兩種不同導(dǎo)井施工技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用與分析

翟海燕，趙青，關(guān)宗印

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京 100161；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100032）

1 引言

斜井或豎井導(dǎo)井作為抽水蓄能電站地下工程的重要組成部分，其開挖方式與工程進度、項目投資、人員安全等關(guān)系甚為緊密。目前，國內(nèi)斜（豎）井施工主要采用“先開挖導(dǎo)井，后進行擴挖”的方式，導(dǎo)井開挖方法有2 種：（1）先采用小型反井鉆機形成小直徑導(dǎo)井，然后人工鉆爆兩次擴挖形成較大直徑溜渣導(dǎo)井，即“小直徑機+ 人工擴挖”導(dǎo)井施工技術(shù)；（2）采用“定向鉆+大直徑機”，即采用定向鉆機形成高精度導(dǎo)孔，然后將導(dǎo)孔刷大，滿足大型反井鉆機鉆桿下放要求，最后安裝大直徑擴孔鉆頭反拉形成溜渣導(dǎo)井。

導(dǎo)井的2 種開挖方式各有所長，在不同的深度范圍、不同的條件下表現(xiàn)出各自的優(yōu)勢。李堅等[1]對“小直徑機+人工擴挖”導(dǎo)井施工方法和精度控制予以詳細闡述。王慧鋒等[2]對“定向鉆+反井鉆”施工工藝、定向孔鉆進過程中關(guān)鍵控制參數(shù)進行了深入研究。本文依托深圳抽水蓄能電站斜井開挖和山東沂蒙抽水蓄能電站豎井開挖2 個應(yīng)用實例，對上述2種不同的導(dǎo)井施工技術(shù)進行比較分析，為類似工程導(dǎo)井開挖方式選擇提供參考。

2 小直徑機+人工擴挖

小直徑機二次擴挖是指，電站斜井或豎井導(dǎo)井開挖時，先采用小型反井鉆機從上自下鉆進形成φ216mm 導(dǎo)孔，再安裝擴孔鉆頭反拉形成φ1.4m 導(dǎo)井，最后人工鉆孔爆破擴挖形成φ3.5m 溜渣導(dǎo)井。深圳抽水蓄能電站斜井即采用該方式進行施工導(dǎo)井。

2.1 項目概況

深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區(qū)和龍崗區(qū)內(nèi)，裝機容量1 200MW。引水隧洞斜井分上、下斜井，上斜井長度380m，下斜井長度163m，直線段傾角均為50°。斜井開挖斷面為圓形斷面，開挖半徑均為5 350mm。

2.2 施工方案

1）導(dǎo)井開挖輔助工程。工程包括反井鉆機基礎(chǔ)及配套設(shè)施和人工擴挖輔助設(shè)施。反井鉆機基礎(chǔ)及配套設(shè)施包括反井鉆機基礎(chǔ)、沉淀池、操作平臺、冷卻水箱及風(fēng)、水、電管線的布置。人工擴挖輔助設(shè)施包括一次擴挖絞車和擴挖小車安裝、人工擴挖井口圍欄、人擴挖安全平臺及相關(guān)輔助設(shè)備。

2）反井鉆機施工。具體可分為先導(dǎo)孔施工、擴孔鉆進2 個步驟。（1）先導(dǎo)孔施工：井口測量定位，鉆機施工平臺基礎(chǔ)開挖、澆筑混凝土，安裝反井鉆機底座。待鉆機基礎(chǔ)混凝土達到設(shè)計強度的70%后，安裝轉(zhuǎn)盤吊和翻轉(zhuǎn)架，再調(diào)平鉆機。（2）擴孔鉆進：導(dǎo)孔貫通后，用裝載機將鉆頭運至斜井底部，將上下提吊塊分別同鉆頭、導(dǎo)孔鉆桿固定，上下提吊塊用鋼絲繩連接，提升導(dǎo)孔鉆桿，使鉆頭離開地面約20cm，然后固定鉆頭，下放導(dǎo)孔鉆桿，拆去上下提吊塊，連接擴孔鉆頭。

