洪屏抽水蓄能电站引水竖井开挖施工技术

刘旭刚，杨晓辉

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳110000 )



洪屏抽水蓄能电站引水竖井开挖施工技术

刘旭刚，杨晓辉

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁沈阳110000 )

洪屏抽水蓄能电站每条引水洞共有2条竖井，上竖井高程差为277 m，下竖井为295 m，施工条件差，开挖过程中安全及质量控制难度大。从施工方案选择、竖井施工平面布置、施工工艺等几个方面，对洪屏抽水蓄能电站引水竖井开挖施工实施过程进行了介绍。防坠罐笼、防坠器、视频监控设备等现代科技的应用，保证了竖井开挖施工的安全。

引水竖井；开挖；施工技术；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站引水系统采用“二洞四机”布置，由引水上平洞、引水调压井、引水上竖井、引水中平洞、引水下竖井、引水钢岔管、引水支管等组成。引水竖井有4条，分别为1、2号引水上竖井和1、2号引水下竖井。其中，上竖井长277 m(含上、下弯段)，开挖直径6.4 m；下竖井长295 m(含上、下弯段)，除上弯段直径为6.4 m外，其余均为6 m。竖井施工是本工程引水系统施工的重点。

引水上竖井全钢衬管道上覆岩体厚69～375 m，岩石微～新鲜，岩体完整性差～较完整，属稳定性差～基本稳定的Ⅲ～Ⅱ类围岩。其中，Ⅱ～Ⅲ类围岩占45%，Ⅲ类占36%，Ⅳ类占16%，Ⅴ类占3%。

上弯段由于受f116断层切割，形成一个不稳定的大棱体，在与节理切割组合下，易沿f116断层向竖井内塌滑，需锚喷支护处理。上竖井段中下部构造较发育，有f176、F140、f116等3条断层，f176、f116宽度小，F140宽度较大，均与竖井斜交，倾向下游，对上游壁的稳定不利，与其他方向的节理切割组合，易形成不稳定的棱体，开挖过程需及时支护。下弯段受f176断层切割影响，弯段顶部岩体厚度薄，洞室开挖后形成临空，顶部岩体易沿f176脱落，需加强支护。

引水下竖井上覆岩体厚372～650 m，属整体块状构造，节理较发育，为Ⅱ～Ⅲ类岩体，断层带部位为Ⅳ～Ⅴ类岩体。发育F109、F521、F115、f173、f174、f112、f114、f172等8条断层。其中，f173、f174、f114、f172宽度小，属Ⅲ级结构面，但与竖井斜交且倾向下游或上游，对上游或下游井壁有一定影响；F115、F521、F109属Ⅱ级结构面，宽度较大，性状较差。由于断层带一般均导水，地下水易沿断层集中渗漏。

2 施工方案选择

该竖井断面较小，井身长，施工难度大，且竖井为在平洞内施工，受工作面制约，井口布置困难。常规竖井施工分为正井开挖和反井开挖，正井和反井开挖又分一次开挖和多次扩挖，扩挖的种类又分人工扩挖和机械扩挖等。根据本竖井的施工特点及施工要求，本工程先利用反井钻机开挖导孔，而后利用导孔进行二次扩挖。扩挖后的弃渣通过反井钻机钻设的作为溜渣槽的导孔，最终由竖井下方平洞段出渣。此方法的优势在于，一次导井开挖采用反井钻机施工，施工效率高且无太多安全隐患；二次扩挖在洞口布置多层安全防护措施，通过导井出渣，最大程度保证了施工进度。此方法综合了反井和正井开挖方法的优势。

