抽水蓄能电站斜井和平洞施工关键技术

潘福营，马萧萧

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房、下水库等组成，输水系统和发电厂房为复杂的地下系统工程，包括通风洞、交通洞、排水洞等平洞、竖井、斜井、地下厂房、主变洞、尾闸洞等。地下洞室特别是竖井、斜井施工难度较大，安全风险较高，一直是抽水蓄能电站工程施工过程中关注的重点[1]。TR3000反井钻机、定向钻机、锚杆钻机、智能管控系统等技术在抽水蓄能斜井和平洞施工中的应用，可有效降低安全风险，提高施工效率。

1 TR3000反井钻机开挖长竖井、斜井反导井技术

1.1 常规的长竖井、长斜井反导井开挖方法

常规的长竖井、长斜井反导井开挖主要有爬罐法、爬罐法+正井法、反井钻机法。爬罐法适用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩且深度在50～250m的斜导井；反井钻机法应用于斜井时不宜超过250m，应用于竖井时不宜超过400m。大断面斜井、竖井使用该方法时，可在反井钻机挖掘成反导井后，由于导井断面较小，需要再扩挖一次导井，以利于大断面竖井、斜井的扩挖[2]。爬罐法和反导井施工方法都需要投入较多的人员在井内作业，施工速度较慢，安全风险程度较高。

1.2 TR3000反井钻机开挖反导井方法

采用TR3000型反井钻机开挖反导井法，先钻进ϕ311mm导孔，再反提钻头可一次成型ϕ1.8～3.1m导井，不需要再次扩挖导井，直接进行长竖井、长斜井扩挖施工，减少了人员的投入，降低了安全风险。TR3000反井钻机主要技术参数见表1。

表1 TR3000反井钻机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of TR3000 raise boring machine

TR3000反井钻机配套CX-6C无线光纤陀螺测线仪进行导孔测斜，该测线仪测量精度高、稳定性好、抗干扰性强，能准确显示钻孔的顶角、方位角等参数，同时根据测量结果显示出三维图和平面图，形象直观，有效的控制了导孔偏差。

TR3000反井钻机在施工过程中还可用孔内摄像对导孔的井壁岩石情况进行观察，能清晰地看到渗水量、水位，孔内是否有塌孔、裂隙、断层等地质缺陷，该设备采用了先进的PLC自动化控制系统，使设备在可靠性、可控性、操作性方面更优越，方便操作人员根据岩层变化及时调整导孔参数，有效的控制孔斜。

TR3000反井钻机在荒沟抽水蓄能电站应用于长度383.76m、倾角50°的引水斜井和长度340.8m通风竖井施工，钻孔偏斜率分别为 0.72%和0.06%，导孔完成后，采用2.4m的钻头反提导井，不需要再二次扩挖导井，直接进行竖井、斜井全断面扩挖[3]。TR3000反井钻机导孔反拉后一次形成直径2.4m的反导井，可以直接作为斜井扩挖的溜渣井使用，免去了常规施工中导井二次扩挖的程序，导孔精度高，溜渣条件好，节省了工期，降低了扩挖过程中的堵井风险，杜绝了人员伤亡事故的发生。

2 定向钻机施工长竖井、长斜井导孔技术

ZD450R型定向钻机为履带式自行设备，自身通过电力驱动可以行走，不需吊装和拆卸。ZD450R型定向钻机主要技术参数见表2。

表2 ZD450R型定向钻机主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of ZD450R directional drill

ZD450R型定向钻机主要施工反导井的导孔，先钻进直径216mm的导孔，然后再扩孔为直径295mm的导孔。导孔钻进过程中采用MWD 无线随钻测斜仪对钻孔进行孔斜监测及定向纠偏，结合磁导向装置进行监测，主要依靠角度及方位进行位置判定，孔斜超偏时制定定向纠偏设计，根据制定的纠偏设计利用ϕ172mm弯螺杆，以及随钻测斜仪进行纠偏。

敦化抽水蓄能电站2号引水上斜井全长 419.06m，倾角为55°，采用了ZD450R型定向钻机进行导孔施工，先导孔直径为216mm，导孔轴线偏差和顶角偏差仅32cm和12cm，再将导孔扩成295mm，然后采用BMC500型反井钻机反提2.5m直径钻头形成反导井，最后利用2.5m直径反导井从上至下一次扩挖完成斜井施工。

ZD450R型定向钻机完成一个导孔后，自行转移到下一个工作面，运转灵活，形成流水作业，同时配置先进的测斜装置，钻进过程中随钻、随测、随纠偏，保证导孔贯通精度[4]。该技术具有省工、省时、效率高、安全可靠等特点。

3 锚杆钻机的应用

目前地下洞室开挖支护施工普遍为钻工站在自制的台车上手持手风钻进行钻孔施工，由于台车上部操作平台与地下洞室顶拱间距有限，顶拱部位的锚杆很难保证与岩面垂直，大部分不满足设计要求。洞室锚杆钻孔施工时由于人员站在洞室围岩下面施工，如果洞室围岩较差，在钻孔时会掉块甚至出现塌方，钻工的安全风险很高[5]。

