豎井掘進機在抽蓄電站建設中的應用

劉 杰

（中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310000）

0 前 言

近年來，國內抽水蓄能電站的建設項目越來越多，采用豎井型式的主體結構涵蓋了從引水、尾水及地下廠房系統等主體結構的各個部位。根據功能、結構尺寸參數及地質情況不同，其采用的施工方法也有一定的差異。直徑3 m左右的豎井采用反井鉆機一次反拉成型的施工工藝已較為成熟，最具代表性的就是山東文登抽水蓄能電站，其Φ3.1 m、深度280 m的通風豎井就是采用反井鉆機一次反拉成型，云南以禮河水電站曾也是實現由Φ4.5 m、深度240 m的豎井采用反井鉆機一次成型的成功案例，但是其屬于軟巖施工。行業內對于直徑大于5 m的豎井開挖，仍是以反井鉆機先施工1.4 m、2.0 m或2.4 m的導井，再利用人工鉆爆法自上而下分層擴挖的方式進行。

雖然導井的機械化施工徹底解決了人工鉆爆開挖正反導井的施工困難和安全風險問題，但自上而下鉆爆法擴挖，仍未擺脫井下人員密集作業帶來的安全管理風險和職業健康危害，也無法避免井壁爆破松動圈對豎井開挖期間圍巖穩定造成的潛在施工隱患。同時伴隨我國人口增速放緩，現場作業人員短缺，老齡化嚴重等問題日益突出，“機械化換人、智能化減人”成為水電站工程施工的大勢所趨。

1 工程概況

寧海抽水蓄能電站位于浙江省寧海縣城東北面大佳何鎮境內，主要由上水庫、輸水系統、地下廠房、地面開關站及下水庫等建筑物組成。地下發電廠房安裝4臺單機容量為350 MW 的混流可逆式水輪發電機組，總裝機容量為1 400 MW。電站排風豎井位于發電廠房的左側，開挖斷面為圓形，直徑Φ7.8 m、深度198 m。除井口10 m段混凝土襯砌外，井身全部采用掛網噴混凝土和系統錨桿進行支護。該豎井上井口露天，下井口通過平洞與主廠房通風兼安全洞相連，井身巖體多位于地下水位以下，以上部強風化層Ⅴ類圍巖和中下部弱風化Ⅳ～Ⅲ類圍巖為主。巖石強度為80～120 MPa，局部可達到140 MPa。

在綜合考慮該豎井地質條件和上下井口布置條件，以及“以人為本、實現機械換人”的原則，通過裝備市場和豎井現行工藝工法的充分調研和多方評估，最終采用國內首臺大直徑全斷面上排渣型硬巖豎井掘進機（Shaft Boring Machine，以下簡稱SBM）進行該豎井的開挖施工。

2 SBM設備簡介

2.1 系統組成

該套SBM設備是國內首臺集機、電、液于一體的大型綜合設備，具備大直徑深豎井一次性全斷面開挖成型功能。設備采用刀盤開挖、刮板輸送機刮渣、斗式提升機提渣、儲渣倉儲渣，最終由吊桶提渣經地面提升系統提吊出井卸渣運走。SBM整機系統如圖1［1］所示。井下設備主要由刀盤、主驅動、穩定器、設備立柱、撐靴推進系統、井壁支護系統（選裝）、出渣系統、后配套多層吊盤系統構成，多層吊盤用于放置設備動力裝置；地面配套設備主要由井架、穩車、礦用絞車等組成，實現吊盤下放提升和物料運輸。

圖1 SBM整機系統

2.2 工法原理［2］

該套SBM設備是通過井下豎井掘進機完成機械破巖、刮渣和集渣，并通過地面井架配合礦用絞車吊渣卸渣至地面完成豎井掘進和出渣工作，地面提升系統中的穩車還負責SBM設備后配套多層吊盤的牽引和提升。

（1）破巖系統。SBM 設備在每循環破巖過程中，通過井下主機采用與平洞硬巖盾構機類似的刀盤破巖，穩定器穩定刀盤并降低掘進過程中的刀盤振動并控制掘進方向，利用撐靴撐緊井壁產生摩擦力并提供推進反力。掘進行程結束后，撐靴換步進行下一循環掘進作業。

（2）出渣系統。該系統包括刀盤刮渣裝置、垂直提升裝置和儲渣倉三部分，最終將儲渣倉內的石渣卸放至礦用吊桶，通過地面礦用絞車提升出井接力，完成渣料出井工作。

（3）支護系統。井壁支護系統可完成井初期錨噴支護和混凝土襯砌施工，此系統需單獨設計、選配安裝。

（4）導向系統。豎井掘進過程中，利用傳統豎井測井方法并結合電子傳感技術設計而成，即在井筒中心設計一套垂線裝置，用于提供井筒中心設備的標定基準，在設備中心設置傳感器，通過檢測設備同垂線的相對位置，計算設備掘進方向及姿態以實現為設備提供導向的功能。