3 竖井施工平面布置

本竖井的施工安全质量重点在于竖井的二次扩挖。为保证施工安全，采用多种安全防护措施，对竖井施工中遇到的各种问题进行认真分析，并据此进行竖井二次扩挖的场地布置。

在竖井进入上弯段的平洞位置设置3台卷扬机，用于施工期竖井开挖及喷锚支护施工。受施工场地的限制，在竖井上方布置提升架的难度较大，为此，利用后期竖井钢衬安装的桥机室桥机轨道梁布置提升设备的基础。卷扬机通过架设在竖井上弯段岩壁桥机轨道梁上的型钢横梁，垂直伸入竖井内。在横梁上设置定滑轮，同时，在平洞段地面设置导向定滑轮，钢丝绳通过滑轮对竖井内设备进行提升。为便于竖井内布置，竖井施工开始的20 m左右，采用人工扩挖，扩挖出的工作面作为场地布置的平台，以便在井口布置钢梁及大盘等设备。竖井施工平面布置见图1。

图1 竖井施工平面布置

竖井施工平面布置主要包括扩挖设备及作业平台、安全防护设施、施工风水电布置等作业内容。由于竖井开挖断面小，施工设备采用YT- 28手风钻钻孔爆破开挖。开挖时，井口进行封闭，且在井内布置工作大盘，工作大盘在距离开挖作业面10 m范围对开挖作业人员进行防护，同时也可以在大盘上进行必要的支护作业，形成立体交叉施工作业，加快施工进度。主要施工设备及布置如下：

(1)封孔盘。导井施工完毕后，进行扩挖作业时，需对反井钻机导井进行封堵，保证竖井内及竖井下方施工人员安全。封口盘在孔钻装药连线之后(或爆破之前)由卷扬吊起，以防爆破时崩坏。利用小型卷扬提拉封孔盘至工作盘，并锁定在工作盘的孔口位置，以起到爆破作业的防护作用。

(2)提升设备。在钢梁上布置定滑轮，利用平洞段布置的卷扬机，通过导向定滑轮将设备提起。提升工作盘横梁采用2根Ⅰ128a工字钢并排焊接，提升载人罐笼横梁采用2根Ⅰ122a工字钢并排焊接。卷扬机布置3台，1台10 t的作为工作盘提升使用，1台3t的作为载人罐笼起吊设备，慢速卷扬(牵引速度9.9 m/min)；1台3 t的作为载物起吊设备(牵引速度15 m/min)。工作盘选用φ30钢丝绳(180 kg/mm2，型号为6×37)，载人罐笼卷扬选用φ24钢丝绳(180 kg /mm2，型号为6×37)。载人罐笼卷扬配置排绳器。同时，为保证安全，额外配置手拉减速刹车，以在紧急时刻备用。

(3)工作大盘。骨架采用8号槽钢制作，大盘中间留孔，用来保证人员和运输材料上下，大盘表面采用4 mm的花纹钢板。在大盘盘体四周及大盘中间留孔的位置设置固定安全围栏，安全围栏底部设20 cm高的挡脚板。

(4)材料及人员运输。竖井开挖开始时的20 m的垂直运输采用人工牵绳的方法；工作大盘形成后，采用槽钢焊接成的载物罐笼完成材料垂直运输。人员上下竖井开挖开始时的20 m使用爬梯(爬梯设置梯笼)。爬梯布置在井壁侧；工作大盘形成后，采用GLS- 0.5型防坠罐笼完成人员上下任务。

(5)井口上方封井横梁。为保证竖井内施工安全，在井口位置布置型钢钢梁封闭井口。横梁采用桁架上留出风水管路进入竖井内的通道，并在钢梁上铺设钢板封闭(留设罐笼吊物进出通道)，孔口周围设置防护栏，铺设密目网，对井内人员及设备起保护作用，并在相应位置挂安全警示牌。同时，在井口周围防护栏底脚设20 cm的高挡脚板。

(6)固定摄像头。在上竖井的井口、井壁上安装固定摄像头，用于竖井材料运输和施工人员上下的安全监控。摄像头沿竖井壁周围布置，每50 m布置1部摄像头。在距离爆破工作面50 m范围以上布置摄像头。同时，在距离爆破工作面最近的摄像头下方1 m处焊接2 mm厚钢板防护板。

