500 m級超深豎井開挖方案的比選與施工

唐 雄， 代 強

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中東抽水蓄能電站(以色列克卡夫哈亞鄧抽水蓄能電站)是中國電建在發達國家高端市場斬獲的首個EPC水電項目，該工程具有地質條件復雜、工期緊、質量要求高等特點。電站由上水庫、輸水系統、地下廠房系統、下水庫及地面開關站等組成，總裝機容量344 MW。該電站引水豎井和引水調壓井垂直方向在一條直線上，上部調壓井深69.46 m，高壓豎井深438.14 m，豎井總深度為507.6 m。高壓豎井上下彎段分別與引水上、下平洞相接，調壓井上部14.6 m開挖支護后直徑為18.1 m，襯砌后直徑為16.1 m；下部54.86 m開挖支護后直徑為15.6 m，襯砌后直徑為14 m；高壓豎井開挖支護后直徑為5.2 m，鋼襯內直徑為4 m。豎井開挖支護型式包括系統錨桿、掛網噴混凝土、鋼格柵等。

引水豎井處地質條件極為復雜，調壓井巖體以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比約40%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比約60%。高壓豎井以Ⅳ類圍巖為主，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比約35%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比約65%，且高壓豎井Ⅳ、Ⅴ類圍巖均存在擠壓變形。引水豎井布置在玄武巖、火山碎屑巖互層地層(bs+pyr)、玄武巖地層(bs)、角礫巖和集塊巖混合地層(cgl)、火山碎屑巖地層(pyr)、泥灰土地層(Marl)及粘土層(Clay)等地層。

2 可選開挖方案論述

根據引水豎井的地質情況、結構布置及施工條件，初選方案有反井法、正井法、正反井相結合的施工方法。筆者分別介紹于后。

2.1 反井法施工分析

反井法施工方案是在調壓井頂部采用反井鉆機先施工導孔，待引水下平洞開挖至引水豎井底部后，將反井鉆機鉆頭更換為擴孔鉆，然后自下而上進行導井施工；導井施工完成后，再利用導井作為溜渣井進行調壓井上部7 m的開挖，澆筑鎖口混凝土，安裝井口載人提升系統和井口門機(用于井內吊運材料)，最后自上而下進行豎井爆破擴挖及支護的施工方案。

2.2 正井法施工方案

深豎井正井法施工在水電行業極為少見，而在煤礦行業，深豎井均采用正井法施工，是傳統的礦山豎井施工方法，該方法可以實現邊開挖、邊襯砌，是一種快速施工豎井的方法。

正井法施工方案是先進行調壓井上部7 m開挖，澆筑鎖口混凝土，然后繼續開挖調壓井至14.6 m，再進行調壓井大井14.6 m結構混凝土襯砌施工，安裝“正井法”提升系統及配套設備，利用正井系統自上而下進行調壓井下部開挖，調壓井開挖完成后進行調壓井下部的襯砌施工。調壓井開挖及襯砌施工完成后，再利用正井系統自上而下完成高壓豎井的開挖及支護施工。

2.3 正反井相結合的施工方案

正反井相結合的施工方案是先采用正井法進行調壓井上部7 m開挖，澆筑鎖口混凝土，然后繼續調壓井開挖至14.6 m，再進行調壓井大井14.6 m結構混凝土的襯砌施工，安裝井口載人提升系統和門機(用于井內吊運材料)。提升系統形成后，再自上而下進行調壓井下部小井的開挖及襯砌施工。在引水下平洞開挖至引水豎井底部之前，將反井鉆機吊至調壓井底部先施工導孔，待引水下平洞開挖至引水豎井底部后，將反井鉆機鉆頭更換為擴孔鉆，然后自下而上進行導井施工，最后利用導井作為溜渣井自上而下進行高壓豎井的爆破擴挖及支護的方案。

