水电站竖井开挖施工

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 一、概述     1、工程概述     周宁水电站位于福建省周宁县，属穆阳溪第二梯级电站，枢纽主要由坝高73.4m的碾压混凝土重力坝、长12.36km的引水隧洞以及高压竖井、压力管道、地下厂房洞室群和地面式升压开关站等主要建筑物组成。水库库容0.47亿m³，总装机容量2×12.5万kW。     电站引水高压竖井由上部调压井（EL634～EL560）和下部的竖井（EL180.75～EL560.00）组成，总高为453.25m。引水隧洞轴线高程为EL560.00，调压井设计开挖直径为8.9m；竖井设计开挖直径有5.7m和5.9m，竖井下部接高压管道下平段；鉴于竖井开挖及后续项目施工安全的需要，将引水高压竖井井壁统一增加5cm厚C20素砼作为临时支护，相应开挖断面直径增大10cm；为保证工期及施工方便在竖井中部设一竖井施工支洞，分岔进入竖井。     2、工程地质情况     竖井的主要岩石为燕山晚期侵入的钾长（晶洞）花岗岩，饱和极限抗压强度弱风化岩石为80～140mpa、微风化～新鲜岩石为100～170mpa；地下水位高程为EL523m，隧洞围岩相对不透水，岩体微风化～新鲜，岩体中高倾角65°～90°的裂隙发育，充填高岭土、铁锰质及硅质脉，宽0.5～1cm，多呈薄片状，岩体较完整.高程EL308m~EL305m有F60（NE60°NW∠80°）断层通过。断层及破碎带岩体为Ⅲ~Ⅳ类岩体。在EL488m、、EL425m、EL409m～EL405m等风化夹层，倾角55°～75°，宽1～3cm、岩体破碎，有夹层处围岩为Ⅳ类。EL382m处有一细粒花岗斑岩脉通过、倾角20°～40°，宽80cm，与围岩接触较好。EL223m处有一辉绿岩脉通过，倾角35°宽50cm，与围岩接触较好，除有夹层和断层破碎带通过的竖井段外，其它竖井段围岩中等～完整，属ⅠⅡ类围岩，属中等地应力地区。     二、施工重点、难点和安全因素分析     根据引水高压竖井结构特点、岩石及地质情况，结合本工程主体建筑物的布置与结构型式，类似工程的施工经验，目前竖井施工的施工机械，重点从以下几个方面与常用的施工方法进行比较，再确定总体施工方法。     1、深井通风与除尘问题     通风与除尘是排除炮烟粉尘及有害气体，改善施工环境，保障施工人员身体健康，缩短循环时间，加快施工速度的重要工序。目前，隧洞通风主要以机械通风为主。但对于高达453.25m深井的通风与除尘问题将面临着极大的困难。因此施工中选择一种尽量使用自然风与机械通风来进行通风与除尘以改善施工环境的施工方法是必不可少的考虑因素。     2、深井施工的安全问题     安全是每个职工的生命，因此每个工程队伍都必须将“施工安全”放在首要位置。但在目前的开挖施工中常用的机械设备是手风钻，工作人员必须进入工作面打眼放炮，受有害气体、塌方、落石、淋水的危害，安全很难保证，伤亡事故经常发生。尤其是对较深井更是难以保证施工的安全。因此，选择一种能保证施工安全的先进设备是很有必要的。     3、深井施工的交通和设备配置     周宁水电站引水高压竖井在同一个投影面上，工作面狭窄，如何合理的设置施工通道和配置设备是加快施工进度，缩短建井周期，增强效益的关键。     4、进度分析     根据本工程的工期要求及施工特点，引水隧洞、高压竖井、高压管道下平段的施工工期为2001年12月15日开工至2004年8月1日支洞封堵结束，具备充水调试条件。总工期为（19个月零17天），高压竖井的开挖施工工期只能为8个月；后来业主要求将工期提前3个月，相应的竖井开挖工期缩短，因此，要满足进度要求，必须采取合理的施工方法。     5、技术经济效果     作为施工企业，经济效益是首先考虑的前题。较优的施工方案应当是辅助工程量小，设备简单、施工安全、施工速度快。