(7)超载限制器。安装在竖井钢桁架的定滑轮的支座上，用于限制井内垂直运输材料和施工人员的工作盘及罐笼的荷载。如吨位超载，卷扬机将不工作，以确保安全运输。

(8)卷扬机安全制动装置。为保证施工安全，卷扬机选用慢速双抱闸卷扬，并安装手动制动装置，确保发生意外情况时，卷扬机能及时制动。

(9)载人罐笼防坠器。在载人罐笼连接钢丝绳处安装2个罐笼防坠器，在出现断绳情况下，该装置能有效制动，以减少伤亡。GLS- 0.5型防坠罐笼和BF系列防坠器与载人罐笼为一整套集中采购。

(10)限位器。在井口临界接触点及载人罐笼稳绳与工作盘连接处设置相应钢丝绳的位置安装限位器。当工作盘或罐笼提升至指定位置时，触发限位器装置，卷扬机停止工作，确保设备不超过运行上下临界范围。

(11)载人罐笼。采用GLS- 0.5型防坠罐笼，该罐笼采用滚动楔形防坠器作为断绳安全保护装置，以钢丝绳为柔性罐道的单层方形提升罐笼，最大终端荷载2 600 kg，最大运行速度可达2.5 m/s(施工时运行速度以卷扬为准)，承载人数可达8人，最大断面尺寸为1 450 mm×1 240 mm×3 100 mm，罐笼自重1 000 kg。

4 施工技术

4.1 施工重点与难点

(1)竖井长，断面较小，施工方案的选择是本工程的重点。

(2)引水竖井岩石为硬岩，施钻较长，竖井存在f176、f116小断层带，1个F140大断层带，反井钻机在施工中的偏斜率控制很难，易卡钻。断层带与竖井斜交，施工时易造成坍塌。

(3)反井钻机施工形成φ1 400的导井，正井扩挖时溜渣容易堵井，且处理困难。

(4)竖井开挖施工过程安全风险较大。

4.2 引水竖井开挖

采用BMC400型反井钻机进行φ1400的导井开挖，精度控制在1%以内(各方向)。先自上而下钻导孔270 mm，再自下而上扩钻φ1400导井；导井形成后，再采用钻爆法自上而下分层全断面扩挖至设计尺寸。扩挖施工利用导井溜渣和通风，采用手风钻造孔，装药爆破开挖。爆破后，除了部分石渣由导井溜至井底外，其余均采用人工扒渣，在竖井下部采用3 m3装载机和15 t自卸汽车出渣。扩挖后，系统支护施工及时进行，支护滞后开挖1～2个循环。锚杆采用YT- 28手风钻钻孔，挤压式注浆泵注浆，人工插杆，最后进行喷混凝土施工作业。钢筋网在加工厂加工成片，现场人工拼接、安装。竖井开挖支护施工流程见图2。

图2 竖井开挖支护施工流程

4.3 施工作业流程

(1)测量放线。采用全站仪进行测量，给定竖井中心点。钻孔前，用钢丝做垂线下至工作面后，用钢尺、红油漆进行测量画线；定期对中心点进行校核，确保测量工序质量。

(2)钻孔作业。选派熟练的钻工，严格按照设计进行钻孔作业。各钻工分区、分部定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济责任制。每排炮按爆破图的要求进行检查。周边孔偏差不得大于5 cm，主爆孔不得大于10 cm。

(3)装药爆破。按钻爆设计参数认真进行作业。装药完成后，分区、分片检查，联结爆破网络，撤退工作设备、材料至安全区域后进行引爆。

(4)通风散烟。在上竖井上弯段处，采用压入式供风散烟。

(5)安全处理。安全员、班长、放炮员、电工一同下井检查有无瞎炮、哑炮，电工检查用电设备及线路有无损坏，安全员和班长对井壁危石进行处理，出渣后再次进行安全检查及支护，为下一循环钻孔作业做好准备。

4.4 开挖施工准备工作

在引水隧洞上平段、中平段施工完成后，对上竖井中心线周边范围的上弯段顶拱和下弯段底拱进行扩挖。上弯段顶拱扩挖高度应满足反井钻机安装及操作空间，扩挖宽度按4 m考虑。为便于竖井扩挖出渣，对下弯段底拱进行局部扩挖形成集渣场，集渣场沿导井边线向下扩挖以便溜渣，底板按8%的坡度扩挖，扩挖宽度按4 m考虑。

