正反井開挖施工技術在梅蓄電站下庫閘門井上的應用

張春洪,梁勝利

(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

梅州抽水蓄能電站的輸水發電系統工程下水庫進/出水口閘門井位于下庫進/出水口EL.421平臺(1#公路靠下水庫側)，其底部與尾水主洞相連。井口高程為421.000 m，井底高程為348.446 m，總開挖深度為72.554 m，其中井口至尾水主洞頂拱一段井深59.404 m(EL.421.000～EL.361.596)，開挖斷面為13.6 m×7.9 m矩形斷面。

下庫進/出水口閘門井井身段巖性為中粗粒黑云母花崗巖，井口及上部，強風化～弱風化花崗巖節理裂隙發育，巖石較破碎；下部為微風化～新鮮的花崗巖，巖石完整。強風化下限高程約為418.000 m，弱風化下限高程約為406.000 m，地下水位高程為406.000 m。根據地質設計推測井口15 m段圍巖質量為Ⅳ類，以下剩余洞段圍巖質量均為Ⅲ類。

2 閘門井開挖程序

結合地質情況及開挖施工方案，閘門井的開挖程序見圖1所示。

3 施工提升系統布置

提升系統分兩個階段布置。第一階段為閘門井井口20 m段開挖支護階段，這一階段采用16 t汽車吊吊運材料，采用25 t汽車吊吊運扒渣反鏟挖掘機進出閘門井。第二階段為閘門井井口20 m以下的井身段開挖支護階段，這一階段的提升系統包括：1臺10 t提升用變頻卷揚機，1臺2 t牽引用卷揚機，1個門形支架、一套反鏟運輸小車、一個井蓋、一組鋼絲繩及其轉向滑輪系統。提升體統布置見圖2，圖中、、表示10 t變頻卷揚機基礎控制點。

注：Ⅰ為導孔施工；Ⅱ為Φ1.4 m導井反拉；Ⅲ為井口覆蓋層正井法開挖；Ⅳ為井身段鉆爆開挖；Ⅴ：閘門槽開挖。

圖1 下水庫進/出水口閘門井開挖程序示意(單位：mm)

圖2 提升系統平面布置示意(單位：mm)

3.1 第一階段提升系統

閘門井井口20 m段開挖支護期間，主要吊運入井的材料有掛網及錨桿鋼筋、錨固劑和其他材料及扒渣用的反鏟挖掘機、鉆孔手風鉆及其配件等。材料采用16 t汽車吊起吊，設備采用25 t汽車吊吊運。

3.2 第二階段提升系統結構與布置

3.2.1卷揚機及牽引系統布置

采用10 t變頻卷揚機，布置在閘門井右側421平臺，距離閘門井中心30 m。卷揚機卷筒軸線與閘門井寬度方向平行，卷筒中心布置在閘門井縱軸線的延長線上。牽引鋼絲繩選用直徑為26 mm的6×37 s+FC纖維芯鋼絲繩。卷揚機為單繩纏繞。鋼絲繩纏繞卷筒并引出后，繞過井口門形支架上的定滑輪，向下再繞過起吊點處配置的1個單門15 t動滑輪，向上引至井口并鎖死在門形支架上。卷揚機運轉時，牽引的鋼絲繩繩頭鎖死在門形支架，卷筒收放鋼絲繩來牽引下部動滑輪及重物上下運行。卷揚機參數見表1。

表1 卷揚機參數

3.2.2井口門形支架、轉向滑輪及溜渣井井蓋布置

1) 門形支架凈高4.5 m，跨度9.9 m，在鋼筋加工場進行制作，門形支架頂部平臺主梁為3根I36c工字鋼，斜撐為4根I25b工字鋼，兩者間通過16 mm厚鋼板及I25b邊架頂梁焊接，頂部主梁間設[20a平臺連系梁，并覆3 mm厚花紋鋼板作為人員通道，頂部平臺四周設護欄。門形支架結構示意見圖3，轉向滑輪與井蓋位置示意見圖4。

圖3 門形支架結構示意

圖4 轉向滑輪與井蓋位置示意(單位：mm)

