反井钻机法在黄金峡水利枢纽出水洞竖井开挖中的应用

黄和平

（中国水利水电第十二工程局有限公司, 杭州 310030）

随着我国水利建设领域投资的不断增加，地下工程也越来越多，而在这些工程中竖井建设占有比重越来越大。引水系统中的竖井、出线井、调压井、通风井、闸门井等比较常见。竖井施工工作面窄小、通风困难，受高空作业、落石、炮烟和粉尘等危险因素影响，竖井一直是水利水电行业施工的重难点，同时近几年竖井工程的直径和深度等参数不断变化，遇到的地质条件复杂情况不一，对竖井施工方法的选择及安全保障有了新的要求。

竖井施工分为全断面一次开挖法和反井开挖2 种方法，全断面一次开挖法适用于洞径相对较小竖井开挖。反井开挖有正井、反井或正反井结合法。传统反井法目前在水利水电工程中广泛使用，施工工艺应用较为纯熟[1]。人工反井施工方法对井深有一定的限制要求，井深越深，施工难度更大，安全问题更突出，同时遇地质条件复杂不宜采用该方法。黄金峡水利枢纽出水竖井开挖深度为103.13 m，下井段洞径ϕ7.8 m，渐变段洞径ϕ7.8 m～ϕ9.4 m，上井段洞径ϕ9.4 m，竖井岩体围岩分类属Ⅲ、Ⅳ类，围岩局部稳定性差，针对竖井地质相对较复杂，开挖洞径大，井深较深的特点，选择反井钻法进行施工，操作方便，更安全，同时能加快施工进度。近年来反井钻机设备、自动化、灵活性、施工工艺以及破岩效率等方面取得了长足进步，应用广泛。

1 工程概况

黄金峡水利枢纽工程位于陕西省汉江水道洋县境内。黄金峡水利枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、泵站电站建筑物、通航建筑物和过鱼建筑物等组成。拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高63 m，总库容2.21 亿m3，调节库容0.98 亿m3，正常蓄水位450 m，死水位440 m，如图1 所示。

图1 出水洞竖井纵剖面及围岩等级分类图Fig.1 Vertical profile of outlet shaft and classification of surrounding rock

黄金峡水利枢纽左岸输水隧洞由出水洞和出水池组成，出水洞平行坝轴线布置，由水平段、圆弧段和竖井段组成，水平段长184.37 m，圆弧段长28.27 m，竖井段长103.13 m。出水洞竖井由下井身段、渐变段和上井身段3 部分组成，竖井井底高程439.00 m，井口高程542.13 m，EL439.00 m～EL526.23 m 为下井身段，洞径ϕ7.8 m，EL526.23 m～EL536.23 m 为渐变段，EL536.23 m～EL542.13 m 为上井身段，洞径ϕ9.4 m。出水洞竖洞段及下平段洞室围岩岩性主要为闪长岩，微风化，裂隙不发育-较发育；围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，围岩局部稳定性差。黄金峡水利枢纽出水洞竖井地质相对较复杂，开挖洞径大，竖井深度较深的特点，竖井开挖存在一定的难度。在施工中，竖井开挖先采用反井钻法进行导孔开挖，反井贯通后再进行竖井自上而下扩挖至设计断面，利用反井从下部出水洞出渣的方法施工，施工不仅操作方便，快速，而且施工更加安全，施工获得了成功。

2 施工方案选择

竖井开挖先进行导孔开挖，反井贯通后再进行竖井自上而下扩挖至设计断面，利用反井从下部出水洞出渣的方法施工。目前反井开挖普遍采用的方法为反井吊罐法开挖，开挖方法一般采用自下而上钻孔、爆破，操作平台采用卷扬机吊罐，从下部出水洞平洞出渣。也有采取正井吊罐法开挖反井，开挖方法采用自上而而下钻孔、爆破，渣料采用卷扬机吊罐吊至上部出渣。也有正反井结合法。但因竖井段岩石层理明显，导孔自下而上或自上而下开挖过程中易掉块，安全风险大，同时工程进度较慢，不能满足施工工期要求。

黄金峡水利枢纽出水洞竖井地质相对较复杂，开挖洞径大，竖井深度较深的特点，竖井开挖先采取反井钻机施工反井(竖井)，再进行竖井自上而下扩挖至设计断面，利用反井从下部出水洞出渣的方法施工。采用反井钻机法施工，主要有以下优点：①效率高。反井钻机法连续施工，速度快，较其他方法提高5～10 倍工效，为后续施工奠定良好基础，效益明显。②质量好。反井钻机采用滚刀机械破除岩石，对围岩的扰动比较小，井壁光滑，有利于扩挖溜渣、通风、排水。③易操作。采用液压控制，容易操作，工作强度不大。④人员安全。施工人员不用进入工作面钻孔、装药和支护等作业，直接呆工作面顶部，不会受落石和有害气体的伤害，避免发生安全事故[2]。

