丁勇

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概述

巴貢水電站引水隧洞共8條，單洞長537.55～590.014m，共4503.684m。每條洞均由上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、漸變段和鋼襯段組成。洞間軸線距離21～25m，設(shè)計開挖洞徑11.1～8.4m，洞間巖柱距離9.9～16.6m，具有洞室多、開挖洞徑大、洞間距離小等特點。引水隧洞布置見圖1。隧洞豎井開挖斷面為圓形。除豎直段開挖外，還包括一部分上、下彎段開挖。豎井開挖高度為81.56(1號)～86.94m(8號)，高程130m以上開挖直徑為9.9m，其下為10.1m。圍巖為Ⅱ～Ⅲ類，主要為砂巖，其次是砂/頁巖互層。

豎井開挖施工主要內(nèi)容包括:

圖1 巴貢水電站引水隧洞布置示意圖

2 反井鉆機施工位置選址和上彎段開挖方案

為方便施工，將豎井開挖的導(dǎo)井位置選擇在豎井的中軸線上。巴貢水電站引水隧洞上下彎段均為85°，彎度大、坡度陡，豎井施工須包括部分上下彎段，反井鉆機施工平臺選址在上彎段。根據(jù)所選用的、由中國煤建公司生產(chǎn)的LM200型反井鉆機外形尺寸和安裝、操作空間，反井鉆機的施工高度需4.5m，上彎段將會造成一定的技術(shù)性超挖。

如何減少上彎段技術(shù)超挖，快捷完成以進行反井鉆機導(dǎo)井施工，在綜合考慮隧洞彎段施工主要選用的施工設(shè)備的回轉(zhuǎn)半徑、動臂長度、高度、爬坡能力等參數(shù)和施工鋼平臺高度后，在上平段下臺階均不開挖的條件下，主要有兩種施工方案可供選擇:

方案一:在開挖至隧洞上彎段后，下臺階降坡30%，彎段頂部適度擴挖，見圖2中虛線部分。

圖2 引水隧洞上彎段及豎井導(dǎo)井開挖示意圖

方案二:在上臺階開挖至距離彎段起始線15 m時，以26%的坡度進行底板降坡開挖，至上彎段起始線后38m與豎井中軸線交叉的位置，平直開挖一個長×寬×高為7.69m×4m×4.5m的、供反井鉆機施工用的孔洞，見圖2上部直線部分。

巴貢水電站引水隧洞在8號隧洞上彎段開挖施工選用的是方案一，后加以改進選用了方案二。方案二除在上彎段和反井鉆機施工洞的開挖工期稍長外，對后期豎井施工便捷，超挖量小，效益高。實施過程中，又在方案二的基礎(chǔ)上，綜合比較了上平段的下臺階開挖與否對豎井開挖的影響。上平段距離短，開挖工期短，則開挖下臺階后，豎井施工空間更大、坡度小，更利于發(fā)揮反鏟等施工設(shè)備在整個彎段施工中的效率并便于后期輔助系統(tǒng)的施工，超挖更小。若上平段較長，則從上平段中間某段開挖下臺階，留一長緩的坡度，在上彎段創(chuàng)造足夠大的空間以利于后期豎井施工。

表1 方案一與方案二比較表

3 反井鉆機施工導(dǎo)井

巴貢水電站引水隧洞豎井導(dǎo)井施工選用的設(shè)備是由中煤礦山工程有限公司生產(chǎn)的LM－200型反井鉆機。在上彎段反井鉆機施工洞形成后，安裝鉆機進行導(dǎo)井施工。

3.1 LM－200型反井鉆機

該機包括主機、操作車、泵站、鉆具、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。泵站由兩臺電機驅(qū)動，主油泵75kW，輔油泵7.5kW，導(dǎo)孔鉆進循環(huán)用泥漿泵為90kW，冷卻系統(tǒng)循環(huán)量為為10～15m3/h。該機設(shè)計最大鉆井深度200m(已改進至最大鉆進深度316m)，工程鉆井直徑1.4～2m。

巴貢水電站隧洞采用的LM－200型反井鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 反井鉆機主要技術(shù)參數(shù)表

3.2 反井鉆機施工導(dǎo)井工藝

反井鉆機是連續(xù)鉆進導(dǎo)井的機械設(shè)備，其施工工藝是將反井鉆機安裝在上部已澆筑好的混凝土基礎(chǔ)上，由上向下鉆進導(dǎo)向孔，導(dǎo)孔和下部隧洞貫通后，拆掉導(dǎo)孔鉆頭，連接擴孔鉆頭，由下向上擴孔成直徑為1.4m的導(dǎo)井。導(dǎo)孔鉆進時破碎下來的巖屑由循環(huán)液帶出至井口，擴孔時破碎下來的巖屑落到下彎段工作面(圖3)。主要施工程序:

