浅谈甘肃黑河宝瓶水电站压力管道竖井开挖

马子俊

【摘要】压力管道竖井开挖采用反井钻机先导井、后分次爆破扩挖的方式施工，随着开挖掌子面下降对井壁进行系统锚杆、挂网喷砼等一次支护，快速、高效、安全开挖成功。

【关键词】竖井；反井钻机；先导孔；爆破扩挖；井壁支护

一、工程概况

张掖黑河宝瓶河水电站地处甘肃省肃南裕固族自治县和青海省祁连县之间的黑河的潘家河沟至夹道沟河段内。工程采用引水式开发方式，主要任务是发电，电站总装机容量为123MW，属中型三等工程，其主要建筑物级别为3级，工程所处区内山高坡陡，海拔高程均在2475m以上。坝址距下游发电厂房（左岸）8.0km。

引水发电洞进水口布置在坝体上游左岸的山坡上，为有压竖井式进水口，进口底板高程2491.00m，设计引用流量为98m3/s；进水口前布置有3孔直拉式拦污栅，单孔孔口尺寸为4.0m×10.0（宽×高），栅后接喇叭口段和闸室段。闸室段设置检修平板钢闸门1道，孔口尺寸为6.0m×6.0m（宽×高）。进口段总长19.5m，闸室后经15m长的渐变段与直径φ5.8m的引水隧洞洞身相接，主要由引水发电洞、调压井和压力管道等建筑物组成。全长约7500m，底板纵向坡降0.1%。

宝瓶水电站压力管道分下平洞段和竖井段，从桩号引纵7+114.47起至桩号引纵7+471.08止，在桩号7+114.47处设垂直段，即竖井段。竖井深H=120.11m（▽2369.0～▽2489.11），上下各接弧长23.56m弯管，转弯中心半径15m，与下弯管连接的下平洞长度356.61米，设计断面为圆形，开挖直径7m（不含一次支护）衬砌后设计内径D=5.8m，压力管道段全部为钢管衬砌。

根据地质资料压力管道岩性为蛇纹岩、石英砂岩，还含一段80余米的古河床凹槽段砂砾石；岩性软弱，裂隙构造发育，岩体破碎，地下水活跃，对管道成型和稳定不利。围岩为极不稳定的Ⅳ、Ⅴ类围岩，岩体完整性差。

二、压力管道竖井开挖程序及准备

程序：下平洞开挖 竖井开挖

首先进行下平洞的开挖施工，在下平洞开挖即将完成时着手准备竖井的开挖，由于地质条件差，在上下弯管开挖支护完成后，对井身采取固结灌浆加固井壁处理，固结灌浆完成后进行井身段的开挖支护，竖井开挖关键工序是先导孔的钻进，先导孔的钻进是反井钻施工成败的主要因素，先导孔钻进主要是控制孔斜率和坍孔。

三、压力管道竖井开挖方法

1、导井施工

竖井开挖采用先导井、后扩挖的方式施工。先开挖直径为1.4m的导井，再自上而下扩挖至设计断面。导井开挖采用LM-140反井钻机施工，即先自下而上通过二次扩孔开挖一直径为1.4m的导井，再自上而下扩挖至设计断面。

反井钻机施工工艺流程为：

井口基础浇筑 → 轨道铺设 → 钻机安装 → 钻机调试 → 开孔钻进 → 先导孔钻进Φ0.21m → Φ1.4m扩孔钻进。

①、井口基础浇筑

在上弯管平台上用全站仪测放出竖井中心，在进口位置浇筑反井钻机施工混凝土基础，该基础必须水平，而且具有足够的强度。若井口底板是破碎带，在井口附近应向下挖掘到稳定岩层，或采用一些特殊的措施。若底板是稳定的硬岩，可适当减少基础的面积和厚度。

②、轨道铺设

钢轨应平直、轨道应安装牢固，水平。由于钻机左右位置是靠轨道定位的，因此钢轨应对称置于井孔两边，另外，在钻机车后以外钢轨应与基础固定用（锚杆或地脚螺钉）并能承受4吨以上的拉力。

此外，对电源、水源、洗井池、冷却水池等均按规定的准备好，方可将钻机运到现场，进行安装调试。

③、钻机安装

钻机运至施工现场后，按钻孔中心找正钻机位置，保证钻机竖起后的旋转中心与钻孔中心相重合。锁紧卡轨器，便可按照规定的程序进行安装。

④、钻机调试

钻机安装调整好后，应全面检查各部件安装是否准确，然后才能开泵。开泵后应先观察主副泵压力表，其空载压力为：主泵0.8～1.2兆帕，副泵0.1～0.2兆帕，若压力超过应检查处理，正常后方可启动液压马达和主液壓缸，一切无误后，方可接上开孔钻杆及导孔钻头进行开孔钻进。

