劉旭剛，楊曉輝

(中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000 )

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洪屏抽水蓄能電站引水豎井開(kāi)挖施工技術(shù)

劉旭剛，楊曉輝

(中國(guó)水利水電第六工程局有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000 )

洪屏抽水蓄能電站每條引水洞共有2條豎井，上豎井高程差為277 m，下豎井為295 m，施工條件差，開(kāi)挖過(guò)程中安全及質(zhì)量控制難度大。從施工方案選擇、豎井施工平面布置、施工工藝等幾個(gè)方面，對(duì)洪屏抽水蓄能電站引水豎井開(kāi)挖施工實(shí)施過(guò)程進(jìn)行了介紹。防墜罐籠、防墜器、視頻監(jiān)控設(shè)備等現(xiàn)代科技的應(yīng)用，保證了豎井開(kāi)挖施工的安全。

引水豎井；開(kāi)挖；施工技術(shù)；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站引水系統(tǒng)采用“二洞四機(jī)”布置，由引水上平洞、引水調(diào)壓井、引水上豎井、引水中平洞、引水下豎井、引水鋼岔管、引水支管等組成。引水豎井有4條，分別為1、2號(hào)引水上豎井和1、2號(hào)引水下豎井。其中，上豎井長(zhǎng)277 m(含上、下彎段)，開(kāi)挖直徑6.4 m；下豎井長(zhǎng)295 m(含上、下彎段)，除上彎段直徑為6.4 m外，其余均為6 m。豎井施工是本工程引水系統(tǒng)施工的重點(diǎn)。

引水上豎井全鋼襯管道上覆巖體厚69～375 m，巖石微～新鮮，巖體完整性差～較完整，屬穩(wěn)定性差～基本穩(wěn)定的Ⅲ～Ⅱ類圍巖。其中，Ⅱ～Ⅲ類圍巖占45%，Ⅲ類占36%，Ⅳ類占16%，Ⅴ類占3%。

上彎段由于受f116斷層切割，形成一個(gè)不穩(wěn)定的大棱體，在與節(jié)理切割組合下，易沿f116斷層向豎井內(nèi)塌滑，需錨噴支護(hù)處理。上豎井段中下部構(gòu)造較發(fā)育，有f176、F140、f116等3條斷層，f176、f116寬度小，F(xiàn)140寬度較大，均與豎井斜交，傾向下游，對(duì)上游壁的穩(wěn)定不利，與其他方向的節(jié)理切割組合，易形成不穩(wěn)定的棱體，開(kāi)挖過(guò)程需及時(shí)支護(hù)。下彎段受f176斷層切割影響，彎段頂部巖體厚度薄，洞室開(kāi)挖后形成臨空，頂部巖體易沿f176脫落，需加強(qiáng)支護(hù)。

引水下豎井上覆巖體厚372～650 m，屬整體塊狀構(gòu)造，節(jié)理較發(fā)育，為Ⅱ～Ⅲ類巖體，斷層帶部位為Ⅳ～Ⅴ類巖體。發(fā)育F109、F521、F115、f173、f174、f112、f114、f172等8條斷層。其中，f173、f174、f114、f172寬度小，屬Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面，但與豎井斜交且傾向下游或上游，對(duì)上游或下游井壁有一定影響；F115、F521、F109屬Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面，寬度較大，性狀較差。由于斷層帶一般均導(dǎo)水，地下水易沿?cái)鄬蛹袧B漏。