(1)反井鉆機工作平臺開挖(施工洞)。

(2)澆筑C25混凝土基礎(chǔ)，預(yù)留地腳螺栓孔的位置。

(3)反井鉆機安裝。

(4)澆筑鉆機地腳螺栓二期混凝土。

(5)系統(tǒng)調(diào)試運行。

(6)φ216中導(dǎo)孔鉆進(斷層破碎帶處理)。

圖3 LM－200型反井鉆機及施工示意圖

(7)拆導(dǎo)孔鉆頭，安裝φ1400擴孔鉆頭。

(8)擴孔鉆進和下彎段出渣。

3.3 反井鉆機施工的主要注意事項

(1)采用防斜措施，控制導(dǎo)孔偏斜率:選擇適宜的鉆進參數(shù)(根據(jù)巖石情況和鉆進距離實時調(diào)整鉆壓、鉆速等);增設(shè)穩(wěn)定鉆桿;泥漿參數(shù)控制;測量測斜控制導(dǎo)孔偏斜率。中導(dǎo)孔是反井鉆機施工的關(guān)鍵，關(guān)系到整個鉆井工作的成敗。

(2)斷層破碎帶處理:在導(dǎo)孔鉆進過程中，應(yīng)對斷層進行處理。根據(jù)鉆進過程觀察，到斷層時，加大循環(huán)量，在將斷層中泥質(zhì)部分沖洗干凈后，提鉆進行灌漿處理:采用水灰比為2∶1的漿液開灌，逐級增大漿液濃度，至0.5∶1結(jié)束灌漿;然后重新鉆進導(dǎo)孔。當(dāng)通過全部斷層和其影響帶后，再將鉆具提出，用水灰比為1∶1的漿液進行全孔灌漿，以增強地層穩(wěn)定性和封堵部分地層涌水，最后繼續(xù)鉆進貫通。

反井鉆機因其施工安全、工作效率高、工程質(zhì)量好、操作簡單、工人勞動強度低、綜合效益顯著等特點已廣泛運用于隧洞豎井施工。巴貢水電站引水隧洞在巖石堅硬(灰砂巖，硬度250MPa)、砂頁巖互層、斷層破碎帶較多的條件下施工導(dǎo)井，8條豎井平均導(dǎo)孔鉆速為0.66m/h，平均擴孔速度為0.28m/h，導(dǎo)井平均偏斜率為0.27%。

4 導(dǎo)井?dāng)U挖

巴貢水電站引水隧洞豎井開挖直徑為9.9 m/10.1m，導(dǎo)井直徑為1.4m。在第一條4#豎井的上彎段擴挖過程中，曾發(fā)生兩次堵塞導(dǎo)井現(xiàn)象。仔細(xì)檢查和研究了堵井原因并非炮孔孔距大造成大石堵塞，主要是因為在全斷面漏斗型擴挖施工中爆破后大量石渣同時溜下導(dǎo)井，由于導(dǎo)井不夠大，石渣擁擠在一起而造成堵井。若豎井?dāng)U挖斷面采用平直或小傾角鉆爆擴挖方式，則扒渣量大且危險。綜合評定后，采用了擴大導(dǎo)井的解決方案(圖4)。

圖4 豎井導(dǎo)井自下而上擴挖鉆爆示意圖

反井鉆機施工完成的導(dǎo)井井壁平整，自下而上鉆爆擴挖比較安全;炮渣直接落至下彎段，不需扒渣和支護。為此，特制了導(dǎo)井?dāng)U挖施工吊籃，將用天錨、卷揚機組成的提升系統(tǒng)放進φ1.4m的導(dǎo)井施工。

爆破孔沿圓心成放射狀布設(shè)，水平向下傾角為17°，孔徑選用42mm;根據(jù)圍巖條件每排(圈)布炮孔8～10個，上下排距0.8～1m。鉆孔先短鉆桿開孔，后逐步換長鉆桿(后期改進了此法，采用特制的連接套筒接長)鉆進孔深120～160cm;鉆完炮孔后，采用非電毫秒雷管配裝φ32卷裝乳化炸藥入炮孔，采用非電毫秒雷管孔內(nèi)孔外微差順序起爆技術(shù)，排間自下至上用非電雷管微差連接8排，用導(dǎo)爆索引至導(dǎo)井口爆破。如此將φ1.4 m導(dǎo)井?dāng)U成φ3.4～4m。

