巴贡水电站引水隧洞竖井开挖施工

丁勇

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都610081)

1 工程概述

巴贡水电站引水隧洞共8条，单洞长537.55～590.014m，共4503.684m。每条洞均由上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段、渐变段和钢衬段组成。洞间轴线距离21～25m，设计开挖洞径11.1～8.4m，洞间岩柱距离9.9～16.6m，具有洞室多、开挖洞径大、洞间距离小等特点。引水隧洞布置见图1。隧洞竖井开挖断面为圆形。除竖直段开挖外，还包括一部分上、下弯段开挖。竖井开挖高度为81.56(1号)～86.94m(8号)，高程130m以上开挖直径为9.9m，其下为10.1m。围岩为Ⅱ～Ⅲ类，主要为砂岩，其次是砂/页岩互层。

竖井开挖施工主要内容包括:

图1 巴贡水电站引水隧洞布置示意图

2 反井钻机施工位置选址和上弯段开挖方案

为方便施工，将竖井开挖的导井位置选择在竖井的中轴线上。巴贡水电站引水隧洞上下弯段均为85°，弯度大、坡度陡，竖井施工须包括部分上下弯段，反井钻机施工平台选址在上弯段。根据所选用的、由中国煤建公司生产的LM200型反井钻机外形尺寸和安装、操作空间，反井钻机的施工高度需4.5m，上弯段将会造成一定的技术性超挖。

如何减少上弯段技术超挖，快捷完成以进行反井钻机导井施工，在综合考虑隧洞弯段施工主要选用的施工设备的回转半径、动臂长度、高度、爬坡能力等参数和施工钢平台高度后，在上平段下台阶均不开挖的条件下，主要有两种施工方案可供选择:

方案一:在开挖至隧洞上弯段后，下台阶降坡30%，弯段顶部适度扩挖，见图2中虚线部分。

图2 引水隧洞上弯段及竖井导井开挖示意图

方案二:在上台阶开挖至距离弯段起始线15 m时，以26%的坡度进行底板降坡开挖，至上弯段起始线后38m与竖井中轴线交叉的位置，平直开挖一个长×宽×高为7.69m×4m×4.5m的、供反井钻机施工用的孔洞，见图2上部直线部分。

巴贡水电站引水隧洞在8号隧洞上弯段开挖施工选用的是方案一，后加以改进选用了方案二。方案二除在上弯段和反井钻机施工洞的开挖工期稍长外，对后期竖井施工便捷，超挖量小，效益高。实施过程中，又在方案二的基础上，综合比较了上平段的下台阶开挖与否对竖井开挖的影响。上平段距离短，开挖工期短，则开挖下台阶后，竖井施工空间更大、坡度小，更利于发挥反铲等施工设备在整个弯段施工中的效率并便于后期辅助系统的施工，超挖更小。若上平段较长，则从上平段中间某段开挖下台阶，留一长缓的坡度，在上弯段创造足够大的空间以利于后期竖井施工。

表1 方案一与方案二比较表

3 反井钻机施工导井

巴贡水电站引水隧洞竖井导井施工选用的设备是由中煤矿山工程有限公司生产的LM－200型反井钻机。在上弯段反井钻机施工洞形成后，安装钻机进行导井施工。

3.1 LM－200型反井钻机

该机包括主机、操作车、泵站、钻具、泥浆循环系统和冷却系统。泵站由两台电机驱动，主油泵75kW，辅油泵7.5kW，导孔钻进循环用泥浆泵为90kW，冷却系统循环量为为10～15m3/h。该机设计最大钻井深度200m(已改进至最大钻进深度316m)，工程钻井直径1.4～2m。

巴贡水电站隧洞采用的LM－200型反井钻机的主要技术参数见表2。

表2 反井钻机主要技术参数表

3.2 反井钻机施工导井工艺

反井钻机是连续钻进导井的机械设备，其施工工艺是将反井钻机安装在上部已浇筑好的混凝土基础上，由上向下钻进导向孔，导孔和下部隧洞贯通后，拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔成直径为1.4m的导井。导孔钻进时破碎下来的岩屑由循环液带出至井口，扩孔时破碎下来的岩屑落到下弯段工作面(图3)。主要施工程序:

(1)反井钻机工作平台开挖(施工洞)。

(2)浇筑C25混凝土基础，预留地脚螺栓孔的位置。

(3)反井钻机安装。

(4)浇筑钻机地脚螺栓二期混凝土。

(5)系统调试运行。

(6)φ216中导孔钻进(断层破碎带处理)。

图3 LM－200型反井钻机及施工示意图

(7)拆导孔钻头，安装φ1400扩孔钻头。

(8)扩孔钻进和下弯段出渣。

3.3 反井钻机施工的主要注意事项

(1)采用防斜措施，控制导孔偏斜率:选择适宜的钻进参数(根据岩石情况和钻进距离实时调整钻压、钻速等);增设稳定钻杆;泥浆参数控制;测量测斜控制导孔偏斜率。中导孔是反井钻机施工的关键，关系到整个钻井工作的成败。

(2)断层破碎带处理:在导孔钻进过程中，应对断层进行处理。根据钻进过程观察，到断层时，加大循环量，在将断层中泥质部分冲洗干净后，提钻进行灌浆处理:采用水灰比为2∶1的浆液开灌，逐级增大浆液浓度，至0.5∶1结束灌浆;然后重新钻进导孔。当通过全部断层和其影响带后，再将钻具提出，用水灰比为1∶1的浆液进行全孔灌浆，以增强地层稳定性和封堵部分地层涌水，最后继续钻进贯通。