2 施工方案選擇

該豎井?dāng)嗝孑^小，井身長(zhǎng)，施工難度大，且豎井為在平洞內(nèi)施工，受工作面制約，井口布置困難。常規(guī)豎井施工分為正井開(kāi)挖和反井開(kāi)挖，正井和反井開(kāi)挖又分一次開(kāi)挖和多次擴(kuò)挖，擴(kuò)挖的種類又分人工擴(kuò)挖和機(jī)械擴(kuò)挖等。根據(jù)本豎井的施工特點(diǎn)及施工要求，本工程先利用反井鉆機(jī)開(kāi)挖導(dǎo)孔，而后利用導(dǎo)孔進(jìn)行二次擴(kuò)挖。擴(kuò)挖后的棄渣通過(guò)反井鉆機(jī)鉆設(shè)的作為溜渣槽的導(dǎo)孔，最終由豎井下方平洞段出渣。此方法的優(yōu)勢(shì)在于，一次導(dǎo)井開(kāi)挖采用反井鉆機(jī)施工，施工效率高且無(wú)太多安全隱患；二次擴(kuò)挖在洞口布置多層安全防護(hù)措施，通過(guò)導(dǎo)井出渣，最大程度保證了施工進(jìn)度。此方法綜合了反井和正井開(kāi)挖方法的優(yōu)勢(shì)。

3 豎井施工平面布置

本豎井的施工安全質(zhì)量重點(diǎn)在于豎井的二次擴(kuò)挖。為保證施工安全，采用多種安全防護(hù)措施，對(duì)豎井施工中遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真分析，并據(jù)此進(jìn)行豎井二次擴(kuò)挖的場(chǎng)地布置。

在豎井進(jìn)入上彎段的平洞位置設(shè)置3臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，用于施工期豎井開(kāi)挖及噴錨支護(hù)施工。受施工場(chǎng)地的限制，在豎井上方布置提升架的難度較大，為此，利用后期豎井鋼襯安裝的橋機(jī)室橋機(jī)軌道梁布置提升設(shè)備的基礎(chǔ)。卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)架設(shè)在豎井上彎段巖壁橋機(jī)軌道梁上的型鋼橫梁，垂直伸入豎井內(nèi)。在橫梁上設(shè)置定滑輪，同時(shí)，在平洞段地面設(shè)置導(dǎo)向定滑輪，鋼絲繩通過(guò)滑輪對(duì)豎井內(nèi)設(shè)備進(jìn)行提升。為便于豎井內(nèi)布置，豎井施工開(kāi)始的20 m左右，采用人工擴(kuò)挖，擴(kuò)挖出的工作面作為場(chǎng)地布置的平臺(tái)，以便在井口布置鋼梁及大盤等設(shè)備。豎井施工平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 豎井施工平面布置

豎井施工平面布置主要包括擴(kuò)挖設(shè)備及作業(yè)平臺(tái)、安全防護(hù)設(shè)施、施工風(fēng)水電布置等作業(yè)內(nèi)容。由于豎井開(kāi)挖斷面小，施工設(shè)備采用YT- 28手風(fēng)鉆鉆孔爆破開(kāi)挖。開(kāi)挖時(shí)，井口進(jìn)行封閉，且在井內(nèi)布置工作大盤，工作大盤在距離開(kāi)挖作業(yè)面10 m范圍對(duì)開(kāi)挖作業(yè)人員進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)也可以在大盤上進(jìn)行必要的支護(hù)作業(yè)，形成立體交叉施工作業(yè)，加快施工進(jìn)度。主要施工設(shè)備及布置如下：

(1)封孔盤。導(dǎo)井施工完畢后，進(jìn)行擴(kuò)挖作業(yè)時(shí)，需對(duì)反井鉆機(jī)導(dǎo)井進(jìn)行封堵，保證豎井內(nèi)及豎井下方施工人員安全。封口盤在孔鉆裝藥連線之后(或爆破之前)由卷?yè)P(yáng)吊起，以防爆破時(shí)崩壞。利用小型卷?yè)P(yáng)提拉封孔盤至工作盤，并鎖定在工作盤的孔口位置，以起到爆破作業(yè)的防護(hù)作用。