⑤、开孔钻进

开孔一般为5～8米，开孔完成后，拆出扶正器、换下开孔钻杆，接上正常钻进的钻具组合，进入正常的导孔钻进。

⑥、导孔钻进

一般情况下，导孔钻进转速应高于开孔钻进钻速，所以调节动力头出转速，可用Ⅱ档或Ⅲ档。钻压控制，一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层采用高钻压，如果是特别松软、裂隙节理发育的地质条件应采取固结或低速钻进的方式，同时控制孔隙率也是关键，必须在施工中高度重视。

⑦、Φ1.4m 扩孔钻进

导孔钻透后，在下平段用卸扣器将导孔钻头和异型钻杆卸下，接上Φ1.4m扩孔钻头。调节动力水龙头出轴钻速为额定值。拆去冲洗液软管，用一三通将冷却水泵的水分出一部分供扩孔钻头，以冷却钻头和消除烟尘。在扩孔钻头未全部进入钻孔时、为防止钻头剧烈晃动而损坏刀具，应使用低钻压、低钻速，待钻头全部进入后，方可加压钻进。

2、竖井扩挖施工

由于竖井段岩石较差，施工分层一般为1.5～2.0m，竖井段扩挖采用YT-28气腿钻人工自上而下钻爆，设计岩石面采用光面爆破，孔径42mm，因导井为扩挖创造了爆破自由面，扩挖时不需要钻掏心炮孔，只需要钻凿辅助炮孔和光爆炮孔，辅助孔间排距80cm～100cm，炸药单耗0.5～0.8kg/m3，采用直径32mm药卷，孔内分段引爆用毫秒微差非电导爆管；光爆层厚度45～50cm，光爆孔间距40～60cm，采用导爆索、直径22～25mm药卷装药，线性装药量200～250g/m，孔内引爆用导爆索。所有炮孔起爆时用电雷管，起爆站设在距井口100m的安全位置。

爆破后人工清碴，将碴清到导井，通过导井溜至平洞；溜至平洞内的石碴，采用5m3侧翻装载机装20t自卸汽车运输；竖井工作面不能溜下残留的岩碴，需人工清理溜入导井。为了便于施工出碴，减少人工扒碴量，采用漏斗状分层施工。

为确保开挖的施工安全，井壁的支护随开挖掌子面下降同时施工，即每向下开挖一层（约1～1.5m）立即进行系统锚杆和护壁喷混凝土施工。临时支护按设计要求进行施工。工作面清理干净后进行锚杆孔位放样，然后钻凿锚杆孔，安装锚杆。锚杆安装完成后按设计进行φ10钢筋@20*20挂网喷射20㎝C25砼支护。

四、竖井开挖注意事项

1、坍孔

坍孔原因：由于开挖竖井地质条件差，钻孔钻进进尺太快，炮孔暴露时间过长可导致坍孔事故发生。坍孔预防措施：在地质条件差洞段，控制小进尺钻孔钻进；缩短炮孔暴露时间，每个炮孔成型后，立即组织人员进行装药堵塞。

坍孔处理：采用钻机的高风压将坍碴吹出孔外。

2、钻孔偏斜

偏斜原因：在有倾斜的软硬地层交界处，岩面倾斜处钻进，钻头受力不均；钻机底座未安置水平或产生不均沉陷、位移。钻杆弯曲，接头不正。预防和处理：安转钻机时使底座水平，稳定。钻杆接头应逐个检查，及时调正，当钻杆弯曲时，要用千斤顶及时调直。在有倾斜的软、硬地层钻进时，控制进尺，低速钻进。

3、钻杆折断

一旦发生折杆，钻机的负荷立即减轻，驱动机械的运转噪声减小，钻进速度接近于零，即使提钻后再钻进仍无效，则证明确系发生了折杆事故。折断原因：钻进中选用的钻速不当，使钻杆所受的扭矩或弯曲等应力增大，因而折断；钻杆使用过久，连接处有损伤或接头磨损过甚；地质坚硬，进尺太快，使钻杆超负荷工作；空中出现异物，突然增加阻力而没有及时停钻。

预防和处理：不使用弯曲严重的钻杆，要求各节钻杆的连接和钻杆与钻头的连接丝扣完好；钻进过程中要经常检查钻具各部分的磨损情况和接头强度是否足够，不合要求的及时更换；在钻进中若遇异物，须处理后再钻进。

五、结束语

宝瓶水电站压力管道竖井施工通过提高机械化施工水平，合理改进、优化施工工艺，改变了人工打反井的传统施工方法，大大降低了工人的劳动强度，保证了施工安全，提高了施工进度，比用传统施工方法施工提前了近三个月时间，明显缩短了施工周期，其经济效益、安全效益非常显著，也为今后类似工程的施工积累了豐富的施工经验。

参考文献：【1】魏献昌，张宝红，夏孝明；《对反井钻机钻井工艺的认识与实践》[J]；煤矿安全；2002年12期【2】涂兆平；《LM─90型反井钻机施工技术》[J]；江西煤炭科技；1996年03期