在抽水蓄能电站地下洞室施工中引进了锚杆钻机，锚杆钻机是一种履带式钻机，钻杆能够360°旋转，可以钻任意角度，保证了任何部位的锚杆角度满足设计要求，同时由于操作人员与钻孔部位相差一定的距离，操作人员站在已经支护好的相对安全的地方操作钻机作业，如果钻孔时围岩有掉块也砸不到操作人员，保证了施工人员的安全，而且钻孔效率较高，钻孔质量也得到了保证。

4 智能管控系统的应用

随着“大云物移”、人工智能、自动控制技术的不断进步，智能管控系统逐步引入了抽水蓄能电站地下洞室施工管理，目前普遍开展了“五系统一中心”的应用管理。

“五系统一中心”是指洞室门禁和人员定位管理系统、视频与安保监控系统、应急广播和通信系统、地质预警系统[6]、防坠保护系统、安全监测（应急指挥）中心。在各洞室进洞口设置人脸识别、车辆自动识别系统并实现人员和设备行踪轨迹可跟踪记录，人员或设备可以随时确定准确位置，人员和设备与登记信息不一致时系统会自动报警，加强了对人员和设备的管理。

抽水蓄能电站在建设期普遍应用了“五系统一中心”，利用先进的现代化装备对现场安全质量实施情况进行数据采集、分析和整理，对于提升工程建设本质安全水平，确保工程实体质量等方面具有很好的作用。

5 雾炮车和高压喷雾降尘系统应用

高压喷雾降尘系统主要包括高压水泵及一套供水回路，高压水泵安装在洞口钢拱架支护上方，中间为进水管线，两侧为喷雾管线，随着地下洞室开挖在洞室顶部中间部位铺设，每次爆破后打开喷雾系统，加快洞室爆破后排烟降尘。

雾炮车是一种专业喷雾降尘设备，该设备主要用于城市降尘，目前很多电站都开始使用，地下洞室爆破后或不定期的开进洞内进行喷雾，能快速有效地降低洞室内的烟尘，而且该设备运转灵活，效率高。

6 地下洞室道路采用干硬性混凝土及时硬化

大部分地下洞室施工过程中会有渗水甚至水量较大，各种车辆频繁进出，造成了地下洞室底板道路泥泞，污水四溅，需要大量的人力物力进行清理，但是还是无法满足文明施工的要求，还存在很大的安全隐患。

在地下洞室施工过程中，设置干硬性混凝土垫层，利用节假日火工品停工期间或者洞室开挖掌子面处理期间，对洞室底板进行清理验收，然后利用干硬性混凝土进行硬化，干硬性混凝土硬化后短时间就可以行车，后期清理省时省工，提高安全文明施工水平，降低安全风险。

7 结束语

抽水蓄能电站在施工过程中积极的总结推广新技术、新设备、新工艺、新材料，通过TR3000反井钻机、定向钻机、锚杆钻机、雾炮车、智能管控系统的应用，极大地提高了隧洞工程安全文明施工水平，降低安全风险，保证了作业人员的安全，促进了水电工程地下洞室工程施工技术的进步。

[1] 吕永航，方志勇.抽水蓄能电站施工技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2014.LV Yonghang，FANG Zhiyong. Construction technology of pumped storage power station [M] .Beijing ：China Water &Power Press，2014.

[2] 刘忠华，禚伟.超长斜井钻孔设备选型及施工工艺研究[J].工程技术研究，2017（10）：65-67.LIU Zhonghua，ZHUO Wei.Selection of super-long deviated well drilling equipment and construction technology research[J].Engineering and Technological Research，2017（10）：65-67.

[3] 何万成，刘锦成，唐国峰，等.浅谈大口径反井钻机在荒沟抽水蓄能电站长斜井、深竖井导井施工的应用[J].抽水蓄能电站工程建设文集2017，2017：340-349.HE Wancheng，LIU Jincheng，TANG Guofeng，et al.Application of large borehole raise boring machine in long shaft and deep well shaft construction of huanggou pumped-storage power station [J].Collected Papers of Pumped Storage Power Station Construction，2017：340-349.

[4] 王彬彬.深竖井反井法先导孔快速施工技术研究[J].铁道建筑技术，2017（03）：93-97.WANG Binbin.Research on the rapid construction technology of the deep shaft anti-well method[J].Railway Construction Technology，2017（03）：93-97.

[5] 张建，郑源.抽水蓄能技术[M].南京：河海大学出版社，2011.ZHANG Jian，ZHENG Yuan. Technology of pumped storage power[M]. NanJing ：Hehai University Press，2011.

[6] 凌骐，张轩，孔松，等.水电工程地质灾害监测预警与应急管理系统设计及应用[J].水电与抽水蓄能，2017（06）：35-39.LING Qi，ZHANG Xuan，KONG Song，et al. Desiging and application of geological hazard monitoring and early-warning management system in hydropower project[J].Hydropower and Pumped Storage，2017（06）：35-39.