3）導(dǎo)井人工擴挖。人工擴挖采用布置于平洞段緊鄰上彎段的2 臺15t 的絞車，牽引6.0m 長的擴挖小車在φ1.4m 導(dǎo)井內(nèi)運行，對φ1.4m 的導(dǎo)井自下而上進行擴挖，成型斷面直徑為φ3.5m。

3 定向鉆+大直徑機

定向鉆+大直徑機的工藝原理為當(dāng)電站斜井或豎井導(dǎo)井開挖時，首先由定向鉆自上而下進行φ216mm 高精度先導(dǎo)孔施工，貫通后由小型反井鉆機自上而下擴挖為φ275mm導(dǎo)孔，再采用BMC600 型反井鉆機自上而下擴孔至φ350mm，最后安裝φ2 400mm 擴孔鉆頭反拉形成φ2.4m 溜渣導(dǎo)井。山東沂蒙抽水蓄能電站高壓管道豎井即采用該方式施工溜渣導(dǎo)井。

3.1 項目概況

沂蒙抽水蓄能電站位于山東省臨沂市費縣境內(nèi)，工程總裝機容量為1 200MW。豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6m。高壓管道豎井深度均為380m。

3.2 施工方案

1）導(dǎo)井開挖輔助工程。根據(jù)定向鉆機和反鉆機尺寸，在豎井上彎段開挖29m×9.2m×11.5m（長×寬×高）洞室空間，然后施工鉆機基礎(chǔ)、泥漿池、提吊天錨等輔助設(shè)施。

2）高精度導(dǎo)孔施工。高精度導(dǎo)孔施工采用TDX-50 型定向鉆機，施工工藝流程包括開孔前準備、導(dǎo)孔開孔、鉆進成孔、鉆進泥漿的控制和糾偏技術(shù)。

3）φ275mm 導(dǎo)孔施工。φ216mm 高精度導(dǎo)孔施工完成后，拆除定向鉆機，安裝BMC200 型反井鉆機，將導(dǎo)孔擴刷至φ275mm，滿足BMC600 型反井鉆機施工所需要的導(dǎo)孔直徑。

4）大直徑反井鉆機施工。運輸BMC600 型反井鉆機至工作面，根據(jù)豎井設(shè)計角度，初步調(diào)整好主機的鉆孔角度，固定好主機，開始進行導(dǎo)孔擴大施工，導(dǎo)孔擴大的過程也是鉆桿下放的過程。φ350mm 擴孔貫通后，用裝載機將φ2400mm擴孔鉆頭運至引水下平段導(dǎo)孔下方，利用上、下提吊塊安裝固定擴孔鉆頭，進行反拉擴孔施工。

4 不同導(dǎo)井施工技術(shù)比較

以下將從施工條件、施工質(zhì)量、安全風(fēng)險、施工進度、工程成本等方面對2 種導(dǎo)井施工技術(shù)進行比較。

4.1 施工條件

“小直徑機+ 人工擴挖”施工技術(shù)，需要單獨設(shè)計擴挖小車和牽引絞車，導(dǎo)井開挖輔助設(shè)施較多。“定向鉆+ 大直徑機”施工技術(shù)，需要反復(fù)安拆并調(diào)試各種型號鉆機，而且BMC600 型鉆機較普通反井鉆機尺寸偏大，交通運輸、場地布置較“小直徑機+人工擴挖”施工技術(shù)要求高。

4.2 施工質(zhì)量

“小直徑機+人工擴挖”施工技術(shù)，擴挖采用人工手風(fēng)鉆鉆孔，鉆爆法具有機動靈活的優(yōu)越性，地質(zhì)適應(yīng)性較好，但其對圍巖的擾動破壞性較大，成洞質(zhì)量相對較差，會降低溜渣效率，甚至發(fā)生堵井事故。