在深井的反井施工中有普通法掘进反井法、吊罐反井法、爬罐法掘进反井法及反井钻井法；普通法掘井反井法虽然有辅助工程量小，与其它作业相互影响小，不需要大型提绞设备等的优点，但是工作人员爬梯子上下困难、劳动强度大、材料运输不方便、坑木消耗量大、通风条件差、工作面易聚有害气体、在地质和水文地质条件较差时影响作业的安全。尤其在较高竖井施工中更为困难；吊罐反井法与普通法比较有工效高、速度快、劳动强度较低、施工经济等优点，但它事先需要钻机打精度较高的绳眼，前期准备时间较长、通风条件差、工作面易聚有害气体，影响作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间加长，施工速度明显减慢。难以保证施工安全及进度；爬罐反井法与吊罐反井法比较类似，具有工效高、速度快、劳动强度低的优点，但是设备投资较大，通风条件差，工作面易聚有害气体，影响作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间较长，施工速度明显减慢。反井钻井法较普通法和吊罐法的设备投入大，施工成本相对较高，但反井钻井法有工作效率高、施工安全、劳动强度低、工程质量好，因此钻机的高可靠性和安全性仍能保证在恶劣地质条件下以及深孔反井施工的经济性和高效性。     三、施工总体方案的确定     1、各常用施工方法的对比及与后续工作的关系     深井按施工方式可分为两大类，即人们所说的正井法和反井法。正井法是自上而下凿井，最常用的办法是采用人工或机械打眼放炮，人工装岩或抓斗抓岩，吊桶出碴，对于特殊地层也可以使用特殊方法，包括钻井法、冻结法、帷幕法和注浆法等，有时几种方法同时使用。反井法是自下而上凿井，其施工方法有普通法、吊罐法、爬罐法和钻井法。采用反井法施工导井，利用导井的通风、排水和溜矸（排渣）等作用；利用反井法施工深井较正井法施工导井设备投入少、速度快、综合经济效益高。     2、施工方法确定     为了保证施工的安全和进度，选用分段平行立体作业施工方法。根据结构和通道施工分段如下： 引水高压竖井分段参数表                       表1 分段 高程 上通道 下通道 总高(m) 开挖直径 开挖量 Ⅰ段 EL557.00m~EL634.00m 调压井口 引水洞 77 9.0m 4899 m³ Ⅱ段 EL369.00m~EL557.00m 引水洞 竖井支洞 188 5.8m 4967 m³ Ⅲ段 EL180.75m~EL353.00m 竖井旁洞 下平洞 169.25 6.0m 4785 m³ 岩塞段 EL353.00m~EL369.00m 竖井支洞 竖井旁洞 16 6.0m 452m³       2.1 开挖施工方案     施工过程中各段各工序交叉施工以加快总体进度，采用分段反井钻机进行导井施工、正井扩挖和支护同步完成的施工方法。施工顺序为： 竖井总体施工顺序安排；     四、主要施工技术难点及措施     4.1、分段平行立体作业施工技术     高压引水竖井成90⁰角直立形，工作面狭窄，如何合理分段进行立体平行作业法施工是加快施工进度的关键。根据竖井的结构特点，原设计有三个通道，为了保证工期，经专家咨询，增加一个施工支洞，分两个洞口进入竖井，共形成五个通道。       开挖期，Ⅲ段与Ⅰ段同步施工，Ⅲ段与Ⅱ段同步施工，以岩塞段进行分隔，Ⅱ段导孔井施工与上游闸门井同步施工进行分隔。     开挖与砼交叉期，Ⅰ段砼与Ⅱ段开挖同步，Ⅱ段开挖与Ⅲ段砼同步，Ⅱ段开挖完成，Ⅲ段砼完成后进行岩塞段开挖采用从竖井旁洞出渣。     4.2、井内交通运输系统及安全系统     较深竖井主要解决的是人员的上下交通、材料运输及安全通道问题。     人员和材料运输设置一个无轨吊篮，在吊蓝两侧设一稳定钢绳，钢绳下部设配重（500KG），设专用卷扬机，在吊蓝上设捕绳器（bf-111型），并从煤矿行业引进先进技术，在上井架上设缓冲器，以解决瞬间制动后人员材料的缓冲击。     