4.5 导井钻孔

采用BMC400型反井钻机先钻设φ270的导孔。导孔贯通后，在竖井下部安装φ1 400扩孔钻头进行导井钻设。采用3 m3侧卸装载机和15 t自卸车在底部出渣。

反井钻机安装、调试完成后，即可开始钻进φ270的导向孔。开孔时，采用短钻杆、低轴压、低钻速和间断推进的方式，并用扶杆器扶住钻杆。开孔前，首先将钻机钻头钻杆定位，对准竖井中心并与底板成90°；短钻杆钻入后，首先接稳定器(起导向作用)，稳定器完全进入导孔后，才能逐渐将轴压和转速增加到正常值，并改用连续推进；距第1个稳定器7～8 m时接入第2个稳定器(仍起导向作用)，以后每隔15～20 m装1个稳定器(主要起稳定作用)；遇到断层、裂隙产生振动或卡钻时，要减缓钻进压力，也可采用间断推进；随着钻孔深度的增加，换钻杆前的冲洗排渣时间要逐渐增加，保证将孔内的岩渣排净再换钻杆，避免在换钻杆过程中造成返渣埋钻事故。

导向孔钻通后，在连接洞的底板上，用液压卸杆器拆下牙轮钻头，旋接钻杆与扩刀头之间的连接螺纹，接上φ1400扩孔刀头，将回转变速机构调至用于扩孔的低速档，将扩孔刀头提至欲扩岩面。

4.6 竖井扩挖

竖井段扩挖自上而下进行，采用YT- 28手风钻造垂直孔，逐层扩挖。竖井扩挖排渣作业面极易造成堵孔，在施工时应严格控制爆破参数。造孔爆破以“多打孔、少装药、周边光爆”为原则，中间段扩挖主爆孔间距在0.5 m以内，排距0.65～0.7 m；周边光爆孔孔距0.35～0.40 m，排距0.6 m。爆破孔梅花形布置，周边采用光面爆破，线装药量150～200 g/m；崩落孔采用松动爆破。分层有效开挖高度控制在1.5 m以内。崩落孔及周边光爆孔具体装药量需根据现场爆破试验确定并优化。装药由专业爆破人员进行。

4.7 开挖作业循环时间

引水竖井开挖采用反井钻机进行导井开挖，扩挖均采用手风钻进行，扩挖循环进尺按照1.2 m考虑，月进尺达60m(包括支护施工)。根据反井钻机的工作能力，导井导向孔掘进速度按4 m/8 h、扩孔速度按照2 m/8 h计算，引水竖井反井钻机导孔、导井预计施工时间共3个月。引水竖井扩挖作业主要工序分为测量放线、钻孔、装药连线、起爆排烟、人工扒渣和围岩支护等，各个工序占用时间分别为1.0、4.0、1.0、2.0、4.0 h和6.0 h。其中，支护工作为2个开挖循环进行1次。

5 结 语

随着国家对工程安全、质量的日益重视，水利施工的科技含量将越来越高。竖井这种高风险的施工作业项目，在今后的施工中将不再局限于传统的简单粗暴的施工方法。随着科学技术的日益进步，如何将现代化科技手段运用在常规竖井施工中，将成为今后施工科研的新课题。本工程融入了防坠罐笼、防坠器、视频监控设备等现代科技，是竖井施工现代化的新的尝试。

[1]GB 6067. 1—2010 起重机械安全规程[S].

[2]DL/T 5370—2007 水电水利工程施工通用安全技术规程[S]．

[3]DL/T 5407—2009 水电水利工程斜井竖井施工规范[S]．

[4]SL 378—2007 水工建筑物地下开挖工程施工规范[S]．

(责任编辑 杨 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

刘旭刚(1988—)，男，陕西西安人，助理工程师，主要从事水电建设技术管理工作．

TV523(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0048- 04