大斷面引水隧洞豎井開挖施工技術研究

【摘要】課題主要論述了復雜地質條件下大斷面引水隧洞豎井施工，采用反井鉆機先進行導井開挖，后依次進行擴挖的施工方法。解決了傳統施工方法進行大斷豎井開挖安全風險高、施工質量差、工程進度慢的難題。對今后類似工程豎井開挖快速施工有一定的指導意義。

【關鍵詞】大斷面；引水隧洞；豎井開挖；反井鉆機

1、概述

本工程共布置3條引水隧洞，1#引水隧洞、2#引水隧洞、3條引水隧洞長度分別為541.83m、592.5m、643.17m，引用流量394.40m3/s。引水隧洞由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段組成。1#、2#、3#引水隧洞豎井開挖直徑為11.6m、深度均為109.1m。

引水隧洞具有圍巖地質條件復雜、洞室穩定性差、施工難度大、質量、安全標準高、施工環境差等施工特點。采用反井鉆機鉆孔形成小導井，然后自上而下進行豎井擴挖，利用導井溜渣的方式施工，解決了不同地質條件下豎井開挖支護施工中存在的各種難題，避免傳統施工工藝的弊端，。綜合工程經濟效益明顯，在水電工程施工中有著廣泛的應用前景，為其他工程豎井施工具有很好的借鑒意義。

2、豎井導井開挖施工方法

引水隧洞豎井開挖首先利用反井鉆機開挖導井直徑為1.4m。反井鉆機施工分兩個步驟進行，先采用Φ216mm小鉆頭從上至下鉆進到下平洞，再改換Φ1.4m鑲齒盤形滾刀鉆頭，由下向上擴孔完成導井施工。

2.l導孔鉆孔施工

（1） 鉆進參數

鉆進參數選擇主要依據地層條件，鉆進部位等多方面因素確定。一般按下表所示參數施工，但在施工時根據不同情況予以調整。

（2）開孔鉆進

待主機、油泵及操作系統準備就緒，檢查泥漿泵管路是否與主機相連，主油泵的循環冷卻系統是否調試完成，且鉆孔中心及鉆孔角度經校核均準確無誤后，方可開孔。開孔鉆進時，必須利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔，并啟動泥漿泵供水（供漿），開孔深度3m，完成后將開孔鉆桿提出，清洗、擦上油后保存。

（3） 導孔鉆進

一般情況下，導孔鉆進轉速應高于開孔鉆進轉速，因此應合理調節動力頭轉速，可以用Ⅱ檔或Ⅲ檔，對于松軟地層和過渡地層采用低鉆壓，對于硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。離鉆透下水平通道3米左右，應逐漸降低鉆壓。對于導孔鉆進返出的巖渣，必須及時清理，防止巖渣堆積，巖渣清理由反鏟配合人工共同完成。一根鉆桿完成后，必須等孔內的巖屑全部排出后，才能停泵接卸鉆桿。導孔鉆透前和擴孔過程中，距井中心10m之內不能有人員作業，裝載出渣設備離擴孔中心不小于5m。導孔鉆透后，停止泥漿（水）循環，但鉆機不能停轉，開始向孔內加清水，直到鉆機轉動平穩，扭矩變化不大時才能停鉆。在整個導孔鉆進過程中，不得中途出現停電、停水等情況，否則會導致卡鉆等惡性事故發生。

2.2 擴孔鉆進施工

擴孔鉆進施工在導孔鉆孔完成后，將擴孔鉆頭和導孔鉆頭拆卸工具運到下口，拆下導孔鉆頭接上擴孔鉆頭。形成出渣系統，確認安全后就可以進行向上擴孔施工。

（l） 擴孔鉆進

擴孔開孔，當擴孔鉆頭接好后，慢速上提鉆具。直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低轉速（5～9rpm）旋轉，并慢慢給進、保證鉆頭滾刀不受過大的沖擊而破壞。開始擴孔時，下邊要有人觀察，將情況及時通知操作人員，等鉆頭全部均勻接觸巖石，才能正常擴孔鉆進。為保證鉆機和滾刀的使用壽命，一般將系統壓力限制在18Mpa之內。此時鉆機的提升能力為720KN，扣除系統的壓力損失，提升能力680KN。在擴孔過程中，當巖石硬度較大，可適當增加鉆壓，反之可以減少鉆壓。擴孔鉆進時要及時清理擴孔破碎下來的巖屑，防止下口被堵塞。擴孔過程也是拆鉆桿的過程，拆下的鉆桿要進行必要的清理，上油帶好保護帽。

（2） 終孔鉆進

當鉆頭鉆至距基礎2.5m時，要降低鉆壓慢速鉆進，并且要認真觀察基礎周圍是否有異常現象，如果有，要及時采取措施處理。慢慢的擴孔，直至鉆頭露出地面。

（3）鉆機拆除

擴孔完成后將擴孔鉆頭卡固在鋼軌上，拆掉鉆機的前后斜拉桿、各種油管和主機，然后將鉆架主機車和一些輔助設備拆下。將擴孔鉆頭吊牢，拆除軌道，將鉆頭提出孔外。將操作車吊上來，再將泵車、油箱冷卻器拆下，分別運到出口。全部鉆孔工作結束。

