緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)及應(yīng)用

(中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 引 言

常規(guī)緩傾角(6°<α≤48°)斜井開挖施工中通常采用正井法、反井法或阿里馬克爬灌法施工，其中正井法自上而下用手風(fēng)鉆造孔，出渣采用傳統(tǒng)有軌運(yùn)輸，利用扒渣機(jī)+人工輔助將洞渣裝入礦斗車，靠絞車或卷揚(yáng)機(jī)提升系統(tǒng)牽引。反井法搭設(shè)腳手架自下而上用手風(fēng)鉆造孔，采用人工扒渣+反向鏟集渣，裝載機(jī)配合自卸車裝車外運(yùn)。阿里馬克爬灌法通過頂部安裝軌道進(jìn)行平臺(tái)爬升進(jìn)行施工，每一循環(huán)需檢查、修復(fù)及延長軌道。正井法通風(fēng)散煙較慢，出渣難度大，施工進(jìn)度慢，安全風(fēng)險(xiǎn)高；反井法通風(fēng)散煙較難，搭設(shè)、拆除腳手架施工平臺(tái)難度較大，危石處理較難，安全風(fēng)險(xiǎn)較高；阿里馬克爬灌法排炮循環(huán)時(shí)間增加，軌道拆裝不安全，且爆破時(shí)石渣容易破壞軌道，通風(fēng)排煙難以解決。針對(duì)傳統(tǒng)緩傾角長斜井開挖施工的不足，創(chuàng)新實(shí)踐出一種緩傾角長斜井開挖施工方法，即在緩傾角長斜井施工中采用反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，利用導(dǎo)井作為運(yùn)輸及排煙通道，采用絞車牽引擴(kuò)挖小車自下而上采用反向臺(tái)階法鉆孔施工，施工效果良好。

2 工程概況

深圳抽水蓄能電站引水隧洞斜井分上、下斜井，上斜井長380.276m，下斜井長162.88m，均由上彎段、直線段、下彎段組成，直線段傾角均為50°。上斜井直線段長315.107m，上彎段長為33.161m，下彎段長為32.008m；下斜井直線段長97.711m，上彎段長為32.008m，下彎段長為33.161m，斜井開挖斷面為圓形斷面，開挖半徑均為5.35m，襯砌后洞徑9.5m，上、下斜井直線段均采用反井鉆施工。高壓電纜洞采用斜井式布置，從主變室下游側(cè)中部引出通往地面開關(guān)站。高壓電纜洞由下平段、斜井和上平段組成。高壓電纜洞斜井段傾角為36.833°，長333.126m，斷面為城門洞形，開挖支護(hù)成型標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為4.0m×4.3m，高壓電纜洞斜井段施工增設(shè)施工支洞，分上、下兩段施工，上段長201.346m，下段長131.780m，采用反井鉆施工導(dǎo)井，再自下而上一次擴(kuò)挖成型。

3 技術(shù)原理

緩傾角長斜井施工按先導(dǎo)孔正向鉆進(jìn)貫通、反井鉆反拉完成，自下而上一次擴(kuò)挖成形，開挖過程中支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。

3.1 反井鉆施工

在角度小于45°緩傾角斜井上井口水平面擴(kuò)挖區(qū)布置反井鉆機(jī)，測(cè)量放出鉆孔點(diǎn)，鉆孔傾角沿斜井軸線上調(diào)0.5°～1°，沿該方向往下鉆一直徑為216mm的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔形成后在下段將φ216鉆頭更換成φ1400鉆頭，然后通過自下而上反拉擴(kuò)挖形成直徑φ1400的導(dǎo)井。

3.2 反向臺(tái)階法施工

利用反井鉆機(jī)形成的φ1400導(dǎo)井作為擴(kuò)挖小車運(yùn)輸及排煙通道，采用10t雙筒絞車牽引擴(kuò)挖小車自下而上采用反向臺(tái)階法鉆孔施工。擴(kuò)挖平臺(tái)設(shè)備作為施工作業(yè)平臺(tái)，采用反井鉆爆法施工，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，隨著掌子面的回撤及時(shí)觀察已開挖面的出碴情況。

4 流程及操作要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

緩傾角斜井按先導(dǎo)孔正向鉆進(jìn)貫通、反井鉆反拉完成，自下而上一次擴(kuò)挖成形進(jìn)行施工。具體施工包括反井鉆安裝及拆除、反井鉆機(jī)鉆孔、絞車及擴(kuò)挖小車安裝及拆除、緩傾角斜井?dāng)U挖等內(nèi)容。緩傾角長斜井開挖施工工藝流程見圖1。

圖1 緩傾角長斜井開挖工藝流程

4.2 操作要點(diǎn)

4.2.1 反井鉆施工

4.2.1.1 反井鉆施工

在上井口水平面擴(kuò)挖區(qū)沿斜井軸線方向往下鉆一直徑為216mm的導(dǎo)孔，導(dǎo)孔形成后在下段將φ216鉆頭更換φ1400的反拉鉆頭，通過自下而上反拉擴(kuò)挖形成直徑φ1400的小車運(yùn)輸通道，反井鉆機(jī)布置類似于常規(guī)斜井反井鉆布置，反井鉆機(jī)施工流程：鉆機(jī)安裝→φ216導(dǎo)鉆進(jìn)→φ1400反向擴(kuò)孔。

