郭朝輝，王薛鋼

（浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州311122）

1 概 述

山東沂蒙抽水蓄能電站工程總裝機(jī)容量為1200MW，地下廠房內(nèi)安裝4臺單機(jī)容量為300MW 的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組。引水高壓管道采用一管兩機(jī)布置方式，兩條高壓主管平行布置，洞軸線間距為47m，立面上采用單豎井布置，豎井開挖斷面為圓形，直徑為7.6 m，井筒為鋼襯結(jié)構(gòu)，鋼襯外圍回填混凝土厚度為0.6 m，內(nèi)凈尺寸為6.2 m。1號高壓管道引水豎井頂部中心高程為 EL497.89 m、井底中心高程為 EL118 m，高差為379.89 m；2號高壓管道引水豎井頂部中心高程為 EL498.07 m、井底中心高程為 EL118 m，高差為380.07 m。

沂蒙抽水蓄能電站工程區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺魯西斷隆的北緣，主要發(fā)育北東向郯廬斷裂帶及北西向魯西斷裂帶，近場區(qū)發(fā)育兩條活動斷裂，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，多為微風(fēng)化～新鮮巖石，巖石強(qiáng)度高。

豎井段巖性為微風(fēng)化片麻狀閃長巖和花崗閃長巖，多為微風(fēng)化～新鮮巖石，巖石強(qiáng)度高，飽和極限抗壓強(qiáng)度為100 MPa～248 MPa。主要發(fā)育三組裂隙，均為陡傾角裂隙，在豎井邊墻宜形成不穩(wěn)定塊體，地下水埋深為51m。圍巖巖體多為塊～次塊狀結(jié)構(gòu)，以Ⅱ～Ⅲ 類圍巖為主，斷層及裂隙密集帶地段為 Ⅳ 類圍巖。兩條豎井受斷層切割，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，屬 Ⅳ 類圍巖。

2 原施工方案

在豎井中部，自廠房排風(fēng)平洞引接一條豎井施工支洞，斷面尺寸為5.5 m×5 m（寬×高），全長415.2 m，平均縱坡1%；將壓力管道豎井分為上、下兩段施工，上豎井深142.86 m，下豎井深237.3 m，豎井開挖出渣通道為施工支洞及引水系統(tǒng)下平段。

2.1 施工工序

豎井施工支洞石方洞挖及支護(hù)→上豎井段反井鉆機(jī)自上而下鉆設(shè)導(dǎo)孔→上豎井段反井鉆機(jī)自下而上反導(dǎo)井提拉→人工自上而下一次擴(kuò)挖及支護(hù)→下豎井段反井鉆機(jī)自上而下鉆設(shè)導(dǎo)孔→下豎井段反井鉆機(jī)自下而上反導(dǎo)井提拉→人工自上而下一次擴(kuò)挖及支護(hù)。

2.2 導(dǎo)孔鉆設(shè)

開挖導(dǎo)井時，采用 BMC400 型反井鉆機(jī)沿豎井中心線自上而下鉆設(shè)直徑為270mm 的導(dǎo)孔；豎井導(dǎo)孔形成后，在下彎段部位換擴(kuò)孔鉆頭，自下而上擴(kuò)挖為直徑2m 的導(dǎo)井，挖至反井鉆機(jī)混凝土基礎(chǔ)時結(jié)束。

2.3 豎井?dāng)U挖

反井鉆機(jī)鉆設(shè)導(dǎo)井形成后，采取鉆爆法對豎井自上而下全斷面擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面，光面爆破，采取 YT28 手風(fēng)鉆人工鉆設(shè)垂直孔，井外毫秒微差起爆。

3 方案優(yōu)化

原方案施工中，先從排風(fēng)平洞引接豎井施工支洞，作為豎井上部施工的出渣通道，而本工程排風(fēng)平洞工期因征地等原因已滯后，為此豎井的施工受到延誤。為保證工期，施工單位總結(jié)本項(xiàng)目利用 BMC400 型反井鉆機(jī)實(shí)施的引水事故閘門井、出線豎井、排風(fēng)豎井的成功經(jīng)驗(yàn)，提出取消施工支洞，采取380m 豎井一次鉆孔擴(kuò)挖的施工方案。

方案優(yōu)化后，采用反井鉆機(jī)進(jìn)行一次性鉆孔擴(kuò)挖，其主要施工工序：（1）高精度先導(dǎo)孔施工，TDX50 定向鉆機(jī)安裝調(diào)試，進(jìn)行定向井施工，鉆進(jìn)直徑為 Φ152 mm，鉆機(jī)在施工過程中隨時測斜糾偏；（2）定向井?dāng)U孔至Φ311 mm，導(dǎo)孔擴(kuò)大的過程也是鉆桿下放的過程；（3）拆除 TDX50 定向鉆機(jī)，安裝 BMC600 型反井鉆機(jī)；（4）在下平段換接擴(kuò)孔鉆頭；（5）2.4 m 擴(kuò)孔鉆進(jìn)和下口出渣；（6）拆除反井鉆機(jī)，設(shè)備撤場；（7）豎井?dāng)U挖，其方法與原方案一致。

