梨園水電站引水道斜井導井施工方法探討

杜宜斌，韓順波

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川彭山 620860)

1 工程概述

梨園水電站工程屬一等大(1)型工程，主要永久性水工建筑物為1級建筑物。工程是以發電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的水利水電樞紐工程。樞紐建筑物主要由面板堆石壩、右岸溢流道及消力池、左岸引水發電系統及岸邊主副廠房、左岸泄洪沖沙洞等組成。水庫庫容為7.27×108m3，電站裝機容量2400 MW(4×600 MW)。

梨園水電站引水系統共布置有4條引水道，每條引水道均由上平段、斜井段、下平段組成，斜井開挖成形直徑為13.6 m，斜井與水平面夾角均為48°，如此平緩的斜井在國內比較少見。其中:1#引水道斜井長84.3 m，2#引水道斜井長78.8 m，3#引水道斜井長74.3 m，4#引水道斜井長69.5 m。

引水道斜井布置于廠房后邊坡山體內，斜井施工時，廠房后邊坡已開挖形成，其上覆巖體厚度約40～60 m(靠外側1#斜井相對較薄)。斜井通過地段分布的基巖為P2d4的玄武巖類，其流層面產狀N75°～85°E，NW∠44°～65°，各洞段依次通過屬Ⅲ級結構面的F10、F11和F6等斷層，其中F6斷層傾角較緩。除斷層外，屬Ⅳ級結構面的小斷層、擠壓帶和屬Ⅴ級結構面的節理裂隙發育，且部分為中緩傾角。引水隧洞開挖洞徑規模較大，隧洞最小凈間距不足1.5倍洞徑，加之遭遇F6等小傾角斷層洞段地質條件相對較差。

1#斜井圍巖地質條件相對較好，以Ⅲ類、次Ⅲ類為主，2#、3#及4#斜井圍巖地質條件較差，以Ⅳ類為主;而4#斜井圍巖地質條件最差，節理裂隙比較發育，擠壓帶、泥質破碎帶、斷層分布錯綜復雜，巖體綠泥石化嚴重，遇水或短時間暴露即軟化，圍巖自穩能力極其低下。

2 人工正導井施工方案的確定

目前，常見的斜井開挖施工方法有:人工正導井法、人工反導井法、爬罐法及反井鉆機法。導井施工方法已基本成熟，只需在施工中根據各自工程不同的特點及施工需要采取適宜的方法而已。

根據以往的施工經驗及前期施工規劃，該工程斜井采取先導井、后開挖的施工方法。而斜井施工的最大難度及對安全、進度起關鍵作用的則在導井施工環節上。目前國內最常見的斜井導井斜度均在60°～90°之間，小于60°的斜井非常少見。梨園水電站斜井導洞除去上下彎段可水平開挖的洞段外，斜井導井的開挖長度(1#～4#)分別為:67 m、57 m、53 m、45 m，其長度均不太長。

本工程引水道斜井導井坡度較緩且長度短，利用反井鉆機不能充分發揮其優越性，且可能造成鉆桿扭斷的風險，不僅造成資源浪費，還將直接影響到施工安全和成本。經綜合比選后決定采用人工正導井法施工，待導井形成后再自上而下擴挖，通過導井溜渣、下平段機械出渣的施工方案。施工順序為先1#、3#，后2#、4#，兩兩錯開。

3 人工正導井施工

3.1 導井布置

斜井導井由引水道上平段下半洞底板自上而下進行開挖，開挖形式為2 m×2 m 方形斷面，下傾角為48°(與水平面夾角)，導井下部出口與引水道下平段頂拱相接。1#導井斜長67 m，3#導井斜長53 m。為方便擴挖時排渣，導井于斜井正中稍靠后布置(中導井)。

3.2 出渣系統的設計與布置

導井開挖出渣由上部出渣，出渣系統由8 t 慢速卷揚機、渣斗、渣料提升系統三個主要部分組成。

軌道布置:提升系統軌道為［14槽鋼，其余主、副構件采用工字鋼、槽鋼及角鋼等焊接而成。軌道軸線中心和導井中軸線一致，軌距145 cm，隨開挖延伸軌道。

渣斗:采用0.75 m3拌和站提升斗。

渣料提升系統布置:卸渣系統(渣料提升架)利用0.75 m3拌和站提升系統經局部改造直接使用。提升架基礎為C20混凝土(30 cm×30 cm×20 cm)，基礎內預埋φ25(L=1.5 m，外露30 cm)插筋，該插筋與提升架立柱焊接。

