长河坝水电站泄洪放空系统补气竖井开挖施工

赵伟+++梅强

摘 要：以长河坝水电站泄洪放空系统7条补气竖井为例，根据不同的开挖高度采取针对性开挖方案，对于70余米的补气竖井采取反井辅人工扩挖，降低了施工难度，提高了施工进度；对于20米左右的补气竖井利用反井钻将导井施工完成后，采用全断面一次开挖、快速成井；同时在施工过程中积极做好竖井安全措施，安全顺利完成竖井施工，值得类似工程借鉴。

关键词：泄洪放空系统；补气竖井；导井；正扩法；反扩法；爆破

1 概述

长河坝水电站是大渡河干流水电规划调整后的第10个梯级电站，位于甘孜州康定县境内。泄洪放空系统由三条泄洪洞和一条放空洞组成，均布置于右岸山体内，从左至右依次为1#泄洪洞、2#泄洪洞、3#泄洪洞和放空洞，泄放系统补气竖井共7条，圆形断面，开挖直径D=7.0m，初期支护均采用Φ25 L=4.5m砂浆锚杆、φ6.5钢筋网及C25喷射混凝土。补气竖井具体参数见表1，主要工程量：石方井挖13155.5m3；φ25 L=4.5m砂浆锚杆2708根；C25喷射砼905.05 m3。

表1 泄洪放空系统补气竖井参数表

泄洪放空系统补气竖井岩性为一套晋宁期-澄江期的侵入岩，其岩性以石英闪长岩（δ02（3））、花岗岩（γ2（4））为主，局部侵入少量细晶花岗岩脉（γl）。根据前期地质勘察及施工期开挖揭示，泄洪放空洞系统区无较大的区域断裂通过，根据统计补气竖井主要发育的裂隙如下表，局部发育小断层小挤压破碎带，围岩总体以Ⅲ类为主，局部Ⅳ类。

2 施工方案及施工程序

大断面、深竖井开挖目前采用比较常规且广泛的是“反井钻机施工导井+人工扩挖”的施工方案。长河坝1#泄洪洞2#补气竖井（H=52.57m）、2#泄洪洞2#补气竖井（H=78.71m）、3#泄洪洞2#补气竖井（H=75.55m）及放空洞补气竖井（H=75.77m），经过综合安全、进度、经济性分析后均采用LM-200型反井钻机先施工直径为1.4m导井，后人工扩挖至为3.4m溜渣井，然后正井扩挖至7米，渣料通过溜渣井溜渣至泄洪洞、放空洞主洞上层，利用主洞进行出渣，支护紧跟扩挖掌子面。

1#泄洪洞1#补气竖井（H=22.64m）、2#泄洪洞1#补气竖井（H=18.40m）及3#泄洪洞1#补气竖井（H=18.15m）由于井浅，考虑安全及进度因素利用反井钻将竖井在导井施工完成后，采用全断面一次开挖、快速成井。[1]

2.1 导井施工

经过安全和经济比较，竖井导井采用LM200反井钻进行导孔和扩孔施工，有效解决导井施工的安全问题，同时7条竖井依次施工有利反井钻集中流水作业。

导井施工程序：施工准备→测量放样→反井钻机基础及辅助设施施工→反井钻机组装、调试运转→φ216mm导孔施工→扩孔施工（D=1.4m导井）→反井钻机及辅助设施拆运。

（1）辅助设施施工：包括反井钻机冷却系统设施施工，主要由水池、TBW850/50泥浆泵及回水槽组成。

（2）反井钻机基础施工，基础采用C20砼基础，基础尺寸为3.0m×3.0m×1.0m（长×宽×高），并预留钻机地脚螺栓孔。

（3）反井钻机组装及二期地脚螺栓砼施工，1#补气平硐、1#连接平硐及2#连接平硐10.1m×8.05m（宽×高），2#补气平硐为7.1m×6.05m（宽×高），满足反井钻机施工要求。反井钻机各部件采用20t载重汽车运至施工现场，并采用WA470装载机配合CAT323反铲进行钻机组装，组装完成检查无误后浇筑二期地脚螺栓砼。

（4）导孔施工。钻机一期砼基础及二期地脚螺栓砼强度达到要求后进行竖井导孔施工。导孔直径为216mm，导孔钻进的过程，加强钻进过程、返出的岩屑情况的观测同时根据以往的施工经验，对地层有初步定性分析和了解，为φ1.4m扩孔钻进、孔壁维护以及最后扩挖施工提供参考。在反井钻导孔施工中，钻孔偏斜率不大于1%，采用重庆地质仪表厂生产的JQX-2数字化测斜仪检测，作为纠偏的参考依据。