(2)提升設(shè)備。在鋼梁上布置定滑輪，利用平洞段布置的卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)導(dǎo)向定滑輪將設(shè)備提起。提升工作盤橫梁采用2根Ⅰ128a工字鋼并排焊接，提升載人罐籠橫梁采用2根Ⅰ122a工字鋼并排焊接。卷?yè)P(yáng)機(jī)布置3臺(tái)，1臺(tái)10 t的作為工作盤提升使用，1臺(tái)3t的作為載人罐籠起吊設(shè)備，慢速卷?yè)P(yáng)(牽引速度9.9 m/min)；1臺(tái)3 t的作為載物起吊設(shè)備(牽引速度15 m/min)。工作盤選用φ30鋼絲繩(180 kg/mm2，型號(hào)為6×37)，載人罐籠卷?yè)P(yáng)選用φ24鋼絲繩(180 kg /mm2，型號(hào)為6×37)。載人罐籠卷?yè)P(yáng)配置排繩器。同時(shí)，為保證安全，額外配置手拉減速剎車，以在緊急時(shí)刻備用。

(3)工作大盤。骨架采用8號(hào)槽鋼制作，大盤中間留孔，用來(lái)保證人員和運(yùn)輸材料上下，大盤表面采用4 mm的花紋鋼板。在大盤盤體四周及大盤中間留孔的位置設(shè)置固定安全圍欄，安全圍欄底部設(shè)20 cm高的擋腳板。

(4)材料及人員運(yùn)輸。豎井開(kāi)挖開(kāi)始時(shí)的20 m的垂直運(yùn)輸采用人工牽繩的方法；工作大盤形成后，采用槽鋼焊接成的載物罐籠完成材料垂直運(yùn)輸。人員上下豎井開(kāi)挖開(kāi)始時(shí)的20 m使用爬梯(爬梯設(shè)置梯籠)。爬梯布置在井壁側(cè)；工作大盤形成后，采用GLS- 0.5型防墜罐籠完成人員上下任務(wù)。

(5)井口上方封井橫梁。為保證豎井內(nèi)施工安全，在井口位置布置型鋼鋼梁封閉井口。橫梁采用桁架上留出風(fēng)水管路進(jìn)入豎井內(nèi)的通道，并在鋼梁上鋪設(shè)鋼板封閉(留設(shè)罐籠吊物進(jìn)出通道)，孔口周圍設(shè)置防護(hù)欄，鋪設(shè)密目網(wǎng)，對(duì)井內(nèi)人員及設(shè)備起保護(hù)作用，并在相應(yīng)位置掛安全警示牌。同時(shí)，在井口周圍防護(hù)欄底腳設(shè)20 cm的高擋腳板。

(6)固定攝像頭。在上豎井的井口、井壁上安裝固定攝像頭，用于豎井材料運(yùn)輸和施工人員上下的安全監(jiān)控。攝像頭沿豎井壁周圍布置，每50 m布置1部攝像頭。在距離爆破工作面50 m范圍以上布置攝像頭。同時(shí)，在距離爆破工作面最近的攝像頭下方1 m處焊接2 mm厚鋼板防護(hù)板。

(7)超載限制器。安裝在豎井鋼桁架的定滑輪的支座上，用于限制井內(nèi)垂直運(yùn)輸材料和施工人員的工作盤及罐籠的荷載。如噸位超載，卷?yè)P(yáng)機(jī)將不工作，以確保安全運(yùn)輸。

(8)卷?yè)P(yáng)機(jī)安全制動(dòng)裝置。為保證施工安全，卷?yè)P(yáng)機(jī)選用慢速雙抱閘卷?yè)P(yáng)，并安裝手動(dòng)制動(dòng)裝置，確保發(fā)生意外情況時(shí)，卷?yè)P(yáng)機(jī)能及時(shí)制動(dòng)。

(9)載人罐籠防墜器。在載人罐籠連接鋼絲繩處安裝2個(gè)罐籠防墜器，在出現(xiàn)斷繩情況下，該裝置能有效制動(dòng)，以減少傷亡。GLS- 0.5型防墜罐籠和BF系列防墜器與載人罐籠為一整套集中采購(gòu)。