在目前國內(nèi)已建工程中，秦嶺終南山公路隧道3號通風(fēng)豎井深度為390m，采用400型反井鉆機(jī)施工，導(dǎo)孔直徑27cm，導(dǎo)井直徑1.4 m，3 個月完成了導(dǎo)孔和導(dǎo)井開挖，施工偏斜率1.0%，控制良好，滿足設(shè)計(jì)要求。雖然秦嶺項(xiàng)目這一成功案例可以證明導(dǎo)井一次成井的施工方案是可行的，但是秦嶺項(xiàng)目圍巖主要為混合片麻巖，夾有少量片麻巖殘留體，巖體受構(gòu)造影響較大、易破碎，并且以塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，而本工程圍巖以新的花崗閃長巖和片麻狀閃長巖為主，屬于中高硬圍巖，考慮到擴(kuò)挖階段出渣要求，其導(dǎo)井直徑必須在2.0 m 以上，因而導(dǎo)井一次成井的施工方案在技術(shù)上是否可行仍有待商榷。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對整個豎井開挖產(chǎn)生最大影響的工序是導(dǎo)井施工，導(dǎo)井的孔斜控制是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，而設(shè)備的正確選擇和正確使用是保證質(zhì)量的前提。380 m 豎井導(dǎo)井一次成井在國內(nèi)抽水蓄能電站中尚屬首例，為了論證該方案的可行性，筆者結(jié)合工程實(shí)際，主要從設(shè)備選擇、工期、安全和投資等方面進(jìn)行深入分析。

3.1 設(shè)備選擇

中支洞取消后，一次鉆孔深度變大，為選擇適合本工程的反井鉆機(jī)，經(jīng)調(diào)研其他項(xiàng)目，目前較先進(jìn)的設(shè)備主要有澳大利亞特瑞特克生產(chǎn)的 TR-3000 反井鉆機(jī)、北京中煤礦山工程有限公司生產(chǎn)的 BMC400、BMC600 反井鉆機(jī)。各反井鉆機(jī)參數(shù)詳見表1。

本工程豎井段巖性為微風(fēng)化片麻狀閃長巖和花崗閃長巖，巖石較硬。經(jīng)對比上述設(shè)備參數(shù)，其均能滿足本工程需要；BMC600 為 BMC400 的升級版，且國內(nèi)生產(chǎn)的BMC600 鉆機(jī)價格優(yōu)于 TR-3000。經(jīng)進(jìn)一步了解，BMC600鉆機(jī)施工的最大反井直徑為5.3 m，最深為562m，最硬巖層抗壓強(qiáng)度為320MPa。BMC600 型反井鉆機(jī)能夠滿足本工程的需要，在確保不出現(xiàn)安全事故及質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下，綜合考慮鉆機(jī)參數(shù)及洗井液循環(huán)設(shè)備等，導(dǎo)井可按直徑2.4 m 進(jìn)行施工。

表1 反井鉆機(jī)參數(shù)對照表

為確保380m 高壓豎井導(dǎo)井一次成型孔斜滿足要求，引進(jìn) TDX-50 型定向鉆機(jī)，配合 WMD-76 無線隨鉆測斜儀進(jìn)行測斜定向，使用165mm 螺桿鉆具作為井下動力鉆具，全程采用定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)組合方式施工。

3.2 工期分析

原方案中，豎井開挖施工工期為16個月，但中支洞作為上豎井出渣的主要通道和下豎井開挖的平臺，由于受征地影響，造成整個工期延誤3個月。對于原方案的優(yōu)化，主要考慮底部下平洞出渣通道的形成，在下平段完成前1個月可提前進(jìn)行反井鉆機(jī)導(dǎo)井施工準(zhǔn)備。

在已建項(xiàng)目中，BMC600 反井鉆機(jī)的導(dǎo)孔鉆進(jìn)速度最高可達(dá)到16.3 m/d，導(dǎo)井反拉鉆進(jìn)速度為8.3 m/d，而定向鉆機(jī)鉆導(dǎo)孔鉆速度在12.5 m/d～14.6 m/d 之間，工效稍低于 BMC600 反井鉆機(jī)。按此進(jìn)度施工，再考慮到施工過程中的準(zhǔn)備時間、不可避免的中斷和休息時間等，導(dǎo)井施工需要153個工日。1號豎井導(dǎo)井施工完成后可移鉆機(jī)至2號豎井導(dǎo)井施工，1號豎井可同時進(jìn)行豎井?dāng)U挖，按此計(jì)劃，開挖兩條豎井共需要12個月。

