抽水蓄能電站斜（豎）井導井開挖施工技術綜述

潘福營，溫學軍

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林省敦化市 133700 ）

0 引言

一座抽水蓄能電站工程通常設置有上水庫閘門井、引水上斜（豎）井、引水下斜（豎）井、下水庫閘門井、調壓豎井、通風豎井、出線斜（豎）井等多條斜（豎）井，斜（豎）井特別是斜井施工難度最大，安全風險最高，一直是抽水蓄能電站工程施工過程中的重點、難點項目之一。斜（豎）井施工工藝一般先開挖一導井，再從上至下按照設計斷面擴挖，擴挖渣料通過導井溜到斜（豎）井底部再裝車運走，斜（豎）井導井施工經歷了人工法到機械法的發展過程，特別是反井鉆機法開挖導井，是水電工程的一重大技術進步，導井施工主要有人工開挖法、吊罐法、爬罐法、反井鉆機法等施工技術，本文就抽水蓄能電站斜（豎）井導井施工技術進行全面總結概述。

1 斜（豎）井開挖施工技術

1.1 人工開挖正導井方法

人工開挖正導井即從斜（豎）井頂部從上至下開挖，在導井頂部布置提升設施，豎井施工時用龍門吊提升石渣、鉆具、火工品等材料，斜井施工時需在導井下部鋪設軌道，利用絞車或卷揚機提升材料，導井較短時人員通過專用爬梯上下工作面，如果斜（豎）井較長，人員通過專用提升設施上下工作面。各種提升設施需要專業單位設計，安裝完成經驗收合格后才能投入使用。

人工正導井施工過程中，施工人員可以及時掌握導井圍巖地質情況，可以隨開挖隨支護，能保證作業面和已完成開挖部位的安全防護。人工正導井是最原始的開挖方法，也可以一次開挖成型斜（豎）井，適用于所有工程，投入設備少，施工成本低，但是正導井隨著導井深度的增加，出渣、運輸材料、人員上下的速度越來越慢，施工進度較慢，同時提升設施的安全風險等級越來越高。溧陽抽水蓄能電站由于圍巖地質條件較差，反井鉆機等設備無法施工，幾條300多米的引水豎井、出線豎井和進出水口豎井全部采用正井全斷面開挖施工完成，成功解決了圍巖地質條件較差的豎井施工技術，解決了安全風險管控問題，是人工正井開挖施工最成功的案例。

1.2 人工開挖反導井方法

人工開挖反導井即從斜（豎）井底部從下至上開挖反導井，施工人員通過在反導井井壁安裝插筋作上下爬梯，鉆具、火工品等材料通過滑輪小車提升，爆破渣料自由落體到導井底部。反導井在開挖前首先利用地質鉆機或潛孔鉆從斜（豎）井頂部中心向下鉆一φ100mm左右的鉆孔，作為反導井施工時的通氣孔。

人工反導井施工過程中作業人員基本無法采取有效的安全保證措施，安全風險極高，且施工進度慢，僅適用于圍巖地質條件好的短導井開挖施工，應禁止采用人工反導井法，如果必須要采用此施工工藝應進行充分論證后限制使用。

1.3 吊罐法

吊罐法施工只適用于豎井導井施工，施工前需要在導井頂部中心利用潛孔鉆向下鉆一φ100mm左右的鉆孔，用于開挖過程中吊罐導向、吊罐提升、作業通風和上下通信用，導井頂部布置提升系統，底部設置一吊罐，吊罐為定制產品，用于保護作業人員上下和施工時的作業平臺，提升系統的鋼絲繩通過φ100mm鉆孔與吊罐連接，吊罐通過提升系統在反導井內上下升降，到達導井底部開挖作業面后固定吊罐，人員在吊罐平臺上作業，作業完成后再放回到反導井底部。

吊罐法適用于圍巖條件好、深度低于50m的豎井反導井施工，相比人工開挖反導井方法增加了吊罐作為作業人員的安全防護設施，但是安全風險和管理難度仍較大，建議限制采用，如果采用應進行充分論證，做好安全防護措施后實施。

1.4 深孔爆破法

深孔爆破法只適用于豎井導井或豎井全斷面開挖施工。深孔爆破法是在反導井底部洞室開挖完成具備通行條件后，測量人員在反導井頂部按照設計進行放線標識，布孔后用深孔鉆機從上至下鉆一組孔徑φ90～110 mm垂直平行孔，鉆孔過程中要保持鉆孔的精度和垂直度，鉆孔一次完成后，從下至上按照批復的爆破設計采用分段多次爆破或孔內分段裝藥、孔間分段后一次性進行爆破，形成導井。深孔爆破法通常采用菱形掏槽形式布孔，對施工技術要求高、對爆破設計要求高、對爆破參數落實要求標準高、對爆破人員技術水平要求高、對安全質量控制水平要求高，因此對現場施工管理水平要求高。

