斜井一次擴挖成型工藝在海蓄電站的應用

熊曉杰，陳文杰

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站輸水系統設計兩級斜井，每級斜井均由上彎段、直線段及下彎段組成，其中一級斜井長為247.958 m，直線段長為192.461 m，全部為Ⅱ～Ⅲ級圍巖。二級斜井長227.118 m，直線段長為170.122 m，Ⅱ～Ⅲ級圍巖長為65 m，占二級斜井總長的28.6%；Ⅲ級圍巖長為110 m，占二級斜井總長的48.4%；Ⅳ級圍巖長為52.118 m，占二級斜井總長的23%。斜井開挖洞徑均為Φ9.6 m，襯砌后洞徑均為Φ8.4 m，傾角均為55°(見圖1)[1]。

圖1 斜井開挖結構示意

2 施工工藝的確定

海蓄電站一、二級斜井地質條件差，兩條斜井巖石節理發育明顯，圍巖破碎，穿過多條斷層，并有不同程度地下水滲出。如果采用常規施工方法，通過反井鉆機施工，完成Φ1.4 m導井后再通過人工從下至上進行一次反擴施工，存在較大安全隱患，因為反井鉆機施工完成的導井很難進行初期支護，施工人員在地質條件較差的導井中進行作業，過程中產生的掉塊很容易造成作業人員的傷亡[2]。

斜井施工工期緊、任務重，如果省去一次反擴施工程序，在后續其他作業均按計劃進行的情況下，每條斜井將節約工期約50 d(其中一次擴挖提升系統布置與拆除20 d，一次反擴施工工期30 d)，如果能夠順利實施將加快斜井施工進度，推進項目按合同要求完成目標。

從安全和進度兩方面考慮，決定不采用常規斜井開挖施工方法進行海蓄電站兩級斜井的開挖施工。常規斜井開挖施工方法為：反井鉆機Φ216 mm先導孔施工→反井鉆機Φ1.4 m導井反擴施工→自下至上一次擴挖形成Φ3～Φ4 m 溜渣導井→自上至下二次擴挖成形。海蓄電站將斜井開挖程序調整為：反井鉆機施工完成Φ2 m導井后一次性從上至下全斷面開挖成形，即省去溜渣導井形成后從下至上的一次反井法擴挖施工。

3 施工過程存在的問題及對策

海蓄電站斜井開挖施工程序調整后主要存在以下兩個方面的問題：

1) 溜渣井直徑僅為2 m，全斷面擴挖施工時，溜渣井堵塞的風險將大大提高；

2) 溜渣井直徑減小后，扒渣的工作量將大大提高，人工投入及勞動強度增加。

因此，為保證兩級斜井開挖施工順利進行并達到施工程序調整后預期的目標，必須采取相應措施解決上述兩個問題，確保項目的順利開展和實施。

結合以往斜井開挖施工經驗，必須在以下幾個方面對施工工藝進行優化。

1) 導井位置

導井的位置直接關系到扒渣量的大小，導井位置的合理確定將有效加快斜井開挖施工速度。從開挖后扒渣作業的安全考慮，孔底堆渣不宜過高，過低又會增加堵井概率；導孔在施工過程中因反井鉆機一直處于傾斜狀態，鉆進過程鉆頭易向上傾斜；因斜井結構影響，搭設反井鉆機施工平臺需進行技術超挖，導井位置直接影響超挖工程量。綜合以上因素，最終確定導井中心位于斜井軸線下方1 m處(見圖2)。

圖2 斜井開挖典型斷面示意(單位：mm)

2) 反井鉆機施工精度

反井鉆機導井施工精度一直是斜豎井施工過程中控制的重點，根據以往施工經驗，反井鉆機在導井施工過程受地質情況、鉆壓、鉆進速度和鉆進深度等因素影響，反井鉆機在貫通后鉆頭往往會偏離設計的位置。因此，施工過程中應根據地質條件控制反井鉆機掘進速度和鉆頭壓力，保證反井鉆機鉆進過程的穩定性，定期檢查鉆機狀態，更換和安裝鉆桿時應該保證鉆桿穩固，定期測量先導孔斜度，及時調整鉆進角度，將導井施工的偏差降到最小[3]。