在井的一侧设置安全爬梯。每24m设置一个休息平台，每12m设一个休息防护罩。并每24m作一个交错。交错上方设置防护顶，作为紧急安全通道。     安全系统主要是设备的安全和控制、信号系统，主要设备安全是卷扬机的运行速度（4～8m/h），制动系统为自动和手动结合。     控制信号为电铃和灯光两个并联，安排专人管理，控制线与吊篮同步下井，由井内人员控制信号，井口值班人员操作，信号为井内外双向互动，控制电压为36V，并在钢绳上设到位标志。各工作面间的通讯连接采用内部自动电话。     4.3、反井钻机施工技术：     高压引水竖井属于较深的深井，施工难点主要是导井的施工，经过安全、技术、进度及经济比较100m以上竖井选型采用LM-200型反井钻机。主要技术参数如表2              LM-200型反井钻机主要技术参数            表2 型号 导孔直径/mm 扩孔直径/m 深度 /m 转速/rpm 扭矩/kNm 推/拉力/kN 总功率/kW 外形尺寸长×宽×高/m LM-200 216 1.4 200 0-20 40 350/850 82.5 3.2×1.7×3.4       使用反井钻施工，先导孔的质量是整个竖井成型的关键，所以反导井施工的关键是如何解决先导孔偏差问题，由于周宁水电站竖井岩体为高倾角80°，倾向与引水洞轴呈30°，在竖井Ⅲ段第一次先导孔施工中，偏差＞2%，而设计要求的先导孔偏差≤1%，因此作为废孔。分析主要有不良地质段，层间软弱地质带出现，抗压强度差别大，是造成偏差的一个原因；安装精度，开孔段和不良地质段的造孔速度是另一个原因；合理加设稳定钻杆，合理控制钻进速度是第三原因，根据第一次钻孔的偏差情况，第二次钻孔时向倾向方人为移动700mm。成孔后，偏差为1.1%，由于有人为移动，达到设计要求，Ⅰ段与Ⅱ段岩性相对均一，一次施工精度达到设计要求。     主要采取的纠偏措施为：安装钻机精度控制在0.15%以内；先导孔施工时，孔口30m，用1~3m/天的钻进速度；钻杆前30m增加稳定钻杆数量，前5m各一根，之后3:1到5:1最后到10:1；合理采用钻压和转速，并在开孔时采用扶正器等方法，施工参数见下表3。                   反井钻机主要施工参数                表3 钻进位置或岩石情况 钻压(kN) (rpm) 预计转速(m/h) 导孔开孔 50 10-20 0.2-0.5 钻透到下水平前 50-70 20 0.5 正常 70—100 20 0.6-1.0       五、扩大开挖支护施工     各段的反导井施工结束后，结合竖井的结构和反井钻导井尺寸，根据以往的经验，并通过爆破试验，φ6.0m井采用导井从φ1.4m先进行一次刷井，扩大到φ2.5m，再进行全断面扩挖和支护。全断面一次从φ1.4刷大到设计断面。各段竖井的扩挖顺序如下：爆破试验参数表如表4：

 

   
各段竖井的扩挖工序：

 

    5.1、工序说明：     5.1.1、测量控制：     溜渣导井扩挖规格线控制：从洞外控制网经测量导线引控制点到井口附近，在井口处搭设一过竖井中心的工字钢支架，在支架的中心固定一个能垂直升降的垂球，以较正竖井中心线用，由于是中导洞，开挖规格要求不高，不再进行精确放线。     设计轮廓扩挖规格线控制：从洞外控制网经测量导线引控制点到井口附近，竖井井口15m以上扩挖井口井架未安装前，制作垂直移动控制点，用垂球把控制点引在开挖掌子面放线。井口15m以下扩挖待井口井架安装到位后，把井口控制点引到井架上，在井架上做好激光准直仪支座，再把激光准直仪固定在支座上，进行校核合格后再用激光束导向，井下用钢尺放样，并定期检查准直仪的精度，同时检查上一排炮的超欠挖情况。     5.1.2、钻孔：扩挖均采用人工手风钻钻孔。     