深孔爆破法安全性高，施工速度快，施工投入少，施工成本低，也可以一次達到設計開挖斷面要求，但是爆破后導井周邊超欠挖控制難度大，導井成型質量差，更適合深度50m以內的大斷面豎井導井開挖，對有結構要求的豎井不建議采用深孔爆破法進行全斷面開挖。

1.5 爬罐法

爬罐為一專用施工機械設備，設置有主、副爬罐，斜（豎）井下部平洞開挖完成且具備通行條件后，將爬罐主設備布置在距導井底部一定距離平洞內，爬罐主設備布置后下部具備正常通行條件，隨著導井開挖延伸，沿著導井頂部反吊爬罐上下移動軌道，軌道通過專用的脹殼式錨桿和支架固定，爬罐用主設備上布置的帶齒輪的發動機升降，帶動爬罐沿導軌上下移動。施工人員站在爬罐內操作升降，到達工作面后，將爬罐固定，利用爬罐做操作平臺，人員站在爬罐上進行鉆爆作業，工作完成后人員回到爬罐內，通過操作爬罐回到導井底部主設備上撤離，人員通過主爬罐上下，施工材料通過副爬罐運輸。

爬罐法1957年首先在瑞典成功應用于反導井開挖施工，國內以阿力馬克（ALIMAK）爬罐應用開挖反導井為代表設備，首先在廣州抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電站成功應用，爬罐的成功應用也是一項重大施工技術進步，隨后在水電工程得到了全面的推廣應用，主要項目有寶泉、西龍池、桐柏、仙居、豐寧抽蓄等項目引水斜井，月進尺可以達到100m以上，西龍池抽水蓄能電站利用爬罐成功開挖了382m的長斜井[1]。

利用爬罐開挖導井位置偏差可控，成型斷面大，斷面平整度好，利于溜渣，安全性和施工效率較人工法有了很大的進步和提高。但是爬罐設備操作相對復雜，對錨桿的施工技術和施工質量要求高，人員作業空間相對狹小，作業環境差，頂部掉塊的風險較高，特別是導井開挖長度超過200m以后，通風散煙困難，通風時間長，安全風險仍然較高，目前國內、國外生產爬罐廠家較少。

爬罐法更適合于圍巖條件較好的300m以內斜井導井開挖，應用于長斜井開挖時，通常采用爬罐法開挖反導井與人工開挖正導井相結合的方法。

1.6 反井鉆機法

反井鉆機為專用施工機械設備，在導井底部隧洞開挖完成具備通行條件后，反井鉆機在導井頂部固定，先采用小鉆頭從上至下鉆到下平洞，在鉆進過程中利用泥漿泵或高壓水泵將按照要求配置的泥漿從泥漿池抽至動力水龍頭，高壓水沿鉆桿至鉆頭排水孔壓出，同時將石渣從導孔壁與鉆桿間的空間排至排渣槽，最后進入沉渣池。導孔貫通后卸下小鉆頭，換成大直徑φ1.2m、1.4m、2.4m等不同規格的盤形滾刀鉆頭，由下向上反提擴孔，利用鐮齒盤形滾刀在鉆壓的作用下沿井底滾動造成對巖石切削、擠壓完成豎井及斜井導井開挖，擴孔時的石渣經過冷卻水的沖刷和自重墜落到下平洞。

反井鉆機導井施工方法于1950年在北美首先發展，國內早期主要應用于煤礦項目施工，1992年我國水電系統第一次在十三陵抽水蓄能電站的出線洞、調壓井和高壓管道斜井等工程上引進反井鉆機，使用反井鉆機進行導井法施工，并取得了高效、安全、優質、經濟的效果，后續在水電工程斜（豎）井工程得到了廣泛的應用。國內水電工程早期應用的反井鉆機以國產的小型LM系列為代表，其鉆孔深度在200m以內為佳，反導井直徑一般為φ1.2m/1.4m，為了防止在擴挖時爆破渣料堵井的風險，導井形成后需要人工再二次擴挖形成3m左右的導井，開挖月平均進尺可達到100～150m，施工效率和安全性實現了斜（豎）井施工質的飛躍，但是此反井鉆機更適合于豎井開挖，用于斜井施工時，導孔偏斜度控制難度大。2016年黑龍江荒溝抽水蓄能電站350m長斜井采用大口徑TR3000 反井鉆機進行斜井導井施工，四條斜井導孔偏斜率均小于1%，具體導孔偏斜率見表1，一次成型導井直徑φ2.4m，為國內水電工程首次在長斜井中應用。TR3000反井鉆機擴孔直徑φ1.8m～φ3.1m，不需要二次人工擴挖導井。TR3000反井鉆井配置有穩定鉆桿和配套的CX-6C無線光纖陀螺測線儀進行導孔測斜，有效控制導孔偏差[2]，鉆井深度300m以上偏斜度仍較小，敦化、豐寧、天池、長龍山等項目普遍開始應用大口徑反井鉆機施工導井，應用效果良好。

表1 荒溝抽水蓄能電站TR3000導孔偏斜率情況表Table1 Table of guide hole deviation slope of TR3000 in Huanggou pumping storage power station