3、豎井擴挖施工方法

引水隧洞豎井分二次擴挖，第一次在導井的基礎上擴挖至直徑3.4m，第二次將豎井挖擴至直徑11.6m迖到設計體型。

3.1第一次豎井擴挖施工

第一次豎井擴挖施工釆用自上而下鉆孔，自下而上進行爆破的方法，為保證擴挖過程中導井不堵塞及施工安全，此階段擴挖采用16t卷揚機配合直徑2m的鋼筋吊籠用于人員上下及材料由引水隧洞上平段進入施工面，到位后將吊籠底部伸出支撐在巖壁上進行固定，人工持YTP-28手風鉆造水平向下傾斜的輻射孔角度為45°～60°，間排距0.5*0.65m，人員安全防護采用雙保險。為盡量減少井下擴挖施工的鉆爆工序交替，該階段擴挖采取集中完成全部造孔、分次爆破的方法進行施工作業。爆破采用乳化炸藥裝藥，非電毫秒網路、電雷管導線引到井外起爆器起爆方法進行爆破作業。作業安全措施：⑴ 施工人員由引水隧洞上平段經過在豎井頂端架設的臨時鋼棧橋，再由鋼棧橋進入到吊籃里，鋼棧橋寬1m，采用I18工字鋼用地錨（φ25，L=2m）加固，上面鋪馬道板，安裝1.2m高防護欄桿，鋼棧橋向豎井中心延伸（保證不影響調籠的上下運行）。⑵ 為確保施工安全和應急處理，在豎井頂部全斷面擴挖完成段設置直爬梯，并沿井壁每間隔10～15m設置安全休息平臺，安全休息平臺安裝鋼筋護欄。⑶ 設計井蓋用于開挖作業防護，井蓋為圓形，采用米支撐承力體系確保作業安全。

3.2第二次豎井擴挖施工

第二次豎井擴挖施工是將豎井從直徑3.4m擴挖至直徑11.6m設計體型，擴挖采用自上而下梯段鉆孔爆破，并及時跟進支護的方式進行施工。

第二次擴挖采用16t卷揚機配合第一次擴挖時使用的吊蘭用于人員上下及材料由引水隧洞上平段進入施工面。手風鉆造垂直向下的爆破孔，間排距0.8 m*0.8m。采用乳化炸藥裝藥，非電毫秒網路、電雷管導線引到井外利用起爆器起爆。施工時采取自上而下造孔，進行裝藥爆破，每次爆破進尺3m，每循環開挖之后立即進行支護施工。施工方法：（1）施工人員由引水隧洞上平段經過在豎井頂端架設的臨時鋼棧橋，再由鋼棧橋進入到吊籃里，鋼棧橋寬1m，采用Ⅰ18工字鋼用地錨（φ25，L=2m）加固，上面鋪馬道板，安裝1.2m高防護欄桿，鋼棧橋向豎井中心延伸（保證不影響調籠的上下運行）。（2）為確保施工安全和應急處理，在豎井內設置直爬梯，并沿井壁每間隔10～15m設置安全休息平臺，安全休息平臺安裝鋼筋護欄。（3）設計施工平臺用于開挖支護作業，施工平臺為圓形，采用米支撐承力體系。施工平臺（直徑約5.0m）作為鉆爆支護平臺及封堵第一次擴挖井口。施工平臺在爆破時提升至井口，開挖支護時下落至工作面。豎井開挖支護施工平臺采用16T卷揚機提升。（4） 引水隧洞豎井第二次擴挖采用造垂直向下的爆破孔施工，爆破進尺控制為2.5m～3m。豎井擴挖自上而下進行施工，采用手風鉆鉆孔，周邊光面爆破成型。爆破石渣部分可自行落入溜渣井，剩余石渣采用小型扖渣機人工配合翻渣、清渣，通過溜渣井溜至豎井底部集渣、出渣區（出渣區在下平洞開挖時先行擴挖），從下部平洞進入，采用3m3側卸裝載機裝配合20t自卸汽車進行出渣。

4、結論

通過對大斷面引水隧洞豎井在不良地質條件下開挖和支護施工程序及方法控制要素的實驗、研究，總結出大斷面豎井施工采用反井鉆機鉆孔形成小導井，然后自上而下進行豎井擴挖的施工方案可有效解決常規人工開挖、吊罐法、爬罐法、吊炮溜渣井法的弊端，其施工方法簡單、易行，可大幅度提高了施工工效，改進作業環境，提高綜合工程經濟效益都是非常明顯的，并在施工中已積累了豐富的經驗。通過對羊曲水電站發電引水隧洞豎井快速開挖技術研究，可為同類工程大斷面豎井開挖支護快速施工提供可借鑒的理論支持與實踐經驗。

參考文獻：

[1]楊偉山.水利水電工程引水系統豎井（斜井）開挖方法研究[J] .沿海企業與科技.2007年09期

[2]孔令勤、劉東明、湯旭東.超薄洞壁洞群開挖技術研究[J] .水利水電施工.2008年01期

[3]楊秋、劉澤成、陳杰、袁端、董箐.水電站引水隧洞圍巖地質分析及支護處理措施設計[J] .貴州水力發電.2009年05期

[4]劉志強、鄭德湘.反井鉆機技術在抽水蓄能電站建設中的應用和發展[A] .礦山建設工程技術新進展——2009全國礦山建設學術會議文集（上冊）[C] .2009