3) 爆破參數

爆破后石渣塊徑的大小與溜渣井堵塞有直接關系，石渣塊徑較大，溜渣井堵塞的概率越高，因此，必須通過調整爆破參數控制石渣塊徑，爆破孔的布置應根據導井的尺寸進行調整，布孔間距太大造成爆破后石渣塊徑較大，容易堵塞溜渣井；布孔間距太小，打孔時間過長，炸藥及起爆器材使用量大，不利于成本控制。開挖進尺的大小決定了每循環爆破后的石渣量，進尺過大，爆破后大量的石渣會在瞬間將溜渣井井口堵塞，給施工帶來較大的安全隱患。同時為保證光面爆破效果，周邊孔線裝藥密度應控制在0.22 kg/m，周邊孔鉆進過程控制鉆桿鉆進角度。因此，必須控制開挖進尺、造孔角度和單孔藥量。

經生產性試驗及現場實際施工總結，適合斜井Φ2 m溜渣孔全斷面開挖施工的布孔參數為：周邊孔布孔間距為50 cm，主爆孔布孔間距為80 cm，排距均為80 cm，間、排距允許最大偏差不超過5 cm，每循環進尺不超過2 m，每循環開挖進尺不宜超過1.2 m(見圖3和表1)。

圖3 爆破擴挖布孔示意

表1 爆破設計主要技術參數

5) 爆破用雷管

將斜井傳統開挖施工過程中常用的毫秒非電雷管替換為半秒微差雷管，增大延期間隔時間，減小同一時點通過溜渣導孔的石渣量，能有效控制溜渣井堵塞。

6) 孔口結構

為減小現場開挖施工時的扒渣量，將掌子面溜渣導井孔口擴挖成漏斗型。增大溜渣井孔口斷面，在防止溜渣井堵塞的同時，在開挖爆破后能夠有效匯集開挖石渣并使之沿導井溜至斜井底部。從而使斜井開挖掌子面留有的石渣量最小，節省扒渣時間，減小人工勞動強度，加快施工進度[4]。

4 施工流程

1) 反井鉆機導進

斜井的先導孔和一次擴孔采用LM-250型反井鉆機進行施工。反井鉆機基礎采用C25混凝土澆筑，基礎上預留鉆機安裝孔槽，待鉆機基礎和預留孔槽二期混凝土達到設計強度的70%后，再安裝鉆機配套設施，鉆機調平后開始鉆進施工。

先導孔施工采用Φ216 mm鉆頭，施工過程采用高壓泵將水壓入先導孔內，作為排渣及冷卻鉆頭用水。擴孔施工采用Φ2.0 m擴孔鉆頭，在擴孔鉆頭鉆進各階段，為防止鉆頭晃動、增長鉆頭使用壽命、保證鉆進過程穩定，需控制鉆壓和鉆速。鉆進過程隨時觀察鉆機基礎的情況，如基礎出現裂縫、沉降等異常現象，立刻停止鉆進，待異常現場處理完成，基礎重新穩定后方可繼續施工[5]。

2) 斜井石方擴挖

斜井擴挖采用手風鉆進行造孔，炸藥為安全性高、污染少的Φ32巖石乳化炸藥，用半秒微差雷管進行引爆。開挖分井口開挖和直線段的擴挖兩個階段，爆破參數依照預先設定的參數進行施工，開挖過程中可根據巖石節理、巖脈和裂隙走向等地質狀況對爆破參數在允許范圍內進行調整[6]。

井口彎段出渣采用自卸車出渣，直線段法采用導井溜渣，再用自卸車從井底出渣。為方便施工及保障施工安全，自制斜井擴挖臺車，施工人員在擴挖臺車上進行開挖支護作業，作業人員、材料和施工設備通過運輸小車運送至擴挖臺車。

5 結語

海蓄電站一、二級斜井采用Φ2 m反導井一次擴挖施工方法與常規采用兩次擴挖的施工方法相比，省去一次擴挖施工時提升系統布置、一次擴挖施工及提升系統拆除等施工環節，降低施工安全風險的同時，節省一次擴挖施工時間，提高斜井開挖總體施工效率。新的施工工藝優化了常規兩次擴挖施工中先導孔、反井鉆機施工和爆破參數等工藝的設計，其優化措施是海蓄斜井按計劃節點提前完成斜井開挖施工的關鍵所在，可產生較為可觀的經濟效益。

海蓄電站一級斜井開挖支護實際完成時間較計劃節點完成時間提前36 d，二級斜井開挖支護實際完成時間較計劃節點完成時間提前31 d。直接節約工程施工成本107.2萬元，施工期間照明用電、機械設備使用費、管理人員工資以及提前完成施工任務產生的間接經濟效益均未計入，實際產生的經濟效益更大。