(10)限位器。在井口臨界接觸點(diǎn)及載人罐籠穩(wěn)繩與工作盤連接處設(shè)置相應(yīng)鋼絲繩的位置安裝限位器。當(dāng)工作盤或罐籠提升至指定位置時(shí)，觸發(fā)限位器裝置，卷?yè)P(yáng)機(jī)停止工作，確保設(shè)備不超過(guò)運(yùn)行上下臨界范圍。

(11)載人罐籠。采用GLS- 0.5型防墜罐籠，該罐籠采用滾動(dòng)楔形防墜器作為斷繩安全保護(hù)裝置，以鋼絲繩為柔性罐道的單層方形提升罐籠，最大終端荷載2 600 kg，最大運(yùn)行速度可達(dá)2.5 m/s(施工時(shí)運(yùn)行速度以卷?yè)P(yáng)為準(zhǔn))，承載人數(shù)可達(dá)8人，最大斷面尺寸為1 450 mm×1 240 mm×3 100 mm，罐籠自重1 000 kg。

4 施工技術(shù)

4.1 施工重點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)豎井長(zhǎng)，斷面較小，施工方案的選擇是本工程的重點(diǎn)。

(2)引水豎井巖石為硬巖，施鉆較長(zhǎng)，豎井存在f176、f116小斷層帶，1個(gè)F140大斷層帶，反井鉆機(jī)在施工中的偏斜率控制很難，易卡鉆。斷層帶與豎井斜交，施工時(shí)易造成坍塌。

(3)反井鉆機(jī)施工形成φ1 400的導(dǎo)井，正井?dāng)U挖時(shí)溜渣容易堵井，且處理困難。

(4)豎井開(kāi)挖施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

4.2 引水豎井開(kāi)挖

采用BMC400型反井鉆機(jī)進(jìn)行φ1400的導(dǎo)井開(kāi)挖，精度控制在1%以內(nèi)(各方向)。先自上而下鉆導(dǎo)孔270 mm，再自下而上擴(kuò)鉆φ1400導(dǎo)井；導(dǎo)井形成后，再采用鉆爆法自上而下分層全斷面擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)尺寸。擴(kuò)挖施工利用導(dǎo)井溜渣和通風(fēng)，采用手風(fēng)鉆造孔，裝藥爆破開(kāi)挖。爆破后，除了部分石渣由導(dǎo)井溜至井底外，其余均采用人工扒渣，在豎井下部采用3 m3裝載機(jī)和15 t自卸汽車出渣。擴(kuò)挖后，系統(tǒng)支護(hù)施工及時(shí)進(jìn)行，支護(hù)滯后開(kāi)挖1～2個(gè)循環(huán)。錨桿采用YT- 28手風(fēng)鉆鉆孔，擠壓式注漿泵注漿，人工插桿，最后進(jìn)行噴混凝土施工作業(yè)。鋼筋網(wǎng)在加工廠加工成片，現(xiàn)場(chǎng)人工拼接、安裝。豎井開(kāi)挖支護(hù)施工流程見(jiàn)圖2。

圖2 豎井開(kāi)挖支護(hù)施工流程

4.3 施工作業(yè)流程

(1)測(cè)量放線。采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，給定豎井中心點(diǎn)。鉆孔前，用鋼絲做垂線下至工作面后，用鋼尺、紅油漆進(jìn)行測(cè)量畫(huà)線；定期對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核，確保測(cè)量工序質(zhì)量。

(2)鉆孔作業(yè)。選派熟練的鉆工，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔作業(yè)。各鉆工分區(qū)、分部定位施鉆，實(shí)行嚴(yán)格的鉆工作業(yè)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)責(zé)任制。每排炮按爆破圖的要求進(jìn)行檢查。周邊孔偏差不得大于5 cm，主爆孔不得大于10 cm。

