反井鉆機在溪洛渡水電站右岸閘室豎井開挖中的應用

[摘要]反井鉆機在20世紀五十到六十年代出現在美國和德國采礦工程領域，它是將隧道掘進機和鉆井法鑿井機結合形成的井筒施工設備，用于施工礦山地下暗井、溜井、礦倉等導井工程。我國在八十年代末開始將反井鉆機用于煤礦地下工程中，九十年代開始在水電工程施工中試用。近年來，隨著反井鉆機技術的不斷完善與發展，開始在應用于水利水電工程豎井、斜井的施工。反井鉆機施工具有安全、快速、高質量等優勢，在溪洛渡水電站右岸導流洞閘室豎井開挖過程中，成功地應用反井鉆機完成了閘室豎井溜渣導井的開挖，大大降低了豎井開挖難度，并確保了安全與進度。

[關鍵詞]反井鉆機；溪洛渡水電站；豎井開挖

1、工程概述

1.1建筑物概況

溪洛渡水電站施工期壩址兩岸各布置了3條導流洞，右岸為4#-6#導流洞。導流洞平面上呈彎道布置，洞身斷面為城門洞型，襯砌后凈斷面尺寸均為18×20m。在4#導流洞樁號0+168m～0+248處及群導流洞在樁號0+233.886m～0+313.866處設置豎井閘室，閘室由下閘室（導流洞洞身擴挖形成）、啟閉機室及閘室豎井組成，啟閉機室位于下閘室正上方，兩者之間通過閘室豎井連接。閘門豎井開挖斷面為矩形，斷面尺寸為14.5m×34m，開挖高差43m。

1.2圍巖主要地質狀況

右岸導流洞布置于金沙江右岸山體內，高程約在364m-400m之間，洞身所在巖層主要為P2B4～P2B6層致密狀玄武巖、斑狀玄武巖及角礫（集塊）熔巖，巖石巖性堅硬，單軸抗壓強度大于100MPa，屬堅硬-極堅硬巖類。導流洞沿線巖體新鮮完整，嵌合緊密，巖體多呈塊狀一次塊狀結構，地應力量值中等，巖體透水性總體較弱，圍巖穩定性較好，以II類圍巖為主，層間、層內錯動帶發育段局部圍巖穩定性較差，為Ⅲ1類。

1.3工期要求

閘室豎井開挖安排在啟閉機室及下閘室上層開挖完成后進行，并要求在導流洞洞身中層開挖至下閘室斷前完成，工期較緊張。

2、施工方案的研究

右岸導流洞豎井開挖，高度43m，斷面尺寸達14.5×34m，如此大斷面的豎井，必須采用先打通溜渣導井再分多次擴挖成型的方案，施工的關鍵點是溜渣導井的開挖，有如下方案可供選擇：

（1）導井人工開挖。由于豎井深度僅50m，可在上部啟閉機室設置起吊系統，人工進行導井正井法鉆爆開挖，同時，在下閘室頂部人工由下往上進行反向墊渣鉆爆開挖，上下兩方向貫通后，導井開挖完成。該施工方法優點是易于組織，設備投入最少。缺點是方法原始，特別是正向開挖，鉆爆掏槽效果差，每循環進尺不足1m，且出渣為人工作業，勞動強度大，效率低下；反向墊渣開挖作業環境差，造成導流洞閘室段交通中斷，且安全保障性小。

（2）爬罐法反向開挖。我集團公司采用爬罐施工豎井與斜井技術已相當成熟，在三峽地下右岸電站排沙斜洞等工程均成功采用爬罐施工。但是，溪洛渡導流洞下閘室跨度大，爬罐工作平臺擴挖安裝困難，費時費力，且爬罐施工同樣存在效率不高，井壁平整度差，作業環境差等缺點。

（3）反井鉆機開挖。采用LM-200反井鉆機，在啟閉機室安裝完成后，沿豎井中心線造一φ216mm先導孔貫通下閘室，再在下閘室安裝反井鉆機反擴鉆頭，由下至上反向擴孔施工，完成φ1.4m溜渣導井擴挖。反井鉆機施工技術先進，速度快，安全性高，擴孔后井壁光滑，便于溜渣，且無爆破作業對圍巖的擾動。

