抽水蓄能电站斜（竖）井导井开挖施工技术综述

潘福营，温学军

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林省敦化市 133700 ）

0 引言

一座抽水蓄能电站工程通常设置有上水库闸门井、引水上斜（竖）井、引水下斜（竖）井、下水库闸门井、调压竖井、通风竖井、出线斜（竖）井等多条斜（竖）井，斜（竖）井特别是斜井施工难度最大，安全风险最高，一直是抽水蓄能电站工程施工过程中的重点、难点项目之一。斜（竖）井施工工艺一般先开挖一导井，再从上至下按照设计断面扩挖，扩挖渣料通过导井溜到斜（竖）井底部再装车运走，斜（竖）井导井施工经历了人工法到机械法的发展过程，特别是反井钻机法开挖导井，是水电工程的一重大技术进步，导井施工主要有人工开挖法、吊罐法、爬罐法、反井钻机法等施工技术，本文就抽水蓄能电站斜（竖）井导井施工技术进行全面总结概述。

1 斜（竖）井开挖施工技术

1.1 人工开挖正导井方法

人工开挖正导井即从斜（竖）井顶部从上至下开挖，在导井顶部布置提升设施，竖井施工时用龙门吊提升石渣、钻具、火工品等材料，斜井施工时需在导井下部铺设轨道，利用绞车或卷扬机提升材料，导井较短时人员通过专用爬梯上下工作面，如果斜（竖）井较长，人员通过专用提升设施上下工作面。各种提升设施需要专业单位设计，安装完成经验收合格后才能投入使用。

人工正导井施工过程中，施工人员可以及时掌握导井围岩地质情况，可以随开挖随支护，能保证作业面和已完成开挖部位的安全防护。人工正导井是最原始的开挖方法，也可以一次开挖成型斜（竖）井，适用于所有工程，投入设备少，施工成本低，但是正导井随着导井深度的增加，出渣、运输材料、人员上下的速度越来越慢，施工进度较慢，同时提升设施的安全风险等级越来越高。溧阳抽水蓄能电站由于围岩地质条件较差，反井钻机等设备无法施工，几条300多米的引水竖井、出线竖井和进出水口竖井全部采用正井全断面开挖施工完成，成功解决了围岩地质条件较差的竖井施工技术，解决了安全风险管控问题，是人工正井开挖施工最成功的案例。

1.2 人工开挖反导井方法

人工开挖反导井即从斜（竖）井底部从下至上开挖反导井，施工人员通过在反导井井壁安装插筋作上下爬梯，钻具、火工品等材料通过滑轮小车提升，爆破渣料自由落体到导井底部。反导井在开挖前首先利用地质钻机或潜孔钻从斜（竖）井顶部中心向下钻一φ100mm左右的钻孔，作为反导井施工时的通气孔。

人工反导井施工过程中作业人员基本无法采取有效的安全保证措施，安全风险极高，且施工进度慢，仅适用于围岩地质条件好的短导井开挖施工，应禁止采用人工反导井法，如果必须要采用此施工工艺应进行充分论证后限制使用。

1.3 吊罐法

吊罐法施工只适用于竖井导井施工，施工前需要在导井顶部中心利用潜孔钻向下钻一φ100mm左右的钻孔，用于开挖过程中吊罐导向、吊罐提升、作业通风和上下通信用，导井顶部布置提升系统，底部设置一吊罐，吊罐为定制产品，用于保护作业人员上下和施工时的作业平台，提升系统的钢丝绳通过φ100mm钻孔与吊罐连接，吊罐通过提升系统在反导井内上下升降，到达导井底部开挖作业面后固定吊罐，人员在吊罐平台上作业，作业完成后再放回到反导井底部。

吊罐法适用于围岩条件好、深度低于50m的竖井反导井施工，相比人工开挖反导井方法增加了吊罐作为作业人员的安全防护设施，但是安全风险和管理难度仍较大，建议限制采用，如果采用应进行充分论证，做好安全防护措施后实施。

1.4 深孔爆破法

深孔爆破法只适用于竖井导井或竖井全断面开挖施工。深孔爆破法是在反导井底部洞室开挖完成具备通行条件后，测量人员在反导井顶部按照设计进行放线标识，布孔后用深孔钻机从上至下钻一组孔径φ90～110 mm垂直平行孔，钻孔过程中要保持钻孔的精度和垂直度，钻孔一次完成后，从下至上按照批复的爆破设计采用分段多次爆破或孔内分段装药、孔间分段后一次性进行爆破，形成导井。深孔爆破法通常采用菱形掏槽形式布孔，对施工技术要求高、对爆破设计要求高、对爆破参数落实要求标准高、对爆破人员技术水平要求高、对安全质量控制水平要求高，因此对现场施工管理水平要求高。