（5）扩孔施工。φ216mm导孔施工完成后，进行扩孔施工。开始扩孔时，下边安排专人进行观察，注意安全，在扩孔钻进过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可减少钻压。扩孔过程中，及时出渣，并做好下口的安全防护。当钻进至距竖井上口2.5m时，降低钻压，缓慢钻进，直至钻至上口面。

（6）反井钻机拆运。扩孔完成后，将钻架主机及操作台、油泵车等辅助设备拆装，并运至下一竖井施工现场。

反井钻施工方法及反井钻机布置见图2。

图2 反井钻施工方法及反井钻机布置

长河坝泄洪放空系统的补气竖井导井施工中导孔平均进尺为10～15m/d，反拉扩孔平均日进尺为5～8m/d，经过6个多月工期安全、快捷完成了全部竖井导井的施工。同时本工程竖井位于泄洪洞洞身长度方向的1/3和2/3处，补气竖井导井提前贯穿，对泄洪洞放空洞洞身开挖通风有较大的改善，改善了洞内的作业条件，提高了施工功效。

2.2 人工扩挖施工

针对4条深竖井，其人工扩挖有三种方案，即正扩一次成型，正扩两次成型，反扩法与正扩结合的方案，现将各扩挖施工方案的实际应用情况进行介绍。[1]

（1）正扩一次成型：在放空洞竖井（BS41）前期提升系统没形成时，先正向（自上而下）全断面自上而下一次性扩挖，采用YT28手风钻钻孔，光面爆破，炸药单耗1.2～1.4kg/m3，循环进尺为1.8～2.0米。

为防止堵井采取了合理布置爆孔密度，控制爆破后的石渣块度不大于井径的1/3，加大雷管的起爆间隔时间等一些有效措施。在开挖上部15米井深过程中也在竖井上部出现两次轻微堵井，经过分析主要是竖井段地质条件差，裂隙节理较多，爆破后片状、块状石渣多，在溜渣导井断面较小（D=1.4m）、一次性扩挖时爆破渣量较大，造成轻微堵井，采取了爆破振动法进行处理，但是处理过程不安全因素较为突出。endprint

（2）正扩两次成型：在满足提升系统（门架）安装条件后，竖井15米井深以下经过研究调整为正扩两次成井的方案：先由D=1.4m导井扩挖至D=3.4m，遇到围岩较差，适时做一些临时支护；再采用正井法D=3.4m扩挖至D=7.0m设计断面，系统支护紧跟第二次扩挖进行，利用掌子面作为支护平台进行支护施工。

相关的爆破参数如下：扩挖采用YT28手风钻进行钻孔，钻孔深度3.0米，孔径42mm，周边光爆孔间距不大于50cm，崩落孔间排距60cm内，一次扩挖2圈，爆破单耗在1.2～1.3kg/m3，二次扩挖布置3圈，非电雷管起爆、排间延时；爆破单耗在0.9～1.0kg/m3。[2]

施工时做好上下口、人行直梯等防护内容。

提升系统采用龙门架，龙门架采用I20b工字钢焊接加工制作。提升系统按“卷扬机牵引，承重横梁支撑，载人载物吊篮分开”的原则进行设计；竖井扩挖垂直提升系统布置见图3：

图3 补气竖井施工卷扬机提升系统

（3）反扩法与正扩结合：在1～3#泄洪洞下游的三条2#竖井，结合大岗山、溪洛渡电站竖井施工的经验，采用反扩法进行施工，施工程序为：导井施工→提升系统安装→反向扩井施工→正向成井施工。

反向扩井施工从井底向井口在直径1.4米的导井内，采用10T卷扬机械提升系统提升高4米的两层（每层高2米，直径1.2米）圆形吊笼，每层吊笼内配置1人1台手风钻进行造孔及装药爆破施工，为减少井下钻爆工序交替，反向扩井采用集中造孔，分次爆破的方法进行，竖井反向扩挖施工方法见图4。

在反向扩井完成后，换上正扩的大吊篮，按正扩的施工工艺流程，钻孔孔深3.5m，周边光面爆破孔钻孔间距不大于50cm，崩落孔间排距离60～80cm，光爆孔线装药150～180g/m，中间爆破孔装药单耗为1.1～1.2kg/m3，爆破网络采用非电毫秒雷管分段微差起爆，爆破后人工扒渣，井底出渣[2]。爆破完后及时进行系统支护，然后进入下一循环。在长河坝泄洪放空系统由于竖井井深在80米内，先反扩再正扩法在进度上优势不明显，但是导井施工时可以减少扒渣量，节省人工，有较好的经济效益。