卷揚機布置:將卷揚機布置在外框尺寸略大于卷揚機外形尺寸的混凝土基礎上，卷筒橫向中心和軌道中心一致，并將卷揚機機座和基礎底板預埋插筋焊接牢固，連接渣斗的鋼絲繩經提升架頂的導向滑輪和卷揚機卷筒相連，卷揚機與渣料提升架距離按30 m 左右控制。

3.3 導井鉆爆施工

導井開挖采用手風鉆造孔、中部直孔掏槽、周邊光面爆破的爆破方式，炸藥為乳化炸藥，雷管為電雷管。導井開挖渣料采用人工裝渣至渣斗，由卷揚機提升至上彎井口后，經渣料提升架直接翻至5 t 自卸汽車內，經1#支洞運出。

鉆爆參數:中部直孔掏槽，中心設一空孔，掏槽孔及空孔孔深1.5～1.8 m;塌落孔間距60～80 cm，孔深1～1.5 m;周邊孔間距66 cm，孔深1～1.5 m，循環進尺寸為1～1.5 m。起爆順序為:掏槽孔→崩落孔→周邊孔。

3.4 人工導井的實際施工情況

在實際施工中，1#導井采用人工正導法從上至下開挖，隨著導井深度加深，導井通風散煙難度加大，炮后排煙時間加長，出渣效率也明顯降低，施工進度不是很理想。后根據導井開挖過程中圍巖地質條件相對較好的實際情況，在開挖至47 m深度后，決定停止正導法施工，余下20 m 采用反導法(人工反向從下至上進行導井開挖)，此法由于減少了人工出渣占用直線工期，效率較以前有較大提升，但安全危險性加大。同樣，3#導井施工時，也采用正反導井相接合的施工方法，工期壓力得到了一定程度的改善。

人工導井法在1#、3#導井施工的平均循環進尺為0.8 m/d，小于預期值。

4 斜井導井反井鉆機施工

4.1 方案確定

2010年1月20日，4#斜井下彎段出現大塌方，塌方體及塌方面揭露出的斜井圍巖地質條件太差，采用人工正導井法施工人員的安全難以保證，同時，由于塌方處理時間較長，原計劃目標的實現已相當困難，若根據前期人工導井施工情況，如2#、4#導井仍采用人工正導井法施工，進度、安全、質量等方面均難以保證。若采用反井鉆機施工，由于反井鉆機施工角度有限，國內均在60°～90°之間，小于60°的斜井非常少見，同時，其施工成本與人工導井法相比成倍增加。但幾經綜合論證，項目部仍決定2#、4#導井采用反井鉆機法施工。

根據2#、4#導井長度及施工條件綜合考慮，最終選用LM-200型反井鉆機。其主要由主機、操作車、泵車和鉆具系統組成。導孔直徑216 mm，擴孔直徑1.2～2 m，施工角度為60°～90°。本次施工擴孔直徑為1.4 m，施工角度48°。

4.2 施工布置

將反井鉆機布置于導井開口底板混凝土基礎上。由于2#、4#斜井圍巖綠泥石化嚴重，巖性較軟，強度低，遇水軟化成泥漿，同時斷層裂隙發育，因此本次施工中未采用泥漿護壁的方法，而是采用灌水泥漿固結法，布置中取消了泥漿池。

本次施工導井角度為48°，超過了反井鉆機自身的角度調節能力，因而其混凝土基礎面與水平夾角按不小于17°控制，以配合鉆機鉆進角度的調整。

4.3 采用反井鉆機進行導井施工

施工順序:先進行自上而下的導孔施工，然后自下而上進行導井反擴施工。

導孔直徑為216 mm。導孔的鉆進過程是反井鉆施工中所有環節中相對關鍵的環節，導孔鉆進也是對地層的勘探過程，根據其鉆進過程觀察到的返出巖屑的情況，可以對地層地質情況有初步的定性分析和了解，為擴孔施工以及后期全洞擴挖到設計直徑提供參考。

導孔施工完成后，下部采用裝載機配合，安裝反擴鉆頭，從下至上反擴成設計圖紙中的圓形導井;為后期方便溜渣，再自下而上將導井直徑擴大至3 m。

4.4 導孔塌孔的處理

在2#導井導孔施工過程中，由于導孔鉆井時在不同高程處遇到了泥質帶、破碎帶，且因導孔塌孔嚴重，固灌效果不佳，孔內循環水大部分從巖縫中漏走，孔內大量泥渣無法排出，在距導井出口7 m 時，將鉆頭及鉆桿抱死，導致鉆機無法進退。后經測量定位導向，采用人工反導井法從下至上將導孔與下部導井打通，最終反井鉆機擴孔成功。