深孔爆破法安全性高，施工速度快，施工投入少，施工成本低，也可以一次达到设计开挖断面要求，但是爆破后导井周边超欠挖控制难度大，导井成型质量差，更适合深度50m以内的大断面竖井导井开挖，对有结构要求的竖井不建议采用深孔爆破法进行全断面开挖。

1.5 爬罐法

爬罐为一专用施工机械设备，设置有主、副爬罐，斜（竖）井下部平洞开挖完成且具备通行条件后，将爬罐主设备布置在距导井底部一定距离平洞内，爬罐主设备布置后下部具备正常通行条件，随着导井开挖延伸，沿着导井顶部反吊爬罐上下移动轨道，轨道通过专用的胀壳式锚杆和支架固定，爬罐用主设备上布置的带齿轮的发动机升降，带动爬罐沿导轨上下移动。施工人员站在爬罐内操作升降，到达工作面后，将爬罐固定，利用爬罐做操作平台，人员站在爬罐上进行钻爆作业，工作完成后人员回到爬罐内，通过操作爬罐回到导井底部主设备上撤离，人员通过主爬罐上下，施工材料通过副爬罐运输。

爬罐法1957年首先在瑞典成功应用于反导井开挖施工，国内以阿力马克（ALIMAK）爬罐应用开挖反导井为代表设备，首先在广州抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站成功应用，爬罐的成功应用也是一项重大施工技术进步，随后在水电工程得到了全面的推广应用，主要项目有宝泉、西龙池、桐柏、仙居、丰宁抽蓄等项目引水斜井，月进尺可以达到100m以上，西龙池抽水蓄能电站利用爬罐成功开挖了382m的长斜井[1]。

利用爬罐开挖导井位置偏差可控，成型断面大，断面平整度好，利于溜渣，安全性和施工效率较人工法有了很大的进步和提高。但是爬罐设备操作相对复杂，对锚杆的施工技术和施工质量要求高，人员作业空间相对狭小，作业环境差，顶部掉块的风险较高，特别是导井开挖长度超过200m以后，通风散烟困难，通风时间长，安全风险仍然较高，目前国内、国外生产爬罐厂家较少。

爬罐法更适合于围岩条件较好的300m以内斜井导井开挖，应用于长斜井开挖时，通常采用爬罐法开挖反导井与人工开挖正导井相结合的方法。

1.6 反井钻机法

反井钻机为专用施工机械设备，在导井底部隧洞开挖完成具备通行条件后，反井钻机在导井顶部固定，先采用小钻头从上至下钻到下平洞，在钻进过程中利用泥浆泵或高压水泵将按照要求配置的泥浆从泥浆池抽至动力水龙头，高压水沿钻杆至钻头排水孔压出，同时将石渣从导孔壁与钻杆间的空间排至排渣槽，最后进入沉渣池。导孔贯通后卸下小钻头，换成大直径φ1.2m、1.4m、2.4m等不同规格的盘形滚刀钻头，由下向上反提扩孔，利用镰齿盘形滚刀在钻压的作用下沿井底滚动造成对岩石切削、挤压完成竖井及斜井导井开挖，扩孔时的石渣经过冷却水的冲刷和自重坠落到下平洞。

反井钻机导井施工方法于1950年在北美首先发展，国内早期主要应用于煤矿项目施工，1992年我国水电系统第一次在十三陵抽水蓄能电站的出线洞、调压井和高压管道斜井等工程上引进反井钻机，使用反井钻机进行导井法施工，并取得了高效、安全、优质、经济的效果，后续在水电工程斜（竖）井工程得到了广泛的应用。国内水电工程早期应用的反井钻机以国产的小型LM系列为代表，其钻孔深度在200m以内为佳，反导井直径一般为φ1.2m/1.4m，为了防止在扩挖时爆破渣料堵井的风险，导井形成后需要人工再二次扩挖形成3m左右的导井，开挖月平均进尺可达到100～150m，施工效率和安全性实现了斜（竖）井施工质的飞跃，但是此反井钻机更适合于竖井开挖，用于斜井施工时，导孔偏斜度控制难度大。2016年黑龙江荒沟抽水蓄能电站350m长斜井采用大口径TR3000 反井钻机进行斜井导井施工，四条斜井导孔偏斜率均小于1%，具体导孔偏斜率见表1，一次成型导井直径φ2.4m，为国内水电工程首次在长斜井中应用。TR3000反井钻机扩孔直径φ1.8m～φ3.1m，不需要二次人工扩挖导井。TR3000反井钻井配置有稳定钻杆和配套的CX-6C无线光纤陀螺测线仪进行导孔测斜，有效控制导孔偏差[2]，钻井深度300m以上偏斜度仍较小，敦化、丰宁、天池、长龙山等项目普遍开始应用大口径反井钻机施工导井，应用效果良好。

