆破之前)由卷揚吊起，以防爆破時崩壞。利用小型卷揚提拉封孔盤至工作盤，并鎖定在工作盤的孔口位置，以起到爆破作業的防護作用。

(2)提升設備。在鋼梁上布置定滑輪，利用平洞段布置的卷揚機，通過導向定滑輪將設備提起。提升工作盤橫梁采用2根Ⅰ128a工字鋼并排焊接，提升載人罐籠橫梁采用2根Ⅰ122a工字鋼并排焊接。卷揚機布置3臺，1臺10 t的作為工作盤提升使用，1臺3t的作為載人罐籠起吊設備，慢速卷揚(牽引速度9.9 m/min)；1臺3 t的作為載物起吊設備(牽引速度15 m/min)。工作盤選用φ30鋼絲繩(180 kg/mm2，型號為6×37)，載人罐籠卷揚選用φ24鋼絲繩(180 kg /mm2，型號為6×37)。載人罐籠卷揚配置排繩器。同時，為保證安全，額外配置手拉減速剎車，以在緊急時刻備用。

(3)工作大盤。骨架采用8號槽鋼制作，大盤中間留孔，用來保證人員和運輸材料上下，大盤表面采用4 mm的花紋鋼板。在大盤盤體四周及大盤中間留孔的位置設置固定安全圍欄，安全圍欄底部設20 cm高的擋腳板。

(4)材料及人員運輸。豎井開挖開始時的20 m的垂直運輸采用人工牽繩的方法；工作大盤形成后，采用槽鋼焊接成的載物罐籠完成材料垂直運輸。人員上下豎井開挖開始時的20 m使用爬梯(爬梯設置梯籠)。爬梯布置在井壁側；工作大盤形成后，采用GLS- 0.5型防墜罐籠完成人員上下任務。

(5)井口上方封井橫梁。為保證豎井內施工安全，在井口位置布置型鋼鋼梁封閉井口。橫梁采用桁架上留出風水管路進入豎井內的通道，并在鋼梁上鋪設鋼板封閉(留設罐籠吊物進出通道)，孔口周圍設置防護欄，鋪設密目網，對井內人員及設備起保護作用，并在相應位置掛安全警示牌。同時，在井口周圍防護欄底腳設20 cm的高擋腳板。

(6)固定攝像頭。在上豎井的井口、井壁上安裝固定攝像頭，用于豎井材料運輸和施工人員上下的安全監控。攝像頭沿豎井壁周圍布置，每50 m布置1部攝像頭。在距離爆破工作面50 m范圍以上布置攝像頭。同時，在距離爆破工作面最近的攝像頭下方1 m處焊接2 mm厚鋼板防護板。

(7)超載限制器。安裝在豎井鋼桁架的定滑輪的支座上，用于限制井內垂直運輸材料和施工人員的工作盤及罐籠的荷載。如噸位超載，卷揚機將不工作，以確保安全運輸。

(8)卷揚機安全制動裝置。為保證施工安全，卷揚機選用慢速雙抱閘卷揚，并安裝手動制動裝置，確保發生意外情況時，卷揚機能及時制動。

(9)載人罐籠防墜器。在載人罐籠連接鋼絲繩處安裝2個罐籠防墜器，在出現斷繩情況下，該裝置能有效制動，以減少傷亡。GLS- 0.5型防墜罐籠和BF系列防墜器與載人罐籠為一整套集中采購。

(10)限位器。在井口臨界接觸點及載人罐籠穩繩與工作盤連接處設置相應鋼絲繩的位置安裝限位器。當工作盤或罐籠提升至指定位置時，觸發限位器裝置，卷揚機停止工作，確保設備不超過運行上下臨界范圍。

(11)載人罐籠。采用GLS- 0.5型防墜罐籠，該罐籠采用滾動楔形防墜器作為斷繩安全保護裝置，以鋼絲繩為柔性罐道的單層方形提升罐籠，最大終端荷載2 600 kg，最大運行速度可達2.5 m/s(施工時運行速度以卷揚為準)，承載人數可達8人，最大斷面尺寸為1 450 mm×1 240 mm×3 100 mm，罐籠自重1 000 kg。

