某抽水蓄能电站引水上斜井开挖施工方案研究

王 爽，周培勇

（上海勘测设计研究院有限公司,上海 200335）

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

某抽水蓄能电站，布置6 台机组，单机容量350 MW，工程总装机规模为2100 MW；电站枢纽建筑物组成主要为上下水库、输水系统、地下厂房及开关站等。引水系统布置型式为三洞六机斜井式布置，本文主要对引水上半段施工进行介绍，主要包括上库进出水口、引水上平洞、上斜井和中平洞前半段。上斜井开挖断面采用圆形断面，断面直径7.0 m，斜井长约430.0 m，倾斜角度58°，上部高程915.0 m，下部高程545.0 m，总高差370.0 m，中间不设施工支洞[1]。该斜井长度是目前国内在建抽水蓄能电站最长的斜井之一，角度较陡，岩石强度极高，施工难度特别大。引水隧洞上半段井面布置型式见图1。

图1 引水隧洞上半段平面布置图

1.2 地质情况

本工程上斜井自上而下穿越的岩体分别为流纹质角砾熔结凝灰岩、流纹质晶屑熔结凝灰岩、流纹质含砾晶屑熔结凝灰岩，从地质钻孔资料来看，上斜井暂无较大断层及节理裂隙，岩质坚硬，岩体整体表现较为完整，局部完整性差。斜井位于地下水位线以下，岩体为弱～微透水性，洞段开挖后以渗水、滴水为主[2]。上斜井所处围岩以II类为主，主要岩石物理力学指标试验成果见表1。

表1 主要岩石物理力学指标

2 引水上斜井导井施工

2.1 施工方案

2.1.1 先导孔及导井设计

该抽水蓄能电站1 #、2 #上斜井开挖断面直径为7.0 m，导井直径为2.0 m，首先采用直径为216 mm的定向钻机进行先导孔钻透；接着采用直径为295 mm钻头进行定向钻反拉扩孔；最后进行导井反扩施工，导井直径2.0 m，设备选用反井钻机。当先导孔钻孔圆心、导井圆心与斜井圆心距离1.5 m时，可便于后期溜渣；爆破时导井上部产生的石渣沿导井下落，需人工清理的仅为导井下部的残渣，人工扒渣量在扩挖施工期大大减少，从而有效缩短了循环时间，使斜井整体施工工期大大缩短。具体先导孔及导井位置见图2。

图2 先导孔及导井位置（单位：m）

2.1.2 扩孔方案选择

依据工程实践，为满足反井钻机施工所需要的洞孔直径，利用定向钻机完成直钻孔施工后，需完成导孔施工，通常利用两种方式进行扩孔刷大：一是定向钻机由下往上反向刷大，二是反井钻机由上往下直接刷大。

当定向孔直径与刷大导孔直径相差超过75 mm，长竖井所处工程地质条件为坚硬岩层以及岩石的抗压强度大于120 MPa，斜井斜长大于200 m时，可优先选用定向钻机由下往上刷大方案。当定向孔直径与刷大导孔直径相差小于75 mm，长竖井所处工程地质条件为沉积岩以及岩石抗压强度小于120 MPa，斜井斜长小于200 m时，可优先选用反井钻机由上往下直接刷大方案。

引水斜井所处部位的岩体抗压强度范围为148 MPa～231 MPa，为坚硬岩体，三牙轮钻头掌片易损坏脱落，当采用反井钻机由上往下扩孔时，会存在刷大的岩石体积较大的问题，且斜井较长，易造成堵孔、埋钻、蹩钻等问题，通过定向钻由下往上刷大能有效修正导孔轨迹，综合考虑，确定该引水斜井导井扩孔方案选用定向钻由下往上刷大的方法。

2.1.3 设备选型

导孔钻透后，拆除定向钻，安装反井钻进行导孔扫孔。

根据导井扩孔直径、斜井长度、斜井倾角及斜井所处围岩岩体的抗压强度、岩石硬度等参数对反井钻机设备进行初步选型，经对钻机主要参数验算合格后，再确定反井钻机设备型号。本工程岩石抗压强度取170 MPa左右，最大钻进深度430 m、钻孔直径2.0 m，初步选择ZFY3.5/150/500反井钻机进行导孔扫孔，经过验算，钻机最大拉力为2945.0 kN，扭矩为54.7 kN·m时，即可满足施工要求。

在水电系统竖井与斜井的施工中，ZFY3.5/150/500 反井钻机应用较广泛；扩孔速度在中硬岩中可达到8m/d，施工特点表现为成井速度较快、相对施工安全性较好。ZFY3.5/150/500 反井钻机的最大拉力为4300 kN，其额定扭矩为120 kN·m，可以满足该工程的施工需求，因此进行扩孔施工时选用该反井钻机，主要参数见表2。

表2 ZFY3.5/150/500反井钻机参数表

2.2 施工工艺

首先进行施工准备（风、水、电的布置等），定向钻的安装与调试以及辅助设施布置等；选用Ф216 mm的定向钻正向钻进，中平洞上游面开挖完成后安装磁导向仪，进行正导孔下部的100 m钻孔施工；透孔后，在中平洞更换钻头，反扩钻进完成Ф295 mm导孔；接着进行定向钻机的拆除以及反井钻机的安装与调试，由反井钻机自下而上进行导孔扫孔，完成Ф2 m导井。引水斜井导井具体施工工艺见图3。