斜井上段導(dǎo)井貫通后，更換鉆頭進(jìn)行反拉，施工布置見圖2。

4.2.1.2 緩傾角斜井導(dǎo)孔精度控制

導(dǎo)孔精度控制是反井鉆施工的關(guān)鍵，反井鉆先導(dǎo)孔的施工精度是反井施工成敗關(guān)鍵，是保證洞軸線的必要條件。

圖2 反井鉆反向擴(kuò)孔示意圖

a.測(cè)量放樣。先制定詳實(shí)可行的測(cè)量放樣方案，在現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)開口點(diǎn)進(jìn)行放樣，然后在安裝機(jī)身時(shí)一定要同時(shí)采用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量，再對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核，為便于調(diào)節(jié)鉆機(jī)位置精度，底座上螺孔都加工成條形孔，最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定鉆機(jī)。首先是基礎(chǔ)混凝土的澆筑，按設(shè)計(jì)傾角通過測(cè)量設(shè)備定出導(dǎo)線，然后是機(jī)身傾斜后的下部支撐及上部牽拉一定要牢固穩(wěn)定，最后通過調(diào)節(jié)螺栓來固定，鉆機(jī)造孔過程中不斷進(jìn)行孔向測(cè)斜。

b.控制造孔速度。反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度越快，精度越難以保證，因此在精度要求較高的部位，建議慢速推進(jìn)。

c.在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中采用穩(wěn)定鉆桿防止鉆桿偏斜，穩(wěn)定鉆桿以每隔15～20m長度增加1根為宜。

d.對(duì)于傾斜孔，由于鉆機(jī)在開孔后鉆桿會(huì)由于自重原因略向下傾斜，造孔后鉆機(jī)會(huì)向下傾0.5°～1°、在實(shí)際施工中可將鉆孔傾角上調(diào)0.5°～1°，或開孔點(diǎn)作適當(dāng)調(diào)整。

e.遇不良地質(zhì)段，需及時(shí)采取灌漿等方式進(jìn)行處理，防止鉆桿遇軟巖發(fā)生偏斜。

4.2.1.3 緩傾角反井鉆施工突發(fā)情況處理

在緩傾角斜井導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于塌孔、水壓力不夠、停電等導(dǎo)致的孔內(nèi)石渣滯留堆積后出現(xiàn)卡鉆，或是導(dǎo)孔、擴(kuò)孔施工過程中鉆桿斷裂后鉆桿、鉆頭滯留在孔內(nèi)等情況，處理起來相當(dāng)困難，并且發(fā)生的頻率也較多，是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

a.不良地質(zhì)段的鉆孔。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中如發(fā)現(xiàn)返渣返水減少和鉆孔扭矩加大，應(yīng)采用高壓水強(qiáng)行沖孔，轉(zhuǎn)桿慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)提升，防止卡鉆。對(duì)于不良地質(zhì)段鉆孔困難，可以采用水泥漿或水泥砂漿將鉆孔灌滿，重新進(jìn)行掃孔，反復(fù)進(jìn)行，直至通過不良地質(zhì)段。在擴(kuò)孔過程中如遇不良地質(zhì)段應(yīng)降低扭矩，放慢擴(kuò)孔速度，平穩(wěn)地通過不良地質(zhì)段。

b.擴(kuò)孔過程中的掉鉆。在擴(kuò)孔過程中，由于鉆桿斷裂，擴(kuò)孔鉆頭卡在已擴(kuò)挖成形的孔內(nèi)，此時(shí)若從下面處理非常危險(xiǎn)，應(yīng)從上部導(dǎo)孔中進(jìn)行。第一種方法：將鉆桿接上后通過鉆桿對(duì)鉆頭施加壓力使其自然墜落至下平洞。第二種方法：在孔口通過鋼絲繩將炸藥送入鉆頭卡住部位，引爆后將鉆頭震落至下平洞，該方法每次炸藥用量控制在5～8kg，對(duì)鉆頭不會(huì)構(gòu)成大的損傷。

c.導(dǎo)孔施工過程中的鉆桿斷裂。部分長期使用的鉆桿在導(dǎo)孔鉆進(jìn)及擴(kuò)孔過程中可能會(huì)發(fā)生斷裂，反井鉆機(jī)單根鉆桿長度為1m，重達(dá)180kg。鉆桿斷裂后，如果不將其取出，那么一方面要丟失鉆桿、鉆頭，造成經(jīng)濟(jì)損失，另一方面還需要重新造孔，而有些特殊部位不允許重新造孔。因此如何打撈鉆具成了反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的一個(gè)難題。為此專門設(shè)計(jì)了一種鉆桿打撈器(見圖3)，鉆桿打撈器的原理與膨脹螺栓原理相同，其上部與鉆桿以直螺紋連接，下部為錐形套，前進(jìn)過程中可以直接進(jìn)入已斷裂鉆桿的內(nèi)壁，進(jìn)入內(nèi)壁后，在打撈器提升過程中錐形套會(huì)張開，與斷裂鉆桿內(nèi)壁緊緊連接，越拉越緊，然后通過打撈器將孔內(nèi)鉆桿提升到孔口用夾釬器固定后逐一取出鉆桿。該打撈器一次能提升40t以上的重量，即能提取200m以上的鉆桿長度，基本能滿足取鉆要求。

