荒溝抽水蓄能電站超深長斜井開挖施工技術

馬琪琪

(中國水利水電第六工程局有限公司，遼寧 沈陽 110000)

由于荒溝抽水蓄能電站超深長斜井地處嚴寒地區，地質條件復雜，開挖施工難度極大，經研究采用了“反井鉆機大直徑導孔、2.4m導井一次成型、正井法擴挖成井”的超深長斜井開挖施工技術。通過井壁底部預設行車槽，實現了斜井擴挖無軌運輸。同時研制了可穿行式的防護臺車，為井下作業人員和設備提供了安全防護。采用液壓鉆造孔、光面控制爆破、反鏟扒渣等措施，實現了機械化施工作業，保證了施工安全，提高了工作效率。

1 概 述

黑龍江荒溝抽水蓄能電站引水系統設計1號、2號兩條斜井，每條引水斜井分成上斜井和下斜井兩段，每段斜井包括上彎段、斜井直段、下彎段，上彎段、下彎段均為空間轉彎。1號、2號引水上斜井全長為229.19m，軸線高程由585m降至425m，彎段參數為θ=50°，R=2500cm，S=2182cm，T=1166cm。

1號引水下斜井全長為384.73m，軸線高程由425m降至145.81m，彎段參數為θ=50°(47.690663°)，R=2500cm，S=2182cm(2081cm)，T=1166cm(1105cm)。2號引水下斜井全長為388.55m，軸線高程由425m降至142.92m，彎段參數為θ=50°(49.690663°)，R=2500cm，S=2182cm(2081cm)，T=1166cm(1105cm)。

2 工藝原理

超深長斜井開挖過程采用裝配機械化作業方案進行施工，鉆設大直徑導井，而后一次擴挖成井。

采用專用提升設備，在保障安全的前提下牽引高效率機械設備入井作業。人工手風鉆配合潛孔鉆車鉆孔爆破，提高了單循環進尺及爆破質量。工作面挖掘機進行扒渣，大大減少入井作業人員數量，規避了一定安全風險；同時扒渣工序時長縮短，建井工期縮短。

井內使用無軌運輸方式，取消了在斜井內鋪裝鋼軌，規避了人員在斜坡上安裝軌道的安全風險；使防護臺車最大程度行駛至臨近工作面的位置，提升了井下作業面安全保障；根據具體施工工序，機械設備交替入井，編制正規循環作業程序，有條不紊地開展各項工作。通過對傳統施工方法的調整來加快施工進度，同時達到節約成本的預期效果。

3 施工主要特點

a.科學化裝配斜井用機械與設備，研發了超深長斜井反井鉆機直接成型φ2.4m大直徑導井新技術，再擴挖成直徑7.9m斷面。引進行業外專用的鑿井絞車作為提升設備，該設備配備了精密的電控系統，設計有多項安全保護裝置，鉆爆作業使用手風鉆配合液壓潛孔鉆車進行，提升了鉆孔效率與質量。爆破后工作面使用挖掘機進行扒渣，以實現作業機械化。

b.研制了一種實用新型專利的無軌運輸車，為井內人員及材料提供運輸服務，該設備在斜井使用過程中，體現了對路面適應性強的特點，由于是雙繩牽引，其安全性也較高。無軌運輸車可以到達斜井上彎段甚至平洞內，極大方便了材料、工器具的裝運，減輕了工人的勞動強度，安全保障大幅度提高。

c.研制了一種無軌可穿行式防護臺車并實地運用，能夠最大程度地接近井下工作面，為施工增加了安全保障系數，并為運輸車、挖掘機、潛孔鉆車在各個作業環節從臺車下穿行提供了方便，提高勞動效率的同時也能加快施工進度。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

超深長斜井開挖施工包括反井鉆機導孔鉆設、大直徑導井一次成型施工、上彎段開挖施工、提升設備安裝調試與驗收、直線段及下彎段開挖施工等幾個大的環節，施工程序見圖1。

圖1 超深長斜井開挖施工程序

4.2 操作要點

圍繞如何快速在超深長斜井施工中形成安全快速施工方法，規避人員作業較高的安全風險，創造便于機械設備入井作業的方法、物料裝卸搬運的方法，在施工過程中從提升運輸系統的設計、運行維護，到各環節的密切配合方面嚴格控制，探索出一套用于超深長斜井開挖的安全施工技術。

