500 m级超深竖井开挖方案的比选与施工

唐 雄， 代 强

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概述

中东抽水蓄能电站(以色列克卡夫哈亚邓抽水蓄能电站)是中国电建在发达国家高端市场斩获的首个EPC水电项目，该工程具有地质条件复杂、工期紧、质量要求高等特点。电站由上水库、输水系统、地下厂房系统、下水库及地面开关站等组成，总装机容量344 MW。该电站引水竖井和引水调压井垂直方向在一条直线上，上部调压井深69.46 m，高压竖井深438.14 m，竖井总深度为507.6 m。高压竖井上下弯段分别与引水上、下平洞相接，调压井上部14.6 m开挖支护后直径为18.1 m，衬砌后直径为16.1 m；下部54.86 m开挖支护后直径为15.6 m，衬砌后直径为14 m；高压竖井开挖支护后直径为5.2 m，钢衬内直径为4 m。竖井开挖支护型式包括系统锚杆、挂网喷混凝土、钢格栅等。

引水竖井处地质条件极为复杂，调压井岩体以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占比约40%，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比约60%。高压竖井以Ⅳ类围岩为主，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占比约35%，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比约65%，且高压竖井Ⅳ、Ⅴ类围岩均存在挤压变形。引水竖井布置在玄武岩、火山碎屑岩互层地层(bs+pyr)、玄武岩地层(bs)、角砾岩和集块岩混合地层(cgl)、火山碎屑岩地层(pyr)、泥灰土地层(Marl)及粘土层(Clay)等地层。

2 可选开挖方案论述

根据引水竖井的地质情况、结构布置及施工条件，初选方案有反井法、正井法、正反井相结合的施工方法。笔者分别介绍于后。

2.1 反井法施工分析

反井法施工方案是在调压井顶部采用反井钻机先施工导孔，待引水下平洞开挖至引水竖井底部后，将反井钻机钻头更换为扩孔钻，然后自下而上进行导井施工；导井施工完成后，再利用导井作为溜渣井进行调压井上部7 m的开挖，浇筑锁口混凝土，安装井口载人提升系统和井口门机(用于井内吊运材料)，最后自上而下进行竖井爆破扩挖及支护的施工方案。

2.2 正井法施工方案

深竖井正井法施工在水电行业极为少见，而在煤矿行业，深竖井均采用正井法施工，是传统的矿山竖井施工方法，该方法可以实现边开挖、边衬砌，是一种快速施工竖井的方法。

正井法施工方案是先进行调压井上部7 m开挖，浇筑锁口混凝土，然后继续开挖调压井至14.6 m，再进行调压井大井14.6 m结构混凝土衬砌施工，安装“正井法”提升系统及配套设备，利用正井系统自上而下进行调压井下部开挖，调压井开挖完成后进行调压井下部的衬砌施工。调压井开挖及衬砌施工完成后，再利用正井系统自上而下完成高压竖井的开挖及支护施工。

2.3 正反井相结合的施工方案

正反井相结合的施工方案是先采用正井法进行调压井上部7 m开挖，浇筑锁口混凝土，然后继续调压井开挖至14.6 m，再进行调压井大井14.6 m结构混凝土的衬砌施工，安装井口载人提升系统和门机(用于井内吊运材料)。提升系统形成后，再自上而下进行调压井下部小井的开挖及衬砌施工。在引水下平洞开挖至引水竖井底部之前，将反井钻机吊至调压井底部先施工导孔，待引水下平洞开挖至引水竖井底部后，将反井钻机钻头更换为扩孔钻，然后自下而上进行导井施工，最后利用导井作为溜渣井自上而下进行高压竖井的爆破扩挖及支护的方案。

3 三种开挖方案之对比分析

根据上述3种方案，项目部从施工可行性、施工安全性、施工难度、施工优缺点、施工工期、施工费用等方面进行了对比分析，分析成果见表1。

4 开挖方案的选择与施工

根据对上述方案进行的综合比较和分析，项目部将正井法施工方案作为首选方案向业主进行了申报并通过了业主工程师的审批。目前，中东抽水蓄能电站引水调压井上部大井14.6 m的开挖及衬砌已完成，正井提升系统业已安装完成并投入使用。

4.1 开挖施工程序

引水竖井开挖施工程序为：施工准备→调压井上部7 m井挖→调压井锁口混凝土施工→调压井井挖至14.6 m→调压井上部14.6 m结构混凝土衬砌→正井法提升系统安装→调压井下部小井开挖→调压井下部小井混凝土衬砌→高压竖井开挖。

4.2 开挖施工

4.2.1 调压井施工

(1)调压井上部施工。

调压井大井高度为14.6 m，分为两部分施工。先施工锁口段开挖及支护施工(7 m)，再进行锁口段混凝土衬砌施工，最后进行调压井大井剩余部分施工(7.6 m)。

由于该引水竖井位于该国国家森林公园，同时受调压井边高压线塔的影响(距调压井约30 m)，调压井大井开挖只能采用机械开挖的方式施工。调压井上部7 m属于半挖半填，其施工方法是先用液压锤分台阶凿挖，分层高度为1 m，每层凿挖后再采用液压反铲装自卸汽车运至渣场，开挖高度达到2 m时作为一个开挖循环进行支护，直至开挖完成。

当锁口混凝土衬砌完成后，调压井大井下部7.6 m的开挖是采用吊车将液压锤吊至井内进行全断面分层凿挖，分层高度为0.5 m，出渣由井内反铲装3 m3吊桶、然后采用吊车提升吊桶出渣，每开挖2 m高度进行一次支护。调压井大井开挖的施工人员上下井利用井壁上设置的爬梯，施工设备、材料的井内吊运采用吊车。

(2)调压井下部施工。

调压井上部大井施工完成后，进行正井法提升系统的安装，经当地工程师验收合格后投入使用。调压井小井开挖支护后直径为15.6 m，分为3个区进行光面爆破施工，开挖循环进尺为2 m，开挖钻孔采用T35液压钻机、YT-28手风钻钻孔，人工装药联网爆破；出渣采用小型液压反铲配合正井系统抓岩机装吊桶出渣。调压井小井施工人员上下井利用载人提升系统上下，施工设备的吊运采用吊车，施工材料的运送采用载物提升系统。

表1 中东抽水蓄能电站引水竖井开挖方案对比分析表

4.2.2 高压竖井的开挖施工

调压井开挖及衬砌施工完成后，利用井口布置的正井提升系统进行高压竖井的开挖。高压竖井的开挖采取全断面光面爆破开挖，将Ⅲ类围岩的进尺控制在4 m以内，Ⅳ类围岩的进尺为2 m。爆破孔采用SFJ4.5型伞钻钻孔，人工装药光面爆破， HZ-6中心回转抓岩机装3 m3吊筒，JK-3×2.5提升机提升吊桶出渣，最后采用人工清底，渣石升井经溜渣槽落地后，再由装载机装自卸汽车运至弃渣场。为了加快施工进度，充分发挥矿用正井提升系统的优势，采用混凝土初衬代替喷锚支护。其施工流程：先钻孔爆破开挖第1个循环，然后进行第2个循环爆破不出渣，利用正井系统将整套钢模板落在第2个循环爆渣上进行第1个循环混凝土衬砌，衬砌完成后进行第2个循环出渣及第3个循环爆破不出渣、第2个循环衬砌等，依次循环施工。

5 结 语

深竖井的开挖施工历来是一个难题，其施工方案的选择尤为重要。通过比选分析，该工程选用国内成熟的正井法施工技术获得了业主的高度认可；同时，该工程也是国外水电项目首次采用“正井法”施工的深竖井。