4#斜井圍巖綠泥石化嚴重、質地較軟、遇水軟化，同時經過兩處大的泥質斷層，導孔施工至1/2(20 m 左右)深度時塌孔嚴重、經過多次固結灌漿均無法鉆進，后經分析，由于泥質化嚴重，孔壁在高壓水下塌孔嚴重，孔底及周邊形成了一個大的孔腔，孔內巖屑經水浸泡，再經鉆頭攪磨形成了濃度較高的泥漿，停水固灌時，泥漿沉淀于孔底，灌漿后孔底便形成上部為水泥漿、下部為純泥漿的分層結構，從而無法達到固灌效果。經論證后采取了以下方法得以解決:孔內注漿管采用高強耐壓的PVC 管，安插灌漿管時，同時向孔內壓入高壓水，壓水管口與灌漿管同步伸至孔底，通過高壓水使孔底泥漿及巖屑翻動，以利于灌漿管能安插到導孔底部，灌漿時，使水泥濃漿與泥漿充分混合而不至于分層，從而達到了固灌效果。

4.5 反井鉆機施工情況小結

2#導井采用反井鉆機施工，由于施工中圍巖裂隙漏水導致無法排渣而將鉆機抱死，該孔最后的7 m 采用人工反導法施工造成施工進度一度緩慢，但隨后進行的擴孔施工比較順利，前后總用時10 d，平均每天進尺5.7 m。4#導井施工由于塌孔嚴重，固結灌漿多次失敗，造成導孔施工困難，進度緩慢，但隨后的擴孔施工亦較順利。經統計:2#、4#導井施工從導孔施工至擴孔完成用時分別為10 d、19 d，導孔施工占用時間較長。施工平均進尺2.4～5.7 m/d，擴孔施工進尺最大達15 m/d。

5 施工方式對比

梨園水電站引水道斜井導井施工中分別采用了人工導井法和反井鉆機鉆進法兩種施工方法，而人工導井法又分別采用了正導井及反導井法。人工導井法與反井鉆機法兩種施工方法的優缺點非常明顯，現對比如下:

(1)施工準備:人工導井輔助項目較多，施工相對麻煩，需準備卷揚提升系統，這其中涉及到卷揚機安裝、渣斗軌道安裝、提升架制作及安裝;而反井鉆機僅需施工一鉆機平臺、洞內提升吊鉤及循環系統，準備工作相對簡單。

(2)施工進度:人工導井法中的正導井施工平均進尺為0.8～1.5 m/d，最快進尺為1.5 m/d;而反井鉆機平均進尺為2.4～5.7 m/d，遠遠高于人工導井法，如導孔施工順利，平均每天進尺數更高，可達10 m/d。

(3)施工安全:人工導井法首先是輔助系統的安全，卷揚機、提升架、軌道等的安裝運行安全要求均比較高，人員在井內鉆孔、出渣安全危險性相對較大，井內通風、光線均較差;而反井鉆機安全危險性則相對較小，在安裝、調試、運行中按操作規程及相應的處理方法進行，均能比較順利的完成施工，同時，施工環境相對較好。反井鉆機法減少了對圍巖的爆破震動，對導井圍巖穩定起到了關鍵作用。

(4)施工質量:人工導井法由于在狹小的洞內施工，其造孔、裝藥、洞線控制均比較困難，往往導井成形質量較差，后期擴挖溜渣容易塞孔。而反井鉆機經過控制，偏心較小，經二次擴挖后，導井線型、周邊成形均較好，對后期全洞擴挖非常有利。

(5)施工成本:在同一豎(斜)井施工中，反井鉆機每m 的施工成本約為人工導井法的3倍(各地有差異)，同時，反井鉆機施工進退場費相對較高，因此，反井鉆機比較適用于洞線長的豎井或斜度大、洞線長的斜井施工。而人工導井法相對比較適用于洞線短、圍巖地質條件相對較好的導井施工。

6 結語

梨園水電站引水道斜井導井施工中人工導井及反井鉆機兩種施工方法的采用，其優缺點形成了鮮明對比，在實際施工中應根據各工程的實際情況合理選擇。

同時，反井鉆機在傾角小于60°斜井中的應用，打破了反井鉆機僅能在60°～90°斜井中應用的常規，特別是在地質條件較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖中的成功應用，為同類工程反井鉆機的施工提供了參考。