“定向鉆+大直徑機”施工技術(shù)，采用滾刀機械破巖，對圍巖破壞小，井壁光滑，工程質(zhì)量好，有利于擴挖溜渣。根據(jù)目前施工技術(shù)顯示，利用反井鉆機施工導(dǎo)井難點在于導(dǎo)孔偏斜率控制。定向鉆機利用隨鉆測斜系統(tǒng)和螺桿鉆具，很好地解決了斜井導(dǎo)孔施工中鉆孔偏斜的問題，在300m 以上斜井導(dǎo)孔施工中優(yōu)勢明顯。

4.3 安全風(fēng)險

“小直徑機+人工擴挖”施工技術(shù)，導(dǎo)井?dāng)U挖采用φ1.4m導(dǎo)井內(nèi)掛設(shè)載人吊籠、人工鉆孔爆破方式，作業(yè)空間狹小，一旦發(fā)生掉塊、塌方等突發(fā)事件，作業(yè)人員無法有效躲避，安全風(fēng)險較大。另外，鉆孔時井內(nèi)煙塵多、噪聲大，工作環(huán)境惡劣，且井內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)信號差，一旦遇到突發(fā)情況，內(nèi)外聯(lián)絡(luò)困難，救援難度大，安全隱患突出。垂直運輸方式單一，只能采用簡易卷揚系統(tǒng)提升載人吊籠，保障系數(shù)偏低。

“定向鉆+大直徑機”施工技術(shù)，省去了由人工從φ1.4m導(dǎo)井?dāng)U挖至φ3.5m 溜渣井的工序，所有作業(yè)基本上采用機械化，導(dǎo)孔采用循環(huán)泥漿出渣，擴孔時石渣自由下落。工作人員全部在平臺上部工作，工作環(huán)境好，工人勞動強度低，施工安全性高。

4.4 施工效率

“小直徑機+人工擴挖”施工技術(shù)應(yīng)用項目深圳抽水蓄能電站，施工效率為15.71m3/d，具體如表1 所示。

“定向鉆+大直徑機”施工技術(shù)應(yīng)用項目山東沂蒙抽水蓄能電站，其效率則為12.01m3/d，具體如表2 所示。

由表1、表2 可知，“定向鉆+大直徑機” 和 “小直徑機+人工擴挖” 2 種導(dǎo)井施工技術(shù)，本身施工導(dǎo)井的效率基本相當(dāng)。由于使用“定向鉆+大直徑機”技術(shù)施工溜渣導(dǎo)井，能夠早日實現(xiàn)導(dǎo)井貫通，為后續(xù)大面積擴挖及早提供溜渣通道，從斜（豎）井整體開挖進度考慮，“定向鉆+大直徑機”方式更具優(yōu)勢。

表1 “小直徑機+人工擴挖”施工效率

表2 “定向鉆+大直徑機”施工效率

4.5 施工成本

根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院水電規(guī)造價〔2004〕0028 號《水電建筑工程預(yù)算定額》，使用反井鉆機施工φ1.4m 導(dǎo)井成本約4 434 元/m，由φ1.4m 導(dǎo)井人工擴挖為φ3.5m 溜渣井成本約1 625 元/m，合計為6 059 元/m。經(jīng)調(diào)研分析，采用“定向鉆+BMC 600 型反井鉆機”施工φ3.5m 溜渣導(dǎo)井成本約12 000 元/m。“定向鉆+大直徑機”每延米施工成本比“小直徑機+人工擴挖”高5 941 元。

5 結(jié)語

分析表明：現(xiàn)階段由于 “小直徑機+人工擴挖” 設(shè)備和技術(shù)成熟，與 “定向鉆+ 大型反井鉆” 施工技術(shù)相比，其市場成本具有顯著優(yōu)勢。但隨著國內(nèi)抽水蓄能電站項目持續(xù)建設(shè)，大型反井鉆機設(shè)備建造水平逐步提高，其價格終究會回歸到一個較為合理的水平。考慮到 “定向鉆+大直徑機” 施工技術(shù)在作業(yè)環(huán)境、安全管理、溜渣效果、施工效率等方面的優(yōu)點，尤其是在長深斜（豎）井偏斜控制方面所具有的無可比擬的優(yōu)勢，未來將具有廣闊的應(yīng)用前景，是值得推廣的一項新技術(shù)。