4.2.1 科學嚴密的系統設計

4.2.1.1 提升系統布置

斜井大直徑導井施工完成后，斜井采用自上而下正井法擴挖施工成井。為了滿足斜井擴挖時人員、材料、設備井內運輸及工作面作業安全防護，井口布置運輸車提升系統和防護臺車提升系統，通過鑿井絞車、天輪導向進行提升。

斜井提升系統包括實用新型專利無軌運輸車及實用新型專利可穿行式防護臺車，運輸車負責作業人員、施工材料、風水管路、工器具的運輸(人員和材料嚴禁混運)，運輸車自重為3.5t，設計載重2t。防護臺車主要用作斜井安全防護、導井安全防護和人工停放及工作平臺，防護臺車自重為7t，設計載重2t。為保證上平洞與中平洞洞內運輸空間，斜井鑿井絞車靠平洞左側布置，使用雙繩提升車輛，一根鋼絲繩負責提升另一根做安全繩，當提升繩意外斷繩時，安全繩可以滿足全部提升需求，在出現意外的情況下能夠保證運輸車輛的運行安全。提升系統布置如圖2。

圖2 提升系統布置

通過在擴挖施工中投入具有專利技術的斜井運輸車輛，使用安全性較高的礦用鑿井絞車，配備專業的變頻電控系統，為斜井物料運輸提供了科學、可靠的技術保障。

4.2.1.2 供斜井運輸與通行的路面結構施工技術

沿斜井井壁底部3.5m范圍內開挖成平底，對溝槽底部及兩側噴混凝土形成行車溝槽，即形成一種供斜井運輸與通行的路面結構；噴混凝土溝槽與井壁噴混凝土支護同時進行。為保證溝槽成型，兩側使用模板支立，底部膠輪運行范圍內超挖部分使用噴混凝土料墊平，確保路面平整，提高車輛運輸可靠性，并在運輸車底盤上安裝導向輪防止跑偏，車輛上下均沿溝槽運行，成型溝槽寬度3.5m，行車溝槽施工隨工作面噴混凝土支護跟進。

相比傳統的軌道運輸方式，通過將井內運輸車輛的行走輪改為專用實芯膠輪，使得車輛運行通過性、穩定性大幅度提升。開挖時即在測量放樣中增加了車輛在底板上運行溝槽的爆破設計，一并開挖出運行溝槽，槽寬3.5m，槽深0.3m，這部分技術超挖量較小，經過計算僅為0.2m3，通過精細化的爆破設計、嚴格的質量管理控制爆破成型。且行車溝槽成型與噴混凝土支護同時施工，噴混凝土支護時對溝槽加以處理，路面平整度即可提高。供斜井運輸與通行的路面結構見圖3～圖4。

圖3 供斜井運輸與通行的路面結構

圖4 供斜井運輸與通行的路面結構

4.2.2 科學的安全保障技術

斜井運輸車輛設計采用鑿井絞車進行牽引，該絞車設計雙滾筒纏繞雙繩，其中一根繩提升運輸車，另一根用作保險繩。當提升繩斷繩時，保險繩可承擔全部提升負荷。鑿井絞車電控系統預設有限速控制，不能隨意調整，速度上限值為0.5m/s；絞車制動系統設計為常閉式，采用滾筒液壓抱閘制動與電機液壓抱閘制動兩種方式，絞車起動時利用液壓系統聯動松開抱閘，絞車停止運轉時抱閘自動關閉，突然斷電時抱閘隨即自動關閉。使用雙滾筒雙繩提升運輸車及防護臺車，雙繩的使用能夠起到斷繩保護的作用。在井口上彎段停車位置安裝限位開關，用作安全防護。

在井內布置一臺無軌膠輪運輸車運送作業人員和材料、工器具，運輸車設計采用1臺提升絞車進行牽引，該車在單個滾筒左右側纏繞雙繩，絞車運行時雙牽引鋼絲繩同時受力，目的是增加設備運行安全性，假設一根繩出現極端情況破壞時，另一根繩仍可承擔全部提升負荷。斜井內靠右側安裝一趟行人爬梯作為備用行人通道。另布置1臺鑿井絞車牽引挖掘機和潛孔鉆車入井作業。同時在荒溝抽水蓄能電站超深長斜井也采用了一種可穿行式的防護臺車，在井下靠近掌子面處布置一臺無軌膠輪防護臺車，采用鑿井絞車進行牽引，同樣為雙滾筒纏繞雙繩牽引車輛，一根繩牽引，另一根繩作為保險繩，在導井上口布置封口盤。