（5）糾偏系統。整機設計有穩定器和撐靴推進系統，穩定器的伸縮油缸和可分區獨立控制，當掘進主機相對井筒軸線發生傾斜時，可通過控制不同區域的油缸油壓，使油缸產生位移行程差，從而不斷調整主機姿態并最終使主機軸線回正。當掘進主機圓周滾轉時，讓穩定器和撐靴脫離井壁，反轉主機回正即可。

2.3 設備性能參數

該設備研發制造的初衷是解決千米級礦山盲井機械化施工難題，適合在圍巖條件較好的穩定地層施工，且以露天豎井工作面為宜。SBM設備具體性能參數見表1。

表1 SBM設備性能參數

3 施工條件及過程

3.1 施工條件

3.1.1 場地要求及井口條件

根據SBM設備安裝及運行工況的需要，上井口需以井口為中心軸線提供長80 m、寬27 m的平坦場地并硬化，用于布置1座井架、6臺穩車、1個礦用絞車房、SBM設備操控室及便于自卸汽車、裝載機的裝運等，并根據地面提升系統設備布置的需要，提前進行井架基礎、穩車基礎、絞車基礎和絞車房的開挖及結構混凝土施工。另外，采用人工鉆爆法提前開挖10 m井身段并進行襯砌，使之作為SBM主機設備下井，為撐靴提供支撐著力點。

3.1.2 道路交通條件

由于SBM設備最大尺寸的單件為不可分體的刀盤，總重量近85 t，因此對通往井口安裝始發的道路運輸條件要求較高，表2為SBM設備運輸道路相關指標。

表2 SBM設備部件運輸道路指標

3.1.3 風、水、電布置條件

（1）施工通風。SBM 設備掘進施工中井下無人，但部分人員要負責下井進行機組檢修、更換滾刀或井下維保等工作，井下通風通過布置在井口的軸流風機接風管隨掘進面向下延伸即可。

（2）施工供水。SBM設備掘進過程中的設備清理、刀盤降溫和抑塵需要用水，在井口平臺場地布置一個不小于10 m3的水箱接水管沿井壁延伸至井下用水部位。

（3）施工供電。電是SBM設備掘進和地面提升系統運行的主要動力源，井下掘進設備需單獨配置1根容量不小于2 500 kW 的10 kV高壓電纜延伸至井下吊盤上的變壓器，地面提升系統及操作室、照面等配備380 V、容量不小于1 200 kW 配電箱即可。

3.2 施工過程

3.2.1 總體施工程序

寧海抽水蓄能電站排風豎井SBM設備掘進的主要施工程序為井口場地平整及地面提升系統安裝（不含井架安裝）→主機段拼裝下井→后配套吊盤井口地面就位并與主機段連接→機組調試→主機段始發掘進20 m→后配套吊盤下井懸吊→井架安裝就位→提升系統形成并與后配套吊盤連接→SBM正式掘進并直至貫通→井下拆解逐層出井撤場→地面提升系統拆除及場地恢復→全部結束。

3.2.2 施工過程中的問題

（1）設備運輸就位。寧海抽水蓄能電站排風豎井口位于引水中平洞施工支洞口附近，從場外進入到井口工作面必須經過井口平臺外側的棄渣場，呈“S”型布置的棄渣場后邊坡臨時道路坡陡彎急，在SBM進場前根據運輸道路要求進行了修整，最大件的運輸過程中還動用了裝載機和推土機進行輔助。

設備分塊運輸、分塊下井就位。自下而上的幾大主要部件分別為刀盤、主驅動、撐靴、后配套吊盤，均需要大噸位汽車吊抬吊卸車及下井就位，因此井口周邊場地的規劃要合理，除必須滿足地面提升系統安裝場地外，還要充分考慮大件運輸平板車和2臺大噸位汽車吊的作業場地。

（2）掘進面渣料含水量控制。該套SBM設備掘進適用于無水或少水的井下工況，而寧海抽水蓄能電站排風豎井井身段多為地下水位以下，隨著掘進深度的增加，不同高程的井壁均出現了裂隙滲水的情況，特別是井口段的25 m巖石較為破碎，滲水沿井壁流至掘進工作面，與刀盤破碎后的石粉摻雜在一起形成泥漿，給掘進機刀盤底部的刮渣集渣帶來了很大困難并嚴重影響了掘進效率。為解決渣料含水問題，根據井壁滲水點的分布，利用后配套吊盤的操作平臺對滲水點集中的井壁安裝了截水槽，截水槽里的水通過塑料軟管接至后配套吊盤內布置的水箱抽排至井外。通過此舉，較好控制了渣料的含水量，保證了掘進出渣的效率。