(3)裝藥爆破。按鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)認(rèn)真進(jìn)行作業(yè)。裝藥完成后，分區(qū)、分片檢查，聯(lián)結(jié)爆破網(wǎng)絡(luò)，撤退工作設(shè)備、材料至安全區(qū)域后進(jìn)行引爆。

(4)通風(fēng)散煙。在上豎井上彎段處，采用壓入式供風(fēng)散煙。

(5)安全處理。安全員、班長(zhǎng)、放炮員、電工一同下井檢查有無(wú)瞎炮、啞炮，電工檢查用電設(shè)備及線路有無(wú)損壞，安全員和班長(zhǎng)對(duì)井壁危石進(jìn)行處理，出渣后再次進(jìn)行安全檢查及支護(hù)，為下一循環(huán)鉆孔作業(yè)做好準(zhǔn)備。

4.4 開(kāi)挖施工準(zhǔn)備工作

在引水隧洞上平段、中平段施工完成后，對(duì)上豎井中心線周邊范圍的上彎段頂拱和下彎段底拱進(jìn)行擴(kuò)挖。上彎段頂拱擴(kuò)挖高度應(yīng)滿足反井鉆機(jī)安裝及操作空間，擴(kuò)挖寬度按4 m考慮。為便于豎井?dāng)U挖出渣，對(duì)下彎段底拱進(jìn)行局部擴(kuò)挖形成集渣場(chǎng)，集渣場(chǎng)沿導(dǎo)井邊線向下擴(kuò)挖以便溜渣，底板按8%的坡度擴(kuò)挖，擴(kuò)挖寬度按4 m考慮。

4.5 導(dǎo)井鉆孔

采用BMC400型反井鉆機(jī)先鉆設(shè)φ270的導(dǎo)孔。導(dǎo)孔貫通后，在豎井下部安裝φ1 400擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行導(dǎo)井鉆設(shè)。采用3 m3側(cè)卸裝載機(jī)和15 t自卸車在底部出渣。

反井鉆機(jī)安裝、調(diào)試完成后，即可開(kāi)始鉆進(jìn)φ270的導(dǎo)向孔。開(kāi)孔時(shí)，采用短鉆桿、低軸壓、低鉆速和間斷推進(jìn)的方式，并用扶桿器扶住鉆桿。開(kāi)孔前，首先將鉆機(jī)鉆頭鉆桿定位，對(duì)準(zhǔn)豎井中心并與底板成90°；短鉆桿鉆入后，首先接穩(wěn)定器(起導(dǎo)向作用)，穩(wěn)定器完全進(jìn)入導(dǎo)孔后，才能逐漸將軸壓和轉(zhuǎn)速增加到正常值，并改用連續(xù)推進(jìn)；距第1個(gè)穩(wěn)定器7～8 m時(shí)接入第2個(gè)穩(wěn)定器(仍起導(dǎo)向作用)，以后每隔15～20 m裝1個(gè)穩(wěn)定器(主要起穩(wěn)定作用)；遇到斷層、裂隙產(chǎn)生振動(dòng)或卡鉆時(shí)，要減緩鉆進(jìn)壓力，也可采用間斷推進(jìn)；隨著鉆孔深度的增加，換鉆桿前的沖洗排渣時(shí)間要逐漸增加，保證將孔內(nèi)的巖渣排凈再換鉆桿，避免在換鉆桿過(guò)程中造成返渣埋鉆事故。

導(dǎo)向孔鉆通后，在連接洞的底板上，用液壓卸桿器拆下牙輪鉆頭，旋接鉆桿與擴(kuò)刀頭之間的連接螺紋，接上φ1400擴(kuò)孔刀頭，將回轉(zhuǎn)變速機(jī)構(gòu)調(diào)至用于擴(kuò)孔的低速檔，將擴(kuò)孔刀頭提至欲擴(kuò)巖面。