2) 門形支架上轉向滑輪直徑600 mm，布置在井架中部，轉向滑輪中心線與卷揚機卷筒中心線的連線應與卷筒軸線垂直。

3) 井蓋的作用是防止井內施工人員從Φ1.4 m溜渣孔墜落。井蓋尺寸為3 m×3 m，其龍骨采用[16槽鋼@600×600 mm，上部設置Φ20@100×100 mm鋼筋網片，四角各設置一根2 m長Φ18 mm鋼絲繩作為起吊繩。井蓋細部結構見圖5所示。

注：1為Φ20圓鋼，2、3、4為[16槽鋼。

圖5 井蓋細部結構示意(單位：mm)

4 閘門井開挖施工工藝

4.1 Φ1.4 m導井施工

下庫進出水口閘門井Φ1.4m導井采用LM250型反井鉆機施工，主要施工內容包括：豎井中心測量定位澆筑反井鉆機基礎鉆機安裝打設Φ200 mm先導孔反擴鉆頭安裝Φ1.4 m導井反拉，鉆機及基礎拆除等[1]。為保證開挖質量和進度，采取的主要措施如下：

1)Φ200 mm先導孔施工精度控制[2]

① 在導孔開孔前對鉆進的軸線進行復測，使鉆桿中心和豎井中心點對準。

② 利用開孔扶正器和開孔鉆桿配合慢速開孔。

③ 導孔鉆進5～10 m左右由測量再次復核鉆孔角度。

④ 結合以往施工經驗，先導孔開孔時的鉆孔速度控制在0.5～0.8 m/h，推進力為20～150 kN；轉速為12～18 r/min；正常鉆孔過程中為1.0～1.5 m/h，推進力為250～270 kN，轉速為15～20 r/min，回轉扭矩5～15 kN·m。

⑤ 鉆頭后連續安裝6根穩定鉆桿，隨后3根普通鉆桿，1根穩定鉆桿，再放3根普通鉆桿，1根穩定鉆桿，組成開孔鉆具組。穩定鉆桿選用磨損較少的鉆桿，如果磨損較大，合理增加1～2根穩定鉆桿。

⑥ 導孔鉆進轉速應高于開孔鉆進轉速，用Ⅱ檔或Ⅲ檔，遇到松軟地層和過渡地層采用低鉆壓，遇到硬巖和穩定地層宜采用高鉆壓。

⑦ 施工過程中對鉆壓、鉆速、地質、鉆深、穩定鉆桿配置、異常情況處理等進行控制，發現偏離設計鉆進軸線位置，及時采取措施進行糾偏和處理。

2)Φ1.4 m導井施工質量控制

① 開孔時慢速上提鉆具，直到滾刀開始接觸巖石，然后停止上提，用最低鉆速5～9 rpm旋轉。

② 系統壓力控制在18 MPa之內。

③ 巖石硬度較大，適當增加鉆壓，反之減小鉆壓。

④ 防堵井措施：在爆破前將廢舊鋼絲繩穿入溜渣井內(盡量使用大直徑鋼絲繩，且鋼絲繩每隔1 m設置一個繩卡，用于增大受力面)，如發生堵井，利用卷揚機向上提升鋼絲繩，對堵井點進行擾動，達到疏通井身的目的。

采取上述措施后，取得了良好的效果，Φ200 mm先導孔鉆孔偏斜率為0.92%，符合質量標準，平均鉆進速度達19.9 m/d，Φ1.4 m導井平均施工速度達9.95 m/d。

4.2 井口覆蓋層開挖施工

根據設計圖紙及反井鉆基礎開挖情況分析，閘門井井口向下約3～5 m為強風化層。在井口增設井圈鎖口混凝土后，該部位采用從上至下“正井法”施工技術。

地表全風化覆蓋層采用1.8 m3反鏟挖掘機直接開挖[3]，配20 t自卸汽車出渣至庫底渣場，開挖層高2 m，支護緊跟開挖進行。

井口段風化程度較弱巖體，1.8 m3反鏟無法直接開挖時，采用1.8 m3反鏟帶10 t液壓破碎錘鑿除，再采用另1臺1.8 m3反鏟撈渣，配20 t自卸汽車出渣至2#石料中轉場。開挖層高50 cm，每開挖2 m后進行支護施工。

4.3 井身段開挖施工

閘門井井口5m以下反鏟的開挖深度受限，巖石完整性增強，采用鉆孔爆破方式，以先期施工完成的導井為溜渣井，“正井法”自上而下一次擴挖成型[4]。人員上下閘門井采用井壁固定的“之字形”鋼梯，材料和設備上下采用提升系統吊運。