（3）井內降塵。在解決了大井壁滲水問題后，掘進面破碎的石渣基本不受水的濕度影響，從而使刀盤轉動掘進、刮渣提渣至儲渣倉、儲渣倉卸渣至吊桶的過程產生的粉塵彌漫在整個主機段，導致工作面粉塵聚集，從而進一步影響豎井掘進機的激光導向控制，和激光束打靶的準確性［3］，最終嚴重影響設備中心配備的電子傳感器對設備掘進方向和姿態判斷的準確性。為了解決此問題，通過管路向掘進面主動噴淋潤渣、加大壓入供風量等多種方法均無法很好降塵，最后根據粉塵的起因和粉塵分布的區域，發明了一種利用風機配合帶骨架風筒將井下粉塵通過風筒抽出井外，同時利用風機口安裝的除塵機構收集灰塵的裝置，實現了凈化井下空氣、主動收集抽出粉塵，最終確保掘進過程中的電子傳感導向裝置正常工作。

3.2.3 施工效果

2020年12月10 日，SBM豎井掘進機在寧海抽水蓄能電站排風豎井井口完成了主機段組裝調試并正式始發，施工過程中克服了運輸就位、井壁滲水、粉塵濃度過高等一系列實際問題后，最終于2021年12月26日與排風豎井下平洞精確貫通，歷時12個月。除去地面系統組裝聯調時間、井壁截水、粉塵超標研究處理方案的停機時間、井壁系統支護時間以及其他因素造成的停機時間外，SBM實際有效掘進為121 d，總掘進時間為583 h，累計掘進188 m，平均進尺0.32 m/h。在始發后、地面提升系統未形成前的20 m井身掘進采用汽車吊出渣施工，實際有效掘進為24 d，平均進尺0.71 m/d，最快進尺1.5 m/d；剩余168 m采用地面提升機出渣，實際有效掘進為97 d，平均進尺1.73 m/d，最快進尺4.82 m/d。

4 工程應用試驗的思考

從寧海抽水蓄能電站采用的國內首臺大直徑全斷面豎井掘進機進行排風豎井開挖的實際施工效果來看，作為國內首次應用性試驗項目，采用此設備施工，實現了井身掘進過程中井下無人的施工工況；也實現了自上而下全斷面機械法開挖大直徑豎井在行業內零的突破；從抽水蓄能電站豎井新設備新工法應用的角度，還是有很多地方值得進一步思考。

（1）從設備本身結構看，該套一體化掘進機結構龐大、光主機的總重量就達到420 t，不可拆解的刀盤單件重量達到了85 t，無論是在煤礦還是在抽水蓄能電站上使用，對運輸道路條件和安裝場地條件都十分苛刻，如能實現輕量化設計，其應用的空間才能更廣。

（2）從井下環境看，目前這套豎井掘進機工法適用于無水或少水的井下作業，而抽水蓄能電站的豎井多數位于地下水位以下，滲水情況十分普遍。從首次應用實驗情況來看，需要進一步研究其他工法，對圍巖提前進行滲水處理才能保證工效進尺。

（3）從工期角度看，若采用反井鉆機施工導井、再人工擴挖的工藝進行施工，先導孔和反拉導井施工工期（含準備工作）約50 d，人工鉆爆擴挖支護施工工期約100 d（進尺2.5 m/d、工序轉換及施工準備20 d），總工期合計約150 d；而采用SBM設備施工，扣除支護和非常規停機耽誤工期后的掘進工期為121 d（含正常的維保時間），SBM設備機械法的工效沒有體現出先進性。

（4）從應用工況看，所有的抽水蓄能電站的豎井結構均非盲井且深度遠小于煤礦行業，SBM設備的全斷面工法主要適用于礦山深豎井盲井工況，且使用條件適合露天井口，抽水蓄能電站的露天豎井口較少，大多位于地下洞室群中，全斷面自上而下機械開挖設備工法很難應用普及。對于抽水蓄能電站的非盲井條件的大直徑深豎井施工可有以下兩方面研究方向：

①掘進機輕量化：通過反井鉆機先施工導井，本著輕量化設計理念采取簡單的后配套動力裝置，再結合錐形刀盤自上而下沿著導井中心向下掘進，破碎石渣靠重力沿著導井下溜，就能很好避開上出渣方式帶來的渣料收集困難和龐大的地面提升系統；

②大型反井鉆機：在已有的施工導井的反井鉆機設備上繼續深入研究，結合國內常規抽水蓄能電站豎井布置和結構特點，從鉆機功率、鉆桿連接技術和母材強度、反拉鉆頭結構設計等方面入手，研究制造出能適用于直徑6～9 m、深度400 m以內的一次反拉成型的國產大型反井鉆機。

5 結束語

綜上所述，國內首臺大直徑全斷面上排渣型豎井硬巖掘進機在寧海抽水蓄能電站的應用試驗總體是成功的，可以算是抽水蓄能電站豎井機械化施工應用的重要里程碑。雖然整個應用過程中暴露出設備本身和工藝工法上的缺陷和不足，但是給抽水蓄能電站建造行業在豎井施工“機械換人”提供了寶貴的應用實踐案例。隨著“雙碳”目標國家戰略的提出，國內加大了抽水蓄能電站的規劃建設，豎井結構又是抽水蓄能電站地下洞室群中不可缺少的結構，豎井施工的“機械化換人”為大勢所趨。隨著越來越多抽水蓄能電站的核準開工，豎井機械化施工的步伐將會越來越快。