4.6 豎井?dāng)U挖

豎井段擴(kuò)挖自上而下進(jìn)行，采用YT- 28手風(fēng)鉆造垂直孔，逐層擴(kuò)挖。豎井?dāng)U挖排渣作業(yè)面極易造成堵孔，在施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制爆破參數(shù)。造孔爆破以“多打孔、少裝藥、周邊光爆”為原則，中間段擴(kuò)挖主爆孔間距在0.5 m以內(nèi)，排距0.65～0.7 m；周邊光爆孔孔距0.35～0.40 m，排距0.6 m。爆破孔梅花形布置，周邊采用光面爆破，線裝藥量150～200 g/m；崩落孔采用松動(dòng)爆破。分層有效開(kāi)挖高度控制在1.5 m以內(nèi)。崩落孔及周邊光爆孔具體裝藥量需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)確定并優(yōu)化。裝藥由專業(yè)爆破人員進(jìn)行。

4.7 開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)時(shí)間

引水豎井開(kāi)挖采用反井鉆機(jī)進(jìn)行導(dǎo)井開(kāi)挖，擴(kuò)挖均采用手風(fēng)鉆進(jìn)行，擴(kuò)挖循環(huán)進(jìn)尺按照1.2 m考慮，月進(jìn)尺達(dá)60m(包括支護(hù)施工)。根據(jù)反井鉆機(jī)的工作能力，導(dǎo)井導(dǎo)向孔掘進(jìn)速度按4 m/8 h、擴(kuò)孔速度按照2 m/8 h計(jì)算，引水豎井反井鉆機(jī)導(dǎo)孔、導(dǎo)井預(yù)計(jì)施工時(shí)間共3個(gè)月。引水豎井?dāng)U挖作業(yè)主要工序分為測(cè)量放線、鉆孔、裝藥連線、起爆排煙、人工扒渣和圍巖支護(hù)等，各個(gè)工序占用時(shí)間分別為1.0、4.0、1.0、2.0、4.0 h和6.0 h。其中，支護(hù)工作為2個(gè)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)行1次。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)工程安全、質(zhì)量的日益重視，水利施工的科技含量將越來(lái)越高。豎井這種高風(fēng)險(xiǎn)的施工作業(yè)項(xiàng)目，在今后的施工中將不再局限于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單粗暴的施工方法。隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，如何將現(xiàn)代化科技手段運(yùn)用在常規(guī)豎井施工中，將成為今后施工科研的新課題。本工程融入了防墜罐籠、防墜器、視頻監(jiān)控設(shè)備等現(xiàn)代科技，是豎井施工現(xiàn)代化的新的嘗試。

[1]GB 6067. 1—2010 起重機(jī)械安全規(guī)程[S].

[2]DL/T 5370—2007 水電水利工程施工通用安全技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]DL/T 5407—2009 水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范[S]．

[4]SL 378—2007 水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范[S]．

(責(zé)任編輯 楊 健)

Construction Technology of Water Diversion Shaft Excavation in Hongping Pumped-storage Power Station

LIU Xugang, YANG Xiaohui

(Sinohydro Bureau 6 Co., Ltd., Shenyang 110000, Liaoning, China)

Each diversion tunnel in Hongping Pumped-storage Power Station consists of two shafts. The height differences of upper shaft and lower shaft are 277 m and 295 m respectively. The safety and quality control in the process of shaft excavation are difficult as poor construction conditions. From the aspects of shaft construction scheme selection, construction layout and construction technology, the actual excavation of shafts are introduced. The application of anti-dropping cage, parachute system and video monitoring ensure the safety of shaft excavation．

water diversion shaft; excavation; construction technology; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 07

劉旭剛(1988—)，男，陜西西安人，助理工程師，主要從事水電建設(shè)技術(shù)管理工作．

TV523(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0048- 04