圖3 鉆桿打撈器示意圖

4.2.2 反向臺(tái)階法擴(kuò)挖

反拉完成后進(jìn)行一次擴(kuò)挖，一次擴(kuò)挖施工人員、機(jī)具、材料從上平段通過10t絞車牽引6.0m運(yùn)輸小車進(jìn)入工作面。絞車按《一種用于水電站斜豎井施工中的提升絞車》專利進(jìn)行布置，穩(wěn)定性好，可靠性高，人性化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，調(diào)試維護(hù)方便，占用空間小。擴(kuò)挖小車采用《一種自動(dòng)調(diào)節(jié)鋼絲繩張力的斜井?dāng)U挖設(shè)備》專利，鋼絲繩由兩臺(tái)絞車分別使用兩根鋼絲繩與斜井一次擴(kuò)挖設(shè)備相連，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，使其兩根鋼絲繩的受力均勻，另一根鋼絲繩作為安全儲(chǔ)備，確保安全。

為了保證緩傾角長斜井?dāng)U挖順利進(jìn)行，一次擴(kuò)挖自下而上先開挖上半部分洞室一至兩排炮形成臺(tái)階，斷面凈空為4.0m×2.225m的城門洞形，預(yù)留導(dǎo)井下部光滑圓弧槽作為小車運(yùn)輸通道，以便于臺(tái)階法開挖，利用施工支洞或主變洞集渣出渣，下部分洞室斷面為4.0m×2.075m，見圖4、圖5，擴(kuò)挖期間，做好上井口的安全防護(hù)工作，并派專人留守監(jiān)護(hù)上、下井口，防止掉物傷人。

圖4 緩傾角斜井?dāng)U挖施工示意圖

圖5 反向臺(tái)階法施工示意圖

緩傾角長斜井?dāng)U挖按施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→鉆孔→裝藥放炮→散煙→安全處理施工。

5 材料設(shè)備

緩傾角長斜井開挖施工主要施工設(shè)備見表1：

表1 緩傾角長斜井開挖施工主要材料設(shè)備

6 質(zhì)量控制

緩傾角長斜井施工導(dǎo)孔精度控制是反井鉆機(jī)導(dǎo)井法施工的關(guān)鍵，測(cè)量放樣時(shí)，先制定詳實(shí)可行的測(cè)量放樣方案，在現(xiàn)場(chǎng)采用全站儀對(duì)開口點(diǎn)進(jìn)行放樣，然后在安裝機(jī)身時(shí)一定要同時(shí)采用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量，再對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核，反井鉆施工需控制造孔速度，反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度越快，精度越難以保證，因此在精度要求較高的部位，建議慢速推進(jìn)。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中采用穩(wěn)定鉆桿防止鉆桿偏斜，穩(wěn)定鉆桿以每隔15～20m長度增加1根為宜。對(duì)于傾斜孔，由于鉆機(jī)在開孔后鉆桿會(huì)由于自重原因略向下傾斜，本工程經(jīng)驗(yàn)為造孔后鉆機(jī)會(huì)向下傾0.5°～1°。

7 結(jié) 果

緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在減小作業(yè)難度、降低施工成本、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、有效改善作業(yè)環(huán)境等方面，除了安全投入所帶來的效益外，深圳抽水蓄能電站高壓電纜洞開挖帶來直接經(jīng)濟(jì)效益約200萬元。

8 結(jié) 論

水電十四局在緩傾角長斜井施工過程中，根據(jù)工程特點(diǎn)，通過一系列技術(shù)創(chuàng)新工作圓滿地完成了工程施工任務(wù)，在長度大于200m、角度小于45°的斜井施工中首次提出采用反井鉆完成導(dǎo)井施工，導(dǎo)井施工完成后，利用φ1400導(dǎo)井作為運(yùn)輸及排煙通道，自下而上采用反向臺(tái)階法進(jìn)行全斷面擴(kuò)挖一次成型，有效改善了作業(yè)環(huán)境，降低了作業(yè)難度，提高了施工效率，保障了施工質(zhì)量，施工中研制的由自動(dòng)調(diào)節(jié)鋼絲繩張力裝置和雙筒提升絞車等組成的斜井?dāng)U挖平臺(tái)設(shè)備，操作靈便，運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠。工程施工技術(shù)人員通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所采用的施工方法與技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，形成緩傾角長斜井開挖施工技術(shù)，適用于水電站緩傾角(傾角小于45°)長斜井開挖施工。該技術(shù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯，可推廣與應(yīng)用。