為有效防止爆破飛石損傷，開挖井口5～20 m段后再安裝閘門井上部提升系統。

該提升系統的主要功能是滿足閘門井材料和扒渣用反鏟吊運的需要。開挖工藝流程見圖6所示。

1) 開挖準備

井內風、水、電就緒，施工人員、機具準備就位。

2) 測量放線

擴挖施工前需提前將控制導線引至閘門井井口，并在井口設置控制點。由測量專業人員采用全站儀實施。擴挖每排炮后進行閘門井中心線、設計規格線檢查，并根據爆破設計參數點布孔。爆破設計參數表見表2，爆破設計參數見圖7。開挖斷面檢查在噴混凝土前進行，檢查間距為5 m。定期進行導線點檢查、復測，確保測量控制精度。同時，隨閘門井開挖、支護進度，每隔10 m在兩側洞壁設一明顯的樁號標志，并作好保護。

圖6 爆破開挖工藝流程示意

表2 閘門井井身段爆破設計參數

3) 鉆孔作業

由熟練鉆工按照測量定出的開挖輪廓線進行鉆孔，分區、分部位定人定位施鉆。每排炮按“平、直、齊”的要求進行檢查，做到炮孔的孔底落在爆破規定的同一個垂直斷面上。擴挖輪廓線均采用光面爆破。

4) 裝藥爆破

裝藥前用高壓風沖掃炮孔，炮孔經檢查合格后，方可進行裝藥爆破；光爆孔將小藥卷捆綁于竹片上間隔裝藥。崩落孔和其它爆破孔裝藥要密實，按照爆破設計進行裝藥及聯結起爆網絡，炮泥堵塞長度不小于1/3，孔口壓沙袋，沙袋上覆橡膠輪胎炮被及竹條板，井口鋪鋼絲繩網，以防控飛石。最后由炮工和值班技術員復核無誤后，撤離人員和設備，炮工負責引爆。

圖7 井身段鉆爆示意(單位：mm)

光面爆破須達到以下要求：

① 鉆孔孔口位置、角度和孔深應符合爆破設計的要求；

② 炮眼殘孔率：除不良地質段外，炮眼殘孔率應在80%以上；

③ 相鄰兩孔間的巖面平整，孔壁沒有明顯的爆震裂隙；

④ 相鄰兩茬炮之間臺階的錯臺不應大于15 cm；

⑤ 擴大掌子面孔口尺寸成漏斗形。

井身段周邊孔、光爆孔裝藥示意見圖8～9。

圖8 井身段周邊孔裝藥示意(單位：cm)

圖9 井身段光爆孔裝藥示意(單位：cm)

周邊孔的線裝藥密度、單孔藥量和單位耗藥量計算如下：

周邊孔的線裝藥密度=單孔裝藥量/裝藥長度=0.35/1.90=0.184 kg/m

(1)

周邊孔單孔藥量=底藥+中間節裝藥量×節數=2/3×300+1/8×300×4=350 g

(2)

式(2)中的參數見圖8，計算結果見表2。

光爆孔單孔藥量=底藥+中間節裝藥量×節數=1×300+1/2×300×8=1 500 g

(3)

式(3)中的參數見圖9，計算結果見表2。

總裝藥量=光爆孔單孔藥量×孔數+周邊孔單孔藥量×孔數=1 500×166+350×76=275 600 g=275.6 kg

(4)

式(4)中的孔數見圖7，計算結果見表2。

按閘門井平均超挖6 cm、實際進尺2.2 m計，石渣量=(開挖斷面面積-導井面積)×實際進尺=[(13.6+0.06×2)×(7.9+0.06×2)-3.14×0.72]×2.2=238.7 m3

(5)

式(5)中的參數見圖1。

單位耗藥量=總裝藥量/石渣量=275.6/238.7=1.15 kg/m3

(6)

5) 通風散煙及除塵：開挖爆破后30分鐘內煙塵自然擴散，并噴水除塵。

6) 扒渣及安全處理：閘門井爆破后，經通風散煙，采用10 t卷揚機吊運徐工XE60D反鏟入井內扒渣[5]，從四周向溜渣孔扒渣，局部位置人工配合扒渣。扒渣時優先將渣料表面及邊墻上危石清除。