綜上分析，按照豎井導(dǎo)井一次開挖成井的方案施工，不僅可以彌補(bǔ)因征地而延誤的3個月工期，還可以提前1個月完工。

假設(shè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號功率PS和目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送人工噪聲功率PnD不變，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送總功率在天線數(shù)變化時不變，也即NPR=PRT不變，每根天線發(fā)送人工噪聲的平均功率為PnR=βPR=βPRT/N，0≤β<1為人工噪聲功率分配比例，相應(yīng)，每根天線轉(zhuǎn)發(fā)信號的平均功率為(1-β)PR=(1-β)PRT/N.

3.3 安全分析

原方案和優(yōu)化后方案導(dǎo)井施工主要采用反井鉆機(jī)，若不考慮用電安全等常規(guī)安全因素，人員傷亡事故可不予評估。因此，導(dǎo)井施工的主要安全隱患是機(jī)械事故，如導(dǎo)孔過程中遇較破碎地層的埋鉆事故和遇水易泥化或膨脹地層的抱鉆事故等。通過優(yōu)化方案，配備大直徑的反井鉆桿，借用 BMC600 鉆機(jī)輸出較大的扭矩及推力，可有效降低埋鉆和抱鉆概率，從而減少了施工安全隱患。

導(dǎo)井施工完成后，兩種方案的豎井?dāng)U挖都采用 YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔并以自上而下一次擴(kuò)挖、人工裝藥爆破的方法進(jìn)行施工；人員和小型設(shè)備都是通過橋式起重機(jī)吊籠裝置上下豎井。兩種方案的安全風(fēng)險點(diǎn)一致，不同之處在于中支洞取消后，人員上下距離增大。由于優(yōu)化后方案的導(dǎo)井直徑為2.4 m，擴(kuò)挖工程量變小，減少了人員在井下工作的時間，從而間接地降低了人員的安全風(fēng)險。

3.4 投資分析

原方案主要采用 BMC400 鉆機(jī)進(jìn)行2m 導(dǎo)井施工，該設(shè)備在國內(nèi)應(yīng)用較多，技術(shù)成熟，在水電建筑定額預(yù)算中有相應(yīng)的人工、材料、機(jī)械耗量和臺時費(fèi)用等的定額參考。按照《水電建筑工程預(yù)算定額》（2004年版）計(jì)算定額，380 m 深豎井 φ2.0 m 導(dǎo)井費(fèi)用為0.54 萬元/m，合計(jì)約為407萬元；人工擴(kuò)挖的費(fèi)用約為340萬元。

優(yōu)化后的方案主要使用 TDX-50 定向鉆和 BMC600 反井鉆進(jìn)行導(dǎo)井施工，兩種設(shè)備均屬近年我國自主研發(fā)，沒有相關(guān)的定額參考。兩種設(shè)備原價共約2300萬元，考慮到施工方案的經(jīng)濟(jì)性，采取市場租用的方式施工，由該廠提供這兩種設(shè)備，并安排熟練施工人員進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)。經(jīng)與廠家洽談，380 m 深豎井 φ2.4 m 導(dǎo)井費(fèi)用為1.2 萬元/m，合計(jì)為967 萬元。由于導(dǎo)井變大，相應(yīng)的人工擴(kuò)挖工程量減少，按原擴(kuò)挖單價，費(fèi)用約為330萬元。

比較以上兩種方案的費(fèi)用可知，調(diào)整后，豎井一次開挖比原設(shè)計(jì)分段施工增加了約550萬元，但考慮到原方案415.2 m 中支洞的開挖支護(hù)費(fèi)用為410萬元，封堵費(fèi)用為200 萬元，優(yōu)化后的豎井施工方案減少了約60萬元。另外，取消中支洞，減少了施工作業(yè)面，施工管理成本也相應(yīng)降低。

4 結(jié) 語

高深豎井采用不同的施工方案，對整個施工過程的質(zhì)量、安全、進(jìn)度和造價均產(chǎn)生重要影響，因此在工程設(shè)計(jì)和施工前應(yīng)詳細(xì)做好方案比選和施工調(diào)查工作，選擇合適的施工方案，使工程在安全、質(zhì)量、進(jìn)度和造價方面達(dá)到平衡。本工程實(shí)施前，對380m 深豎井導(dǎo)井一次開挖成井方案進(jìn)行了可行性分析，最終制定出更加合理的施工方案。這對業(yè)主而言，不僅趕回了工期，還節(jié)省了投資；對施工單位而言，不僅節(jié)省了相應(yīng)的管理成本，還提高了施工業(yè)績。