5.1.3、装药与起爆：将火工材料用吊笼运到工作面，人工装药联线，孔内用秒延时非电雷管，孔外用火雷管引爆非电，用36V电线带电炉丝缠在导火索上在孔口点火。 5.1.4、出渣：人工将工作面松渣全部扒下导井后，盖好下料导井井盖，才能出渣，用装载机配合自卸车在下部施工支洞出渣。 5.2、爆破设计： 因竖井I段、II段、III段施工顺序及方法各有差异，现分别给予说明： 5.2.1、竖井I段扩挖 竖井I段总高71米，开挖直径为8.9米，反井钻形成的导孔中心与I段中心向下游侧偏心1.55米，根据以往工程的经验，进行扩挖爆破试验，井口以下20M范围内为爆破试验段，因爆破试验段围岩稳定性的实际情况不定，在该段的施工中只能暂按设计提供的围岩类别结合施工规范及相关的施工经验进行试验性的开挖施工，以尽可能的减少对围岩不必要的振动影响，同时不发生导井堵塞现象为标准，不断调整爆破参数。 第一排炮先直接利用φ1.4m导井作为溜渣通道，进行全断面扩挖，布孔间排距为60～75cm，用秒延时非电雷管引爆，放炮后，导井被堵，经放炮震动仍未能贯通，用反铲扒开后发现，堵塞导孔的石渣块径为45～55cm之间，3～4块相互交叉，分析有以下几点原因：溜渣导井偏小；导孔偏心对溜渣影响较大；分段延时不够长，单响爆破方量较大。 经过总结后，决定采用先将φ1.4m导井进行一次刷井，扩大到φ3m，再进行全断面扩挖和支护，扩大导孔后扩孔深可达3.5~4.5m，孔排距可放大到0.8m~1.0m，周边扩挖经试爆两排炮后，最终爆破效果达到95%以上，周边光面爆破质量很好，结合安全及进度综合考虑，最后确定竖井I段扩挖单循环为4.0米，爆破参数如下表。 在导井刷井时每次下井前须清除井壁浮碴，并在下井前用水冲井壁防止岩爆等情况出现。 竖井I 段爆破参数表 部位 钻孔参数 装药参数 孔径(mm) 孔深(mm) 孔距(mm) 排距(mm) 孔数(个) 药径(mm) 起爆顺序 单孔药量(kg) 段装药量(kg) 扩挖导孔 42 4000 800 800 11 32 S1 2.6 28.6 全断面扩挖 周边孔 42 4000 600 600 47 25 S13 0.9 42.3 崩落孔 42 4000 750 800 31 32 S11 2 62 　 42 4000 　 　 22 32 S9 2 44 　 42 4000 　 　 14 32 S7 2 28 　 42 4000 　 　 7 32 S5 2 14 　 42 4000 　 　 3 32 S3 2 6 总计 　 　 　 　 　 135 　 　 　 224.9 爆破效率为95%，扩挖方量为：235.9M3 单耗：0.953kg/m3   5.2.2、竖井III段扩挖： 竖井III段总高166米， 扩挖直径为5.7米，因考虑 III段整体地质情况较好,同 样采用先扩大φ1.4导孔为 φ2.5，再全断面扩挖的方 法，经试验后，确定单循 环孔深为3.0米，布孔 图见如右图所示。 III段钻爆参数表： 部位 钻孔参数 装药参数 孔径(mm) 孔深(mm) 孔距(mm) 排距(mm) 孔数(个) 药径(mm) 起爆顺序 单孔药量(kg) 段装药量(kg) II序 周边孔 42 3000 600 650 31 25 S5 0.6 18.6 崩落孔 42 3000 680 800 18 32 S3 1.6 28.8 I序 　 42 3000 670 　 14 32 S1 2 28 总计 　 　 　 　 　 63 　 　 　 75.4 爆破效率为95%，总扩挖方量：68.34 m3 单耗：1.10kg/m3 5.2.3、竖井II段扩挖 竖井II段总高177米， 开挖直径为5.9米，扩挖时 直接利用反导井孔，不再扩 大溜渣孔，直接全断面一次 钻爆的方式开挖，为保证爆 破粒径达到0.25D的要求， （D为导孔直径），减少导孔 堵塞的可能性，孔深不得大 于2.0m，为加快施工进度， 施工中经过多次试验调整， 确定单循环孔深为2.5米， 布孔图如右图所示。 