3 三種開挖方案之對比分析

根據上述3種方案，項目部從施工可行性、施工安全性、施工難度、施工優缺點、施工工期、施工費用等方面進行了對比分析，分析成果見表1。

4 開挖方案的選擇與施工

根據對上述方案進行的綜合比較和分析，項目部將正井法施工方案作為首選方案向業主進行了申報并通過了業主工程師的審批。目前，中東抽水蓄能電站引水調壓井上部大井14.6 m的開挖及襯砌已完成，正井提升系統業已安裝完成并投入使用。

4.1 開挖施工程序

引水豎井開挖施工程序為：施工準備→調壓井上部7 m井挖→調壓井鎖口混凝土施工→調壓井井挖至14.6 m→調壓井上部14.6 m結構混凝土襯砌→正井法提升系統安裝→調壓井下部小井開挖→調壓井下部小井混凝土襯砌→高壓豎井開挖。

4.2 開挖施工

4.2.1 調壓井施工

(1)調壓井上部施工。

調壓井大井高度為14.6 m，分為兩部分施工。先施工鎖口段開挖及支護施工(7 m)，再進行鎖口段混凝土襯砌施工，最后進行調壓井大井剩余部分施工(7.6 m)。

由于該引水豎井位于該國國家森林公園，同時受調壓井邊高壓線塔的影響(距調壓井約30 m)，調壓井大井開挖只能采用機械開挖的方式施工。調壓井上部7 m屬于半挖半填，其施工方法是先用液壓錘分臺階鑿挖，分層高度為1 m，每層鑿挖后再采用液壓反鏟裝自卸汽車運至渣場，開挖高度達到2 m時作為一個開挖循環進行支護，直至開挖完成。

當鎖口混凝土襯砌完成后，調壓井大井下部7.6 m的開挖是采用吊車將液壓錘吊至井內進行全斷面分層鑿挖，分層高度為0.5 m，出渣由井內反鏟裝3 m3吊桶、然后采用吊車提升吊桶出渣，每開挖2 m高度進行一次支護。調壓井大井開挖的施工人員上下井利用井壁上設置的爬梯，施工設備、材料的井內吊運采用吊車。

(2)調壓井下部施工。

調壓井上部大井施工完成后，進行正井法提升系統的安裝，經當地工程師驗收合格后投入使用。調壓井小井開挖支護后直徑為15.6 m，分為3個區進行光面爆破施工，開挖循環進尺為2 m，開挖鉆孔采用T35液壓鉆機、YT-28手風鉆鉆孔，人工裝藥聯網爆破；出渣采用小型液壓反鏟配合正井系統抓巖機裝吊桶出渣。調壓井小井施工人員上下井利用載人提升系統上下，施工設備的吊運采用吊車，施工材料的運送采用載物提升系統。

表1 中東抽水蓄能電站引水豎井開挖方案對比分析表

4.2.2 高壓豎井的開挖施工

調壓井開挖及襯砌施工完成后，利用井口布置的正井提升系統進行高壓豎井的開挖。高壓豎井的開挖采取全斷面光面爆破開挖，將Ⅲ類圍巖的進尺控制在4 m以內，Ⅳ類圍巖的進尺為2 m。爆破孔采用SFJ4.5型傘鉆鉆孔，人工裝藥光面爆破， HZ-6中心回轉抓巖機裝3 m3吊筒，JK-3×2.5提升機提升吊桶出渣，最后采用人工清底，渣石升井經溜渣槽落地后，再由裝載機裝自卸汽車運至棄渣場。為了加快施工進度，充分發揮礦用正井提升系統的優勢，采用混凝土初襯代替噴錨支護。其施工流程：先鉆孔爆破開挖第1個循環，然后進行第2個循環爆破不出渣，利用正井系統將整套鋼模板落在第2個循環爆渣上進行第1個循環混凝土襯砌，襯砌完成后進行第2個循環出渣及第3個循環爆破不出渣、第2個循環襯砌等，依次循環施工。

5 結 語

深豎井的開挖施工歷來是一個難題，其施工方案的選擇尤為重要。通過比選分析，該工程選用國內成熟的正井法施工技術獲得了業主的高度認可；同時，該工程也是國外水電項目首次采用“正井法”施工的深豎井。