鑒于我集團公司反井鉆機施工技術已相當嫻熟，閘室啟閉機室場地開闊，反井鉆機安裝方便，且使用反井鉆機掘進明顯優于前三個方案，故采用了反井鉆機開挖方案。

3、反井鉆機的工作原理

它是將隧道掘進機和鉆井法鑿井機結合形成的井筒施工設備，反井鉆機由機身、轉盤吊及翻轉架、電動液壓系統及操作臺幾大部分組成，鉆進過程中，可利用轉盤吊與機械手實現自動接鉆桿，鉆桿的裝卸靈活、準確、操縱機械化。正向先導孔鉆孔采用在鉆桿上安裝φ216mm鉆頭直接鉆進，先導孔貫穿后，將鉆桿降至導流洞下閘室上層底板上，卸下φ216mm鉆頭，安裝反向擴孔鉆頭，再反向提升進行擴孔施工。反向擴孔是TBM機械法破巖掘進技術的應用：采用大扭矩液壓馬達驅動動力水龍頭，后者將扭矩傳遞給鉆具系統，帶動鉆具旋轉；破巖采用鑲齒盤形滾刀，滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，使其破碎。鉆先導孔時巖屑由洗井液沿鉆桿與孔壁間的環行空間提升到上部，流入位于啟閉機室底板上的循環水池；擴孔時巖屑靠自重落到下閘室底板。

4、施工情況簡介

由于下閘室開挖過程中，頂拱已支護，為了防止已施工錨桿損壞鉆頭，對下閘室頂拱中心部位采用反向掏槽法進行了鉆爆作業，炸除了溜渣豎井周圍錨桿。在先導孔開孔、鉆進50cm、鉆進100cm，對孔向進行測量校核，確保鉆向垂直，以免先導孔孔向發生偏移，在擴孔過程中鉆桿偏心受力，發生斷桿事故。先導孔鉆孔在堅硬新鮮的玄武巖中進行，若鉆進速度過快，鉆頭磨損將較嚴重，且孔底殘留巖屑易使鉆進方向發生偏移，因此，為確保成孔質量，降低成本在先導孔鉆進過程中，勻速徐徐鉆進，并加強高壓水洗孔，先導孔造孔平均鉆進效率達到為10m/d，而在其他工地變質砂巖中造孔，曾達到40m/d的高效率鉆孔進度。先導孔造孔貫穿下閘室后，繼續延伸鉆桿下至下閘室底板，安裝擴孔鉆頭，提升鉆頭至下閘室頂拱，開始φ1.4m導井的反向擴孔施工，反向擴孔主要靠鑲齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動，對巖石產生沖擊、擠壓和剪切作用，由于圍巖為硬質玄武巖，反向鉆進速度平均達到5m/d。在其他工地變質砂巖中反向擴孔，曾達到15m/d的高效率進度。

雖然反井鉆機在新鮮堅硬的玄武巖中施工，掘進效率受到一定的限制，但是掘進速度仍明顯高于采用爬罐開挖導井（日均進度1.5～2 4m），更遠遠高于人工土法鉆爆開挖，φ1.4m溜渣導井形成后，井壁光滑，溜渣效果相當好，為閘室豎井二次擴挖創造了良好的臨空面及溜渣豎井。

結語：

隨著我國能源開發需要，金沙江流域相繼梯級開發的水電工程中將有大量的地下工程，反井鉆機將更加廣泛應用到地下洞室工程豎井、斜井的掘進施工中。反井鉆機在溪洛渡水電站導流洞閘室豎井開挖的成功應用，化解了施工難度，確保了施工進度，并突破了LM-200反井鉆機在抗壓強度大于100Mpa的極堅硬玄武巖中掘進的技術難關，為后期在溪洛渡采用反井鉆機施工豎井與斜井提供了施工參考數據，為反井鉆機在溪洛渡地下工程建設中發揮更大作用奠定了基礎。