3 施工工艺流程及施工方法

3.1 竖井开挖施工工艺流程[3]

竖井开挖施工工艺流程如图2 所示。

图2 竖井开挖施工工艺流程Fig.2 Construction process flow diagram of vertical shaft excavation

3.2 竖井施工方法

3.2.1 圆弧段施工

圆弧中心线半径18 m，弧长28.27 m，作为出水平洞与竖井的连接段，与出水平洞连接处洞底高程417.00 m，与出水竖井连接处高程439.00 m。

圆弧段施工与平洞段相接部分同平洞段施工时一起完成，为达到反井钻机施工作业条件，开挖至圆弧段起点时，继续向洞内施工20.2 m 进行技术性超挖[4]，施工示意图如图3 所示。

图3 技术性超挖施工示意Fig.3 Schematic diagram of technical overbreak construction

待技术性超挖完成后，进行出水洞上部圆弧段施工，上部圆弧段同竖井同步施工，先进行竖井导孔钻孔，钻孔完成后，再进行反井施工，反井施工完成后，反井底部预留石渣，提供锁口支护平台（见图3），待支护完成后进行上部的扩挖施工，扩挖施工采用分层台阶法开挖，周边预裂爆破，配备3 m3装载机和15 t 自卸汽车井底出渣。

技术超挖控制[5]：

（1） 在进行技术超挖前根据地质条件、开挖断面和方法、循环进尺、钻眼机具和爆破材料等参数进行钻爆设计。

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（2） 严格控制开挖循环进尺，缩短不良地质段开挖进尺，控制爆破，采用满足刚度和强度的支护设计。

（3） 严格控制开挖断面，不欠挖，超挖控制在规范允许范围内，具体措施：①采用合理钻爆参数，选用优质的爆破器材，优化爆破工艺，保证爆破质量；②提升钻眼的精度，按设计轮廓钻眼，控制钻孔方向，减少超挖值。保证装药的质量，将药卷用竹片加工成药串。严控炮眼装药量，堵塞质量好，雷管不得混装。

3.2.2ϕ1.4 m 反井施工

反井施工工艺流程见图4 所示。竖井段反井开挖采用BMC300（ZFY1.4/300）反井钻机进行施工。首先钻设直径244 mm 导孔，导孔贯通后，然后在竖井下部安装直径1.4 m 的扩孔钻头，自下而上扩挖导孔成为直径1.4 m 的反井，开挖渣料采用3.0 m3侧卸装载机和15 t 自卸车从平洞段出渣。根据施工进度计划及结合现场实际条件，竖井段反井开挖日平均进尺约12.5 m。

图4 反井施工程序框图Fig.4 Block diagram of pilot shaft construction program

3.2.3 锁扣圈梁施工

为防止井口坍塌和井下安全，对竖井采用混凝土锁口。反井施工完成后，二次扩挖前按设计要求完成锁口支护。因井口围岩较破碎，采用1.5 m 短进尺扩挖竖井，结合具体的地质情况及时进行圈梁施工[6]。锁口圈梁的施工工艺如图5 所示。

图5 锁口圈梁施工工艺流程图Fig.5 process flow diagram of locking ring beam construction

3.2.4 二次扩挖施工

3.2.5 不良地质段施工

竖井施工过程中可能遇到断层、塌方、裂隙等不良地质段，做好超前地质预报、安全监测和支护、不良地质段处置等工作[7]。施工中加强围岩变形监测。监测中发现的问题及时报告监理人并执行监理人指示。在不良地质段施工一般遵守下列原则：

（1） 减少扰动围岩，采用短钻孔、少药量和多循环等措施；

（2） 排水通畅，锁好洞口，清理浮石，做到一掘一支护；

（3） 开挖后及时支护跟上；

（4） 遇到不良地质问题，及时采取针对性有效支护；

（5） 强化监测，多检查巡视，系统分析监测成果；

（6） 注意不良地质条件下施工安全。

4 反井堵塞预防及处理

反井钻机法施工，反井保持畅通十分重要。本工程从反井堵塞原因着手分析，制定了预防和处理反井堵塞具体措施，有效指导施工，为竖井采用反井钻机法施工提供了技术保障。

（1） 堵井原因分析：①反井断面较小，溜渣过程中大块石容易相互挤压，导致堵井；②施工过程中未严格按钻爆设计参数要求控制，出现大量超径石导致堵井；③竖井倾斜厉害，倾斜段溜渣滞后，导致溜渣堵井；④竖井砂浆锚喷凝结于井壁，造成反井直径变小，从而堵井[8]。