2.3 注意事项

（1）ZFY3.5/150/500反井钻机扩孔期间，中平洞应做好警戒防护，除值班人员外所有人员严禁进入该洞段，值班人员在观察存渣时，离透孔中心点距离不小于10 m。

图3 斜井导井施工工艺

（2）反井钻机钻头扩孔至基础2.5 m时，要降低钻压，慢速钻进，认真观察，如果基础周围出现异常现象，要及时采取措施处理，继续缓慢进行扩孔，直至钻头露出地面[3]。

3 引水上斜井扩挖支护施工

三条引水上斜井的施工同时进行，每条斜井的爆破扩挖均设置1套扩挖台车与运输小车进行同步作业施工。

3.1 施工方法与工艺

当引水上斜井导井开挖完成，且扩挖准备工作完成后，进行引水上斜井的扩挖支护施工，施工采用自上而下的方法进行。引水上斜井上弯段扩挖施工完成后，在上平洞进行扩挖台车的组装，同时人工继续向下扩挖。组装好的扩挖台车在扩挖深度满足台车就位且不受爆破影响后，下放至斜井直线段起点固定，并开始安装上弯段钢平台、扩挖台车、运输小车提升系统等，待设备全部安装完毕后开始斜井扩挖施工。上弯段在安装钢平台期间，斜井下不允许作业，须停止斜井扩挖施工。具体施工工艺流程图见图4。

图4 引水上斜井扩挖施工工艺流程图

3.2 爆破与堵井处理

3.2.1 爆破

斜井从上至下采用一次扩挖成型，扩挖钻孔设备选用孔径Ф42 mm的手风钻。斜井上弯段爆破孔除部分周边孔孔向按照设计断面变化内倾外，总体平行于斜井轴线；当爆破孔与斜井轴线平行时，孔深设计为2.5 m，周边孔控制在0.5 m～2.5 m之间，循环进尺控制在2.0 m左右。斜井弯段底板部分岩石出现欠挖时采用破碎锤开挖。直线段爆破孔孔向平行于轴线，孔深设计为3.5 m，循环进尺控制再3.0m左右；周边为光面爆破，爆破孔间距设计为0.5 m。斜井爆破按照从导井至设计面的顺序逐圈进行起爆。辅助孔布置于断面中部，辅助孔及周边孔采用药卷直径为25 mm，周边孔装药量控制在300g/m左右。斜井扩挖爆破后，上平洞石渣可直接进入导井溜至中平洞，下平洞少量石渣需人工扒渣至导井。为防止堵井，爆破过程中应根据实际地质情况和爆破效果随时对开挖爆破参数进行调整。

3.2.2 堵井处理

调查相似工程案例发现堵井原因主要有以下几种：①溜渣导井的断面较小，稍大体积岩石都较难下落，造成堵井。②施工过程中，爆破人员未严格按爆破设计参数进行爆破，或者爆破参数设计不合理，使爆破形成超径石而造成堵井。③当溜渣井遇到地质条件较差的情况时，爆破或溜渣过程中可能存在塌方而造成堵井。④斜井下部集渣区空间太小或出渣不及时，堆渣积压密实造成堵井。

结合本工程特点，考虑到上述斜井溜渣导井堵井的原因，本工程主要采取以下措施预防溜渣导井堵井，具体如下：

①减小单次排渣量，严格控制单循环进尺；增加各段位的延迟时间，降低堵井的几率，严格控制钻孔的间排距、炮孔间距密度，并严格按照设计参数进行合理装药，周边炮孔间排距控制不大于50 cm，爆破后，最大石渣块度不大于井径的1/3。

②用非电半秒延期雷管合理分段延期爆破，加大各段雷管起爆间隔时间，以避免爆破后石渣集中挤压堵井。

③针对循环爆破的次数，依据溜渣井下部容渣空间来计算，并结合出渣时机合理爆破，及时出渣，避免因出渣不及时而使堆渣量超过容渣量导致堵井的情况。

④扒渣时，应注意观察导井内的风向及气流，防止堵井后继续下渣导致导井全部堵死从而无法处理的情况。

⑤防止锚杆及挂网钢筋等材料落入溜渣井，造成堵井。

导井如被封堵的比较松散，且封堵石渣为小粒径，可采取高压水冲法；导井如被封堵的比较密实且封堵石渣为大粒径，则必须采用爆破的方式进行处理。

3.3 支护参数

引水上斜井支护型式包括施工系统锚杆、挂钢筋网及喷混凝土面层，具体支护参数见表3。

表3 引水上斜井支护参数

3.4 注意事项

（1）为确保斜井扩挖无欠挖，做到全线贯通，可采用测量仪器对斜井前60 m直接进行测量导向；斜井扩挖超过60 m以后，可采用较精确的激光指向仪进行测量定位。

（2）采用超前锚杆支护与挂钢筋网、喷混凝土处理扩挖过程中遇到的断层，当沿断层岩体蚀变明显时，扩挖应遵循“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护”的原则进行施工，尽量避免施工事故的发生[4]。

4 结论

（1）先导孔钻孔圆心及导井圆心位置距离斜井圆心1.5 m，方便后期溜渣，能减少扩挖施工期人工扒渣量，缩短了循环时间与整体工期。

（2）综合考虑导井扩孔直径、井深长度、倾角及围岩岩体抗压强度，本工程引水斜井导井扩孔方案选用ZFY3.5/150/500 反井钻机由下往上刷大的方法。

（3）本工程导井直径2 m，导井断面大，斜井扩挖爆破后块度较小，施工过程中只要施工组织合理，出渣及时，导井堵井的几率很小。