表1 荒沟抽水蓄能电站TR3000导孔偏斜率情况表Table1 Table of guide hole deviation slope of TR3000 in Huanggou pumping storage power station

反井钻机在施工斜（竖）井导孔过程中全部采用机械设备，施工人员不需要下到导井内作业，反井钻机操作简单、安全、高效，对环境造成污染非常小，特别是大口径反井钻井作业人员比较少，施工速度快，钻孔精度高，导井断面尺寸大，是目前导井施工普遍采用的施工工艺。但是反井钻机设备费和转运费相对较高，施工成本较人工法相对偏高。

1.7 定向钻机加反井钻机开挖导井方法

对于长斜井导孔的偏差度控制非常重要，为了提高导孔钻孔精度，2016年开始丰宁、敦化、长龙山、文登等抽水蓄能电站引进了定向钻机施工技术，其施工工艺主要是利用定向钻机在导井顶部就位，先利用φ216mm小钻头钻设高精度导孔，在小钻头钻进过程中该钻机具备纠偏和调整钻孔方向的功能，保证了钻孔的精度和偏斜度，小钻孔完成后拆除φ216mm钻杆，换接TR3000等大型反井钻机施工所需要的φ295mm钻头从上至下进行二次扩孔。扩孔完成定向钻机撤离，由大口径反井钻机反提2400mm钻头形成反导井。

定向钻机的核心是纠偏功能，无线随钻测斜仪在定向钻的工作全过程中，均安装于φ216mm螺杆钻具后的无磁钻铤内，随时可以对钻孔测斜，每次测试时间不到2分钟。实现了随时钻进，随时测量，随时纠偏，钻进过程中以泥浆为传输通道，将钻孔的实时倾斜度、孔斜方位角、顶角、孔深等参数通过编码转换为电脉冲信号反馈到仪器上供施工人员使用。一般是每钻进一根钻具测斜一次，5～10m为一个测点，进行一次偏斜测定，以确保导孔偏斜度得到控制，实际应用效果良好，几个项目实际导孔偏斜率见表2。

表2 部分抽水蓄能电站定向钻机导孔偏斜率情况表[3]Table 2 Table of guide hole deviation slope of directional drill in some pumping power stations[3]

定向钻机保证了导孔的钻孔精度，加速了导孔的施工进度，减少了大口径反井钻机的施工时间和投入数量，运转灵活，成本相对较低。定向钻机加反井钻机施工长斜（竖）井导井的施工方法具有推广价值。

1.8 TBM施工法

TBM 英文全称为“Tunnel Boring Machine”，特指全断面岩石隧道掘进机，是一台集中机械、液压、电子、激光、监测、自动控制等各种先进技术于一体的高度机械化、自动化和智能化的大型隧道开挖机械装备，实现了开挖、出渣和支护等多道工序同时作业的要求。

TBM可以根据开挖直径要求定制设备，可以先开挖导井，也可以一次开挖成型斜（竖）井，可以从上至下、也可以从下至上进行导井开挖施工。TBM掘进时，刀盘在主推进油缸的推力作用下向前推进，刀盘破岩切削下来的石渣通过配套的皮带输送机转运到矿车上运出洞外。TBM配置超前地质探测设备，可以进行超前地质预报用于指导施工，保证施工安全，掘进同时可同步进行出渣、初期支护、轨线延伸、风、水、电管线延伸、物料运输等作业，各工序互不干涉，实现了跟进支护，避免了单工序作业对施工进度的影响。

国内TBM广泛应用于水利、矿山、铁路、市政交通等领域，在抽水蓄能电站斜井还没有应用案例，国外抽水蓄能电站大坡度斜井隧洞TBM应用案例较多，最大应用斜井坡度达到了52.5°，最大开挖直径达到了9.03m，月平均进尺250m。

TBM较传统钻爆工法具有隧道施工“工厂化”、机械化程度高、快速、安全、人员投入少、劳动强度小、对围岩扰动小、施工环境好、支护质量好、减少隧道开挖中辅助工程等优点[4]。缺点是设备成本高、灵活性较差、一台设备只能开挖一种断面。但是从社会发展趋势，随着社会劳动力减少和安全管理需要，TBM施工技术应该是以后的发展方向。

2 结束语

抽水蓄能电站斜（竖）井导井开挖有人工正导井法、人工反导井法、吊罐法、深孔爆破法、爬罐法、反井钻机法、定向钻机加爬罐法、爬罐加反井钻机法、定向钻机加反井钻机法、TBM施工法等各种施工工艺，每种方法都有其适用性和经济合理性，在实际工程中要根据工程的具体特点[5]，在保证安全和质量的前提下，经充分论证比较技术可行性、经济合理性、施工进度安排等综合因素后确定。同时也需要专业人员进一步研究先进的装备、技术在斜（竖）井施工中的应用，促进水电施工技术发展。