在φ1.4m的狹小空間內(nèi)，起爆網(wǎng)絡(luò)容易被爆破沖擊波振動破壞，造成盲炮。因此，采用炮孔內(nèi)放高段位雷管、孔外排間連接低段位雷管，待孔外起爆網(wǎng)絡(luò)傳爆完畢，第一排炮孔才起爆。

巴貢水電站引水隧洞擴挖一條85m高的豎井導(dǎo)井需5～6d。豎井中間的導(dǎo)井?dāng)U挖至φ3.4～4m后，再采用35%坡度漏斗型全斷面擴挖豎井至設(shè)計斷面，這樣實施具有以下特點:

(1)導(dǎo)井較大，避免了巖石堵井。

(2)導(dǎo)井較大，增大了爆破的臨空面，炮孔爆破率可提高到95%。

(3)導(dǎo)井較大，根據(jù)圍巖情況，炮孔間排距適當(dāng)擴大，孔數(shù)減少，爆破進尺提高到2.7m或3.7 m/排(原設(shè)計為2m/排)。

(4)爆破后大部分爆渣通過導(dǎo)井下溜至下彎段，人工扒渣時間減至3h(導(dǎo)井?dāng)U挖前，同樣人工的扒渣時間為10h左右)。

顯著縮短了全斷面擴挖的單循環(huán)時間，搶回了擴挖導(dǎo)井損失的工期，實際上還縮短了單條豎井開挖總工期，降低了單條豎井的火工材料耗量。

5 豎井全斷面擴挖

豎井的導(dǎo)井?dāng)U挖完成后，即進行全斷面擴挖，中間穿插豎井平臺、井蓋、鋼梯、休息平臺、風(fēng)水電和噴護管線的安裝/延伸等輔助系統(tǒng)的施工。豎井全斷面擴挖施工單循環(huán)的主要工序包括:測量、鉆爆、扒渣、支護(圖5)。

(1)測量。在上下彎段的擴挖過程中，需用全站儀測放開挖線并檢查超欠挖情況;進入豎直段，斷面半徑已知，只需定出中軸線，再在中軸線上吊鉛垂線。

(2)鉆爆。在測量放出開挖線后進行鉆爆施工。鉆爆工器具通過井蓋(工具籃)先放下至施工面蓋住導(dǎo)井，施工人員通過鋼梯到工作面。巴貢水電站豎井開挖采用漏斗型開挖方法，即沿豎井的周邊向圓心傾斜35%，以利于爆破后炮渣自行下漏入導(dǎo)井。根據(jù)圍巖狀況確定每排炮進尺(3m/4m鉆桿)，手風(fēng)鉆鑿孔，裝φ25、φ32的卷裝乳化炸藥，10g/m的導(dǎo)爆索孔內(nèi)起爆，排間從內(nèi)到外連接非電雷管進行微差爆破。

(3)扒渣。炮煙散盡后，放下井蓋，扒渣人員通過鋼梯，配好安全防護用品后進入工作面扒渣。施工面較傾斜，大部分渣已經(jīng)通過導(dǎo)井溜至下彎段，人工扒渣量不大。

圖5 豎井全斷面擴挖示意圖

(4)支護。支護是保障豎井安全施工的關(guān)鍵，支護過程中豎井下彎段同時進行出渣工作。巴貢水電站隧洞豎井整體圍巖較好，部分洞段巖石較破碎，每排炮后根據(jù)圍巖狀況選擇錨噴(錨桿+素噴混凝土)或掛網(wǎng)噴護(錨桿+網(wǎng)片+噴混凝土)。支護工序占單循環(huán)開挖時間較長，錨桿鑿孔穿插在鉆爆過程中完成，灌注錨桿和掛網(wǎng)工序在扒渣工作中進行，加強支護工序的搭接以縮短單循環(huán)時間。

6 結(jié)語

巴貢水電站引水隧洞豎井的開挖，反井鉆機鉆導(dǎo)井時間平均為18d/條，一次全斷面擴挖導(dǎo)井為5.5d/條，二次全斷面擴挖為35d/條，單條豎井施工時間為60d左右。8條豎井施工質(zhì)量控制較好，無一生產(chǎn)安全事故發(fā)生。實踐證明，該施工方法是成功的，獲得了良好的經(jīng)濟效益。