（2） 反井防堵措施：①优化竖井扩挖爆破设计，使用较小炮孔间排距，控制爆破后石渣粒径，最大块体小于反井1/3。②控制反井溜渣量，防止大量洞渣同时下井。对少数粒径较大洞渣，单独扒渣下井。③保证及时出渣，避免井底堆渣堵住下井口。④在反井钻施时，要加强偏斜量监测和纠偏处理。⑤支护过程中尽可能减少掉渣量，定期冲洗井壁，冲洗干净井壁的喷混凝土料，保持溜渣顺畅。⑥采取技术手段，对井底下弯段进行技术扩挖，可避免反井在井底堵塞，同时也便于出渣。⑦加强现场管理，各司其责。落实各项措施，当出现问题时，及时分析处理，保证竖井顺利施工。

（3） 反井堵井处理措施根据不同的堵井情况确定处理方法：当堵井发生在扩挖深度≤5 m 时，用反铲挖除井内的积渣，疏通堵井。如疏通不了，则用钻机钻孔震动疏通。如仍不能疏通，用钻机钻孔爆破疏通。作业人员必须系牢安全带或安全绳，安全绳不得过长，以能满足正常清理工作为准。

当堵井发生扩挖深度＞5 m 时：①首先清理小块碎渣后，在人工清理反井口小块碎渣时，只允许清理表面浮石，不得撬动被卡住的块石，然后将炸药包安放好，用导爆索延长至井口地面，在地面引爆。施工人员必须系好安全带、安全绳，安全绳不得过长，以能满足正常清理工作为准，应有专人在井台固定安全绳负责收、放安全绳。应将清理出的石块运送到井口平台，不得码放在井口上方。②高压水冲刷法：首先尽可能清理堵井的碎石，用龙门吊将石渣吊出，然后用高压水冲洗堵井处，将碎石冲下，减小石块间磨擦力，促使岩石自然滑落。

堵井部位距离下井口的高度为0～15 m 时，采用长杆绑炸药包处理；当高度为15～25 m 时，可采用氢气球携带药包飘升至堵塞部位起爆处理。

5 竖井施工安全保障措施

反井钻机法施工，施工安全较其它施工方法有了很大提高，但仍存在较大安全风险，应建立以下施工安全保障措施：①建立竖井扩挖施工的安全生产保证体系，设立项目部竖井扩挖施工安全监督小组，层层落实安全责任，加强施工安全生产培训教育及交底，施工区域实行封闭管理，设置施工隔离区，禁止无关人员、非作业车辆进入。②做好竖井施工中防坠落、防物打、防坍塌措施，落实安全检查制度。③竖井临时支护要紧跟扩大开挖面；竖井与平洞连接段，将连接段加固后再开挖；竖井必须边开挖边进行支护，上一个循环支护完成之前，不得进行下一个循环开挖，以确保工程安全；爆破后必须认真处理浮石和井壁，避免落石伤人毁物。④当井筒扩挖剩余高度为1.5 倍洞径时，所有施工人员必须系好安全带，防止反井壁发生坍塌，造成人员伤亡事故。⑤根据工作面实际情况，对围岩稳定进行及时监测、分析和预报。⑥对不良地质段采取“短钻孔、少药量、多循环”的施工方法，减少对围岩周边的扰动，确保施工安全。⑦最后两炮扩挖渣料预留在下平洞中，为最后一层支护提供工作平台，支护人员做好安全防护措施[9]。

6 应用效果

黄金峡水利枢纽项目出水竖井开挖计划于2020 年12 月6 日开始，于2021 年1 月10 日完成反井开挖，2021 年4 月30 日完成二次扩挖及支护施工。竖井采用反井钻机法施工，其具有明显的优越性。①施工进度较快，月平均进尺69 m，最终较计划提前8 d 完成。②利用反井钻机法施工，降低了工人的劳动强度，安全保障性大大提高，在施工全过程中，未发生一般及以上安全事故。③竖井形体控制质量好。采用反井钻机法施工，代替了传统的人工钻孔+爆破施工，做到了机械化减人、不存在超欠挖现象，竖井井体形体控制良好，保证了工程质量。

7 结 语

黄金峡水利枢纽出水洞竖井开挖深度103.13 m，洞径为ϕ7.8 m～ϕ9.4 m，竖井岩体围岩分类属Ⅲ、Ⅳ类，围岩局部稳定性差，针对竖井地质相对较复杂，开挖洞径大，竖井深度较深的特点，选择反井钻法进行施工[10]。采用反井钻法施工，极大改善了工人的工作条件，减小了施工风险，确保了整个竖井贯通施工安全，在施工全过程中，未发生一般及以上安全事故；同时保证了施工进度，工程较计划提前8 d 完成，竖井开窟施工获得了成功。本文以反井钻机法在陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽竖井开挖中成功应用为例，对反井钻机法施工进行了总结，阐述了反井钻机法开挖施工工艺及方法，反井堵塞预防及处理、安全保障措施等，尤其是在施工过程中，采用技术超挖和反井防堵及堵井处理措施，其成功的施工技术和经验，可为类似工程提供施工经验和技术参考。