反井鉆機在施工斜（豎）井導孔過程中全部采用機械設備，施工人員不需要下到導井內作業，反井鉆機操作簡單、安全、高效，對環境造成污染非常小，特別是大口徑反井鉆井作業人員比較少，施工速度快，鉆孔精度高，導井斷面尺寸大，是目前導井施工普遍采用的施工工藝。但是反井鉆機設備費和轉運費相對較高，施工成本較人工法相對偏高。

1.7 定向鉆機加反井鉆機開挖導井方法

對于長斜井導孔的偏差度控制非常重要，為了提高導孔鉆孔精度，2016年開始豐寧、敦化、長龍山、文登等抽水蓄能電站引進了定向鉆機施工技術，其施工工藝主要是利用定向鉆機在導井頂部就位，先利用φ216mm小鉆頭鉆設高精度導孔，在小鉆頭鉆進過程中該鉆機具備糾偏和調整鉆孔方向的功能，保證了鉆孔的精度和偏斜度，小鉆孔完成后拆除φ216mm鉆桿，換接TR3000等大型反井鉆機施工所需要的φ295mm鉆頭從上至下進行二次擴孔。擴孔完成定向鉆機撤離，由大口徑反井鉆機反提2400mm鉆頭形成反導井。

定向鉆機的核心是糾偏功能，無線隨鉆測斜儀在定向鉆的工作全過程中，均安裝于φ216mm螺桿鉆具后的無磁鉆鋌內，隨時可以對鉆孔測斜，每次測試時間不到2分鐘。實現了隨時鉆進，隨時測量，隨時糾偏，鉆進過程中以泥漿為傳輸通道，將鉆孔的實時傾斜度、孔斜方位角、頂角、孔深等參數通過編碼轉換為電脈沖信號反饋到儀器上供施工人員使用。一般是每鉆進一根鉆具測斜一次，5～10m為一個測點，進行一次偏斜測定，以確保導孔偏斜度得到控制，實際應用效果良好，幾個項目實際導孔偏斜率見表2。

表2 部分抽水蓄能電站定向鉆機導孔偏斜率情況表[3]Table 2 Table of guide hole deviation slope of directional drill in some pumping power stations[3]

定向鉆機保證了導孔的鉆孔精度，加速了導孔的施工進度，減少了大口徑反井鉆機的施工時間和投入數量，運轉靈活，成本相對較低。定向鉆機加反井鉆機施工長斜（豎）井導井的施工方法具有推廣價值。

1.8 TBM施工法

TBM 英文全稱為“Tunnel Boring Machine”，特指全斷面巖石隧道掘進機，是一臺集中機械、液壓、電子、激光、監測、自動控制等各種先進技術于一體的高度機械化、自動化和智能化的大型隧道開挖機械裝備，實現了開挖、出渣和支護等多道工序同時作業的要求。

TBM可以根據開挖直徑要求定制設備，可以先開挖導井，也可以一次開挖成型斜（豎）井，可以從上至下、也可以從下至上進行導井開挖施工。TBM掘進時，刀盤在主推進油缸的推力作用下向前推進，刀盤破巖切削下來的石渣通過配套的皮帶輸送機轉運到礦車上運出洞外。TBM配置超前地質探測設備，可以進行超前地質預報用于指導施工，保證施工安全，掘進同時可同步進行出渣、初期支護、軌線延伸、風、水、電管線延伸、物料運輸等作業，各工序互不干涉，實現了跟進支護，避免了單工序作業對施工進度的影響。

國內TBM廣泛應用于水利、礦山、鐵路、市政交通等領域，在抽水蓄能電站斜井還沒有應用案例，國外抽水蓄能電站大坡度斜井隧洞TBM應用案例較多，最大應用斜井坡度達到了52.5°，最大開挖直徑達到了9.03m，月平均進尺250m。

TBM較傳統鉆爆工法具有隧道施工“工廠化”、機械化程度高、快速、安全、人員投入少、勞動強度小、對圍巖擾動小、施工環境好、支護質量好、減少隧道開挖中輔助工程等優點[4]。缺點是設備成本高、靈活性較差、一臺設備只能開挖一種斷面。但是從社會發展趨勢，隨著社會勞動力減少和安全管理需要，TBM施工技術應該是以后的發展方向。

2 結束語

抽水蓄能電站斜（豎）井導井開挖有人工正導井法、人工反導井法、吊罐法、深孔爆破法、爬罐法、反井鉆機法、定向鉆機加爬罐法、爬罐加反井鉆機法、定向鉆機加反井鉆機法、TBM施工法等各種施工工藝，每種方法都有其適用性和經濟合理性，在實際工程中要根據工程的具體特點[5]，在保證安全和質量的前提下，經充分論證比較技術可行性、經濟合理性、施工進度安排等綜合因素后確定。同時也需要專業人員進一步研究先進的裝備、技術在斜（豎）井施工中的應用，促進水電施工技術發展。