4 施工技術

4.1 施工重點與難點

(1)豎井長，斷面較小，施工方案的選擇是本工程的重點。

(2)引水豎井巖石為硬巖，施鉆較長，豎井存在f176、f116小斷層帶，1個F140大斷層帶，反井鉆機在施工中的偏斜率控制很難，易卡鉆。斷層帶與豎井斜交，施工時易造成坍塌。

(3)反井鉆機施工形成φ1 400的導井，正井擴挖時溜渣容易堵井，且處理困難。

(4)豎井開挖施工過程安全風險較大。

4.2 引水豎井開挖

采用BMC400型反井鉆機進行φ1400的導井開挖，精度控制在1%以內(各方向)。先自上而下鉆導孔270 mm，再自下而上擴鉆φ1400導井；導井形成后，再采用鉆爆法自上而下分層全斷面擴挖至設計尺寸。擴挖施工利用導井溜渣和通風，采用手風鉆造孔，裝藥爆破開挖。爆破后，除了部分石渣由導井溜至井底外，其余均采用人工扒渣，在豎井下部采用3 m3裝載機和15 t自卸汽車出渣。擴挖后，系統支護施工及時進行，支護滯后開挖1～2個循環。錨桿采用YT- 28手風鉆鉆孔，擠壓式注漿泵注漿，人工插桿，最后進行噴混凝土施工作業。鋼筋網在加工廠加工成片，現場人工拼接、安裝。豎井開挖支護施工流程見圖2。

圖2 豎井開挖支護施工流程

4.3 施工作業流程

(1)測量放線。采用全站儀進行測量，給定豎井中心點。鉆孔前，用鋼絲做垂線下至工作面后，用鋼尺、紅油漆進行測量畫線；定期對中心點進行校核，確保測量工序質量。

(2)鉆孔作業。選派熟練的鉆工，嚴格按照設計進行鉆孔作業。各鉆工分區、分部定位施鉆，實行嚴格的鉆工作業質量經濟責任制。每排炮按爆破圖的要求進行檢查。周邊孔偏差不得大于5 cm，主爆孔不得大于10 cm。

(3)裝藥爆破。按鉆爆設計參數認真進行作業。裝藥完成后，分區、分片檢查，聯結爆破網絡，撤退工作設備、材料至安全區域后進行引爆。

(4)通風散煙。在上豎井上彎段處，采用壓入式供風散煙。

(5)安全處理。安全員、班長、放炮員、電工一同下井檢查有無瞎炮、啞炮，電工檢查用電設備及線路有無損壞，安全員和班長對井壁危石進行處理，出渣后再次進行安全檢查及支護，為下一循環鉆孔作業做好準備。

4.4 開挖施工準備工作

在引水隧洞上平段、中平段施工完成后，對上豎井中心線周邊范圍的上彎段頂拱和下彎段底拱進行擴挖。上彎段頂拱擴挖高度應滿足反井鉆機安裝及操作空間，擴挖寬度按4 m考慮。為便于豎井擴挖出渣，對下彎段底拱進行局部擴挖形成集渣場，集渣場沿導井邊線向下擴挖以便溜渣，底板按8%的坡度擴挖，擴挖寬度按4 m考慮。

4.5 導井鉆孔

采用BMC400型反井鉆機先鉆設φ270的導孔。導孔貫通后，在豎井下部安裝φ1 400擴孔鉆頭進行導井鉆設。采用3 m3側卸裝載機和15 t自卸車在底部出渣。

反井鉆機安裝、調試完成后，即可開始鉆進φ270的導向孔。開孔時，采用短鉆桿、低軸壓、低鉆速和間斷推進的方式，并用扶桿器扶住鉆桿。開孔前，首先將鉆機鉆頭鉆桿定位，對準豎井中心并與底板成90°；短鉆桿鉆入后，首先接穩定器(起導向作用)，穩定器完全進入導孔后，才能逐漸將軸壓和轉速增加到正常值，并改用連續推進；距第1個穩定器7～8 m時接入第2個穩定器(仍起導向作用)，以后每隔15～20 m裝1個穩定器(主要起穩定作用)；遇到斷層、裂隙產生振動或卡鉆時，要減緩鉆進壓力，也可采用間斷推進；隨著鉆孔深度的增加，換鉆桿前的沖洗排渣時間要逐漸增加，保證將孔內的巖渣排凈再換鉆桿，避免在換鉆桿過程中造成返渣埋鉆事故。