在溜渣井堵塞使用預埋鋼絲繩抖動無法疏通時，采用氫氣球提升炸藥爆破法進行疏通[6]。

7) 出渣及清底：溜渣結束并用井蓋將導井井口封閉后，即采用裝載機配合自卸汽車在下部尾水主洞進行出渣[7]。

閘門井底部尾水主洞的存渣量約900 m3，閘門井排炮進尺按2 m計算，松方系數取1.4，則下部集渣量約為3排炮堆渣量。因此每開挖2～3排炮即需出渣一次。

4.4 閘門槽段開挖施工

閘門槽段指閘門井底部與尾水主洞相交段，總高13.15 m，該段開挖斷面尺寸為13.6 m×7.9 m，但因該段閘門井內部的尾水主洞開挖時內部寬11.2 m范圍已經開挖完成，形成臨空面，故閘槽兩側各剩余1.2 m厚巖體需要開挖。結構示意見圖10。

圖10 閘門槽段結構示意(單位：mm)

采用手風鉆造孔，中部崩落，周邊光爆開挖。與尾水主洞直邊墻相交段兩側1.2 m厚巖體采用手風鉆豎直鉆孔，光爆修邊。周邊孔采用竹片加導爆索間隔裝藥，線裝藥密度116 g/m。該段開挖鉆孔深度3.5 m，預期排炮進尺3 m。周邊孔裝藥示意見圖11。

圖11 閘門槽段周邊孔裝藥示意(單位：cm)

5 施工效果

1) 2019年9月24日導孔開鉆，9月26日導孔貫通。經測量檢查導孔鉆進59.689 m，X向偏差-0.438 m，Y向偏差-0.327 m。經計算導孔日進尺19.9 m/d，類似工程反井鉆導孔最大進尺15 m/d，提前1 d完成。經計算導孔偏斜率0.92%，滿足《水電水利工程斜井豎井施工規范》(DL/T 5407—2009)鉆孔偏斜率不大于1%的要求。

2) 2019年9月27日導井反拉開鉆，10月2日反拉完成，經計算導井擴挖日進尺9.95 m/d，達到類似工程導井最大進尺10 m/d水平。

3) 結合《水利水電工程施工技術全書》第二卷土石方工程第一冊爆破技術表4-1各類巖體的單位耗藥量：風化較輕，節理不甚發育細粒結構花崗巖單位炸藥耗藥量1.3～1.6 kg/m3。梅蓄電站下庫閘門井井身段圍巖為Ⅲ類，微風化～新鮮的花崗巖，巖石完整，單位耗藥量1.15 kg/m3，接近經驗值的下限，比經驗爆破炸藥節省。

4) 通過適當加密布孔參數，減小主爆孔間距，減小排炮開挖進尺，增加爆破延時，降低大塊率，最大石塊直徑不大于溜渣井洞徑1/3，同時擴大掌子面孔口尺寸成漏斗型，爆破后石渣順利通過溜渣井，閘門井開挖過程未發生導井堵塞，節省扒渣時間，減小人工勞動強度，加快施工進度，為電站按期蓄水發電提供條件。

6 結語

下庫閘門井成功應用正反井開挖施工技術進行施工，施工進度快，形成一套成熟完整的施工工藝，給類似閘門井開挖提供參考，具體優勢如下：

1) 采用正井法一次擴挖施工，省去一次擴挖施工及提升系統布置、拆除等環節，降低施工安全風險，節省開挖施工循環時間，提高閘門井開挖總體施工工效。

2) 采用反井法形成導井作為溜渣通道，開挖和出渣同步進行，無交叉，互不干擾，解決了從井口出渣工效低的難題，壓縮了開挖施工循環時間。利用豎直臨空面，有利于爆破施工。

3) 正井全斷面開挖施工形成的工作面空間大，有利于發揮機械施工工效。

4) 正井一次擴挖成型風、水、電設施一次鋪設到位，節約了施工成本。

5) 利用鋼爬梯作為人員上下施工通道，開挖施工可連續作業，開挖各環節施工更加緊湊。

6) 開挖前井口施工鎖口混凝土及井口15 m范圍施工護壁混凝土，有效的保證開挖成型質量，施工作業安全風險降低。