反井钻机因其施工安全、工作效率高、工程质量好、操作简单、工人劳动强度低、综合效益显著等特点已广泛运用于隧洞竖井施工。巴贡水电站引水隧洞在岩石坚硬(灰砂岩，硬度250MPa)、砂页岩互层、断层破碎带较多的条件下施工导井，8条竖井平均导孔钻速为0.66m/h，平均扩孔速度为0.28m/h，导井平均偏斜率为0.27%。

4 导井扩挖

巴贡水电站引水隧洞竖井开挖直径为9.9 m/10.1m，导井直径为1.4m。在第一条4#竖井的上弯段扩挖过程中，曾发生两次堵塞导井现象。仔细检查和研究了堵井原因并非炮孔孔距大造成大石堵塞，主要是因为在全断面漏斗型扩挖施工中爆破后大量石渣同时溜下导井，由于导井不够大，石渣拥挤在一起而造成堵井。若竖井扩挖断面采用平直或小倾角钻爆扩挖方式，则扒渣量大且危险。综合评定后，采用了扩大导井的解决方案(图4)。

图4 竖井导井自下而上扩挖钻爆示意图

反井钻机施工完成的导井井壁平整，自下而上钻爆扩挖比较安全;炮渣直接落至下弯段，不需扒渣和支护。为此，特制了导井扩挖施工吊篮，将用天锚、卷扬机组成的提升系统放进φ1.4m的导井施工。

爆破孔沿圆心成放射状布设，水平向下倾角为17°，孔径选用42mm;根据围岩条件每排(圈)布炮孔8～10个，上下排距0.8～1m。钻孔先短钻杆开孔，后逐步换长钻杆(后期改进了此法，采用特制的连接套筒接长)钻进孔深120～160cm;钻完炮孔后，采用非电毫秒雷管配装φ32卷装乳化炸药入炮孔，采用非电毫秒雷管孔内孔外微差顺序起爆技术，排间自下至上用非电雷管微差连接8排，用导爆索引至导井口爆破。如此将φ1.4 m导井扩成φ3.4～4m。

在φ1.4m的狭小空间内，起爆网络容易被爆破冲击波振动破坏，造成盲炮。因此，采用炮孔内放高段位雷管、孔外排间连接低段位雷管，待孔外起爆网络传爆完毕，第一排炮孔才起爆。

巴贡水电站引水隧洞扩挖一条85m高的竖井导井需5～6d。竖井中间的导井扩挖至φ3.4～4m后，再采用35%坡度漏斗型全断面扩挖竖井至设计断面，这样实施具有以下特点:

(1)导井较大，避免了岩石堵井。

(2)导井较大，增大了爆破的临空面，炮孔爆破率可提高到95%。

(3)导井较大，根据围岩情况，炮孔间排距适当扩大，孔数减少，爆破进尺提高到2.7m或3.7 m/排(原设计为2m/排)。

(4)爆破后大部分爆渣通过导井下溜至下弯段，人工扒渣时间减至3h(导井扩挖前，同样人工的扒渣时间为10h左右)。

显著缩短了全断面扩挖的单循环时间，抢回了扩挖导井损失的工期，实际上还缩短了单条竖井开挖总工期，降低了单条竖井的火工材料耗量。

5 竖井全断面扩挖

竖井的导井扩挖完成后，即进行全断面扩挖，中间穿插竖井平台、井盖、钢梯、休息平台、风水电和喷护管线的安装/延伸等辅助系统的施工。竖井全断面扩挖施工单循环的主要工序包括:测量、钻爆、扒渣、支护(图5)。

(1)测量。在上下弯段的扩挖过程中，需用全站仪测放开挖线并检查超欠挖情况;进入竖直段，断面半径已知，只需定出中轴线，再在中轴线上吊铅垂线。

(2)钻爆。在测量放出开挖线后进行钻爆施工。钻爆工器具通过井盖(工具篮)先放下至施工面盖住导井，施工人员通过钢梯到工作面。巴贡水电站竖井开挖采用漏斗型开挖方法，即沿竖井的周边向圆心倾斜35%，以利于爆破后炮渣自行下漏入导井。根据围岩状况确定每排炮进尺(3m/4m钻杆)，手风钻凿孔，装φ25、φ32的卷装乳化炸药，10g/m的导爆索孔内起爆，排间从内到外连接非电雷管进行微差爆破。

(3)扒渣。炮烟散尽后，放下井盖，扒渣人员通过钢梯，配好安全防护用品后进入工作面扒渣。施工面较倾斜，大部分渣已经通过导井溜至下弯段，人工扒渣量不大。

图5 竖井全断面扩挖示意图

(4)支护。支护是保障竖井安全施工的关键，支护过程中竖井下弯段同时进行出渣工作。巴贡水电站隧洞竖井整体围岩较好，部分洞段岩石较破碎，每排炮后根据围岩状况选择锚喷(锚杆+素喷混凝土)或挂网喷护(锚杆+网片+喷混凝土)。支护工序占单循环开挖时间较长，锚杆凿孔穿插在钻爆过程中完成，灌注锚杆和挂网工序在扒渣工作中进行，加强支护工序的搭接以缩短单循环时间。

6 结语

巴贡水电站引水隧洞竖井的开挖，反井钻机钻导井时间平均为18d/条，一次全断面扩挖导井为5.5d/条，二次全断面扩挖为35d/条，单条竖井施工时间为60d左右。8条竖井施工质量控制较好，无一生产安全事故发生。实践证明，该施工方法是成功的，获得了良好的经济效益。