導向孔鉆通后，在連接洞的底板上，用液壓卸桿器拆下牙輪鉆頭，旋接鉆桿與擴刀頭之間的連接螺紋，接上φ1400擴孔刀頭，將回轉變速機構調至用于擴孔的低速檔，將擴孔刀頭提至欲擴巖面。

4.6 豎井擴挖

豎井段擴挖自上而下進行，采用YT- 28手風鉆造垂直孔，逐層擴挖。豎井擴挖排渣作業面極易造成堵孔，在施工時應嚴格控制爆破參數。造孔爆破以“多打孔、少裝藥、周邊光爆”為原則，中間段擴挖主爆孔間距在0.5 m以內，排距0.65～0.7 m；周邊光爆孔孔距0.35～0.40 m，排距0.6 m。爆破孔梅花形布置，周邊采用光面爆破，線裝藥量150～200 g/m；崩落孔采用松動爆破。分層有效開挖高度控制在1.5 m以內。崩落孔及周邊光爆孔具體裝藥量需根據現場爆破試驗確定并優化。裝藥由專業爆破人員進行。

4.7 開挖作業循環時間

引水豎井開挖采用反井鉆機進行導井開挖，擴挖均采用手風鉆進行，擴挖循環進尺按照1.2 m考慮，月進尺達60m(包括支護施工)。根據反井鉆機的工作能力，導井導向孔掘進速度按4 m/8 h、擴孔速度按照2 m/8 h計算，引水豎井反井鉆機導孔、導井預計施工時間共3個月。引水豎井擴挖作業主要工序分為測量放線、鉆孔、裝藥連線、起爆排煙、人工扒渣和圍巖支護等，各個工序占用時間分別為1.0、4.0、1.0、2.0、4.0 h和6.0 h。其中，支護工作為2個開挖循環進行1次。

5 結 語

隨著國家對工程安全、質量的日益重視，水利施工的科技含量將越來越高。豎井這種高風險的施工作業項目，在今后的施工中將不再局限于傳統的簡單粗暴的施工方法。隨著科學技術的日益進步，如何將現代化科技手段運用在常規豎井施工中，將成為今后施工科研的新課題。本工程融入了防墜罐籠、防墜器、視頻監控設備等現代科技，是豎井施工現代化的新的嘗試。

[1]GB 6067. 1—2010 起重機械安全規程[S].

[2]DL/T 5370—2007 水電水利工程施工通用安全技術規程[S]．

[3]DL/T 5407—2009 水電水利工程斜井豎井施工規范[S]．

[4]SL 378—2007 水工建筑物地下開挖工程施工規范[S]．

(責任編輯 楊 健)

Construction Technology of Water Diversion Shaft Excavation in Hongping Pumped-storage Power Station

LIU Xugang, YANG Xiaohui

(Sinohydro Bureau 6 Co., Ltd., Shenyang 110000, Liaoning, China)

Each diversion tunnel in Hongping Pumped-storage Power Station consists of two shafts. The height differences of upper shaft and lower shaft are 277 m and 295 m respectively. The safety and quality control in the process of shaft excavation are difficult as poor construction conditions. From the aspects of shaft construction scheme selection, construction layout and construction technology, the actual excavation of shafts are introduced. The application of anti-dropping cage, parachute system and video monitoring ensure the safety of shaft excavation．

water diversion shaft; excavation; construction technology; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

劉旭剛(1988—)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事水電建設技術管理工作．

TV523(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0048- 04