運輸車為無軌膠輪型鋼結構車輛，因運輸車速度相對較快且在井內運行頻繁，為保證車輛運行安全，在運輸車底盤下部設置導向輪防止跑偏，運輸車頂部設置轉輥，利用防護臺車牽引繩輔助導向，從而上下兼顧防止運輸車跑偏，車輛上下均沿溝槽運行。在運輸車輛上加裝減震系統，從而在一定程度上提高了乘坐者舒適性。實用新型專利無軌運輸車輛見圖5。

圖5 實用新型專利無軌運輸車輛

4.2.3 開挖爆破技術

根據類似工程經驗，在常規斜井開挖爆破施工中，采用人工鉆孔爆破以及人工井下扒渣的方式進行作業，投入的井下施工人員較多，存在的安全風險很大，如在井下扒渣作業時，施工人員安全意識差，未正確系好安全帶，最終導致人員從導井墜落，發生安全事故；另外，采用人工進行作業，循環時間較長，對工期也有較大的影響。

為減少井下涉險人員，加快超深斜井開挖施工進度，在荒溝抽水蓄能電站超深長斜井開挖爆破施工中，采用機械化配合人工作業，鉆孔爆破采用潛孔鉆配合人工鉆孔，扒渣作業采用挖掘機進行井內扒渣，主要開挖爆破技術為：擴挖采用潛孔鉆車配合手風鉆鉆孔，人工裝藥，采取微差起爆網絡形式，采用2號巖石乳化炸藥，周邊鉆孔直徑為42mm，人工采用手風鉆鉆孔，藥卷直徑32mm，鉆孔深度3.0m，周邊采用光面爆破，隔段裝藥控制藥量；崩落孔鉆孔直徑為90mm，采用潛孔鉆機鉆孔，藥卷直徑70mm，鉆孔深度3.5m，循環進尺2.4m。在爆破施工中，嚴格控制巖石大塊率，加密炮孔，防止渣塊過大而造成堵井。

使用手風鉆配合液壓潛孔鉆車進行鉆爆作業，相比常規情況下采用人工手風鉆鉆爆以及人工扒渣，提升了鉆孔效率與質量，減少了安全風險。爆破后工作面使用挖掘機進行扒渣，以實現作業機械化。與人工扒渣效率相比，循環時長大大縮短，減少了扒渣人員的投入，對成本的控制起到了重要作用。井內挖掘機行走、井內挖掘機扒渣見圖6～圖7。

圖6 井內挖掘機行走

圖7 井內挖掘機扒渣

4.2.4 標準化的安全保證技術

以往在斜井施工中，各施工環節存在較大的安全風險，經過方案優化而采取行之有效的本質安全方案和過程嚴格的控制，在斜井施工中全面推行“超深長斜井快速開挖施工安全生產施工技術”，以保證斜井施工過程中人員、材料設備運輸的本質安全。該技術包括標準化的運輸提升系統、標準化的施工方法和作業流程和標準化的安全監督管理體系。

在上彎段上部運輸車停靠位置設置人員上下平臺，便于人員上下運輸車、上下車平臺處安裝安全門，人員通過時打開，其他時間均處于關閉狀態。運送材料時，運輸車可行駛至上彎段上部與平洞交界處，停靠時車輛底盤基本與水平線平行，以方便材料裝、卸車。

上彎段施工前，在上井口變坡點沿洞寬布置鋼筋焊制的臨時防護欄桿，欄桿下部設置踢腳板，起到遮擋雜物的作用，使其不會落到斜井內，從而保證彎段作業人員的安全。提升設施投入運行時，拆除臨時鋼筋防護欄桿，設置φ48鋼管焊制的標準防護欄桿。

5 結 語

在荒溝抽水蓄能電站超深長斜井開挖中，總結探索出一套更為先進的，適用于超深長斜井的安全、高效開挖的施工方法，達到了作業機械化、數字化、高生產率的預期使用效果，極大地減輕了工人的勞動強度，大幅度減少了涉險作業人員安全隱患，可為類似工程長斜井開挖施工提供有力參考及借鑒。