2.3 全断面一次爆破成井施工

1#泄洪洞1#补气竖井（BS11、H=22.64m）、2#泄洪洞1#补气竖井（BS21、H=18.40m）及3#泄洪洞1#补气竖井（BS31、H=18.15m），由于井浅，采用全断面开挖、一次支护的施工方法。

（1） 施工方法

全断面开挖采用自下而上分段进行开挖，在竖井中心钻设利用反井钻先形成Φ1400mm中孔作为爆破自由面，周边光爆孔及主爆孔均采用QZJ100B型潜孔钻机进行钻孔。爆破后石渣溜至泄洪洞、放空洞主洞内，采用WA380装载机配20t自卸汽车出渣。竖井初期支护待竖井开挖完成后，利用堆渣平台进行。

全断面开挖炮孔上下端均设置堵塞，炮孔下端采用木塞、碎石及炮泥进行堵塞，炮孔上部采用粗砂进行堵塞。炮孔下端木塞采用铅丝吊挂，以避免堵塞物掉落，炮孔上部粗砂待装药完成后灌注。

（2） 爆破设计

泄洪放空系统补气竖井全断面开挖预裂孔径φ70，孔距65cm，抵抗线90cm，线装药线装药360g/m；主爆孔孔径φ70，间排距为1.0～1.2抵抗线100cm，孔内采用分段连续装药，爆破单耗1.6～1.7kg/m3，爆破总钻孔82个，平均2.22孔/m2。为防止爆破石渣堵塞导井，要求第一圈孔外延时依次逐孔起爆。具体开挖炮孔布置及爆孔装药结构见图5。

图5 全断面一次开挖炮孔布置及爆孔装药结构图

3 施工安全措施

竖井的施工安全问题突出，本工程针对几个重要的隐患项目采取了针对性的安全措施，主要包括竖井的上下口、卷扬提升系统、竖井的爆破安全防护措施。

3.1 竖井上下口安全防护及井下施工安全防范措施

在竖井上口距开挖边线30cm及栈桥临空侧设置1.5m高安全护栏以防止井口及栈桥上施工人员跌落井下。

补气竖井施工时泄洪洞正进行上半洞施工，存在立体交叉施工，下口采用立式防护隔离棚，与泄洪洞轴线平行设置，距泄洪洞轴线2m，保证了下部洞室的有序施工。

图6 补气竖井上下口防护布置图

3.2 卷扬提升系统安全措施

补气竖井卷扬机提升系统由10t卷扬机、钢丝绳、天锚、滑轮组、施工吊物篮以及安全限位制动装置等组成，主要是在人工扩挖、支护施工时提升施工材料、机具等。

（1）在提升系统运行前必须严格检查整个提升系统各组件的性能及强度，包括卷扬机的牵引力是否满足提升中的动态荷载要求，卷扬机制动是否灵活，机体固定是否牢固，电气线路，离合器、保险棘轮、导向滑轮、钢丝绳、索具和各紧固件等是否全部合格，钢丝绳是否具有足够的强度及无损伤等。滚筒与钢丝绳、钢丝绳与吊物篮的连接是否牢固，钢丝绳的绳套必须用铁环套加固等等。这些环节在施工中必须进行定期检查，发现问题及时处理。

（2）在栈桥l.5m以上位置安装限位器，并在卷扬机旁设回刀开关，以备卷扬机失控时，直接关闭电源。

（3）每次吊装重物时必须选取进行低距试吊，检查刹车效能有无过紧或过松现象，如有，必须及时调整刹车杠杆的弹簧螺母，并不允许起吊重物长时间停悬于空中。

（4）卷扬机提升系统要求每天进行安全检查、保养，特别是制动系统的完好性能检查。

（5）在井口安排专职安全员及信号员，并配备高频对讲机与井下联络、指挥卷扬机操作手操作，井下人员配备备用矿灯，卷扬系统和施工照明配置小型的柴油发电机作为应急备用电源。

3.3 竖井爆破施工安全措施

钻孔必须严格按照爆破设计钻孔，装药，装药由爆破员进行装药，装药过程严禁无关人员进入施工现场，爆破员持专用木制炮棍进行药卷装填，严禁使用其他金属棍棒，装药完成、检查合格后进行炮前警戒、通告、通知等工作，确认警戒、通告、通知无误后进行起爆爆破。endprint