竖井II段爆破参数表 部位 钻孔参数 装药参数 孔径(mm) 孔深(mm) 孔距(mm) 排距(mm) 孔数(个) 药径(mm) 起爆顺序 单孔药量(kg) 段装药量(kg) 全断面扩挖 周边孔 42 2500 600 650 31 25 S5 0.55 17.05 崩落孔 42 2500 680 800 21 32 S3 1.8 37.8 　 42 2500 670 　 14 32 S1 1.8 25.2 总计 　 　 　 　 　 66 　 　 　 80.05 爆破效率为90%，总扩挖量：58.05m3 单耗：1.38kg/m3     5.2.4、竖井各段完成时间情况： 竖井各段最终完成时段表： 部位 竖井I 段 竖井II 段 竖井III 段 φ216mm 2002.12.5～12.14 2003.2.18～3.1 2003.1.5～1.15 φ1400mm 2002.12.15～12.30 2003.3～5.14 2003.1.17～2.25 φ2500mm 2003.1.13～1.19 无 2003.2.28～3.22 φ5700(9000) 2003.1.20～3.1 2003.6.3～9.10 2003.3.23～6.04 总扩挖天数 47天 99天 94天       5.3、临时支护     5.3.1 导孔扩挖时，一般情况下不作支护，必要时采用短锚杆支护；     5.3.2全断面扩挖，根据开挖出露地质情况，确定2~3个单元开挖后再进行支护。根据不同类别的围岩，支护参数各不相同，Ⅲ类、Ⅲ-Ⅳ类围岩，井壁采用Ф25，L=300cm锚杆及素喷C30厚10cm相结合的方法；若遇Ⅴ类围岩将加长锚杆到400cm，再挂Ф6.5@25cm×25cm钢筋网喷C30砼15cm的方法，以确保施工安全。     锚杆施工采用手风钻造孔，普通水泥砂浆袋加早强剂注浆，人工安装锚杆。     喷砼采用干喷法施工，上部80m采用喷射管入井，下部采用把喷射机运到井底，再用吊盘运输半成品料喷护的方法，在吊篮中喷射，并在井内设一风扇加强通风。     六、防堵井措施、处理堵井措施及方法     在施工过程中，通过对竖井各段的施工，均发生大小不同的多次堵井，给进度及施工安全影响很大，现分析如下；     6.1 竖井I段在开始扩挖施工中，首先选用φ1.4导井直接作为溜碴井，全断面一次从φ1.4m刷大到φ9.0m，放炮后，块径大、碴量多，溜碴井堵塞可能性大大增加，在井口部位出现导井堵塞现象，后来采用先将导井直径刷大到φ3.0m，再从φ3.0m刷大到φ9.0m，未出现堵孔现象。     6.2、竖井III刷大开挖，总结竖井I段刷大开挖经验后，先将导井从φ1.4m刷大开挖到φ2.5m，再从φ2.5m扩大到设计规格线，在扩挖过程中，从未发生过堵井现象。     6.3、竖井II段的扩挖，因采用全断面一次刷大的方法，直接利用φ1.4m反导井作为溜渣井，与竖井III段相比较，采取了降低单循环钻孔深度，减小炮孔间排距，达到最终减小爆破粒径的目的，但在施工过程中，第一、二排炮扩挖时，因炮孔间排距未严格控制，爆破粒径太大，造成导井上口堵塞，经过调整后，未出现上口堵塞现象；因导井下部容渣量较小，出渣不及时，造成导井下口堵塞三次，给工程带来较大的难度，处理时安全隐患极大，且影响施工进度。     6.4、综合以上各段竖井的扩挖施工，提出以下几点建议：     6.4.1合理布置炮孔密度，合理装药，炮孔间排距控制不大于60cm，爆破后松渣粒径不大于50cm；     6.4.2用非电秒延期雷管合理分段位延期爆破，避免爆炮后石渣集中挤压堵井；     6.4.3各段下料导井下口堆渣距井口距离小于2米时应及时出渣，避免堆渣堵井；     6.4.4人工在井内扒渣时，注意观察导井内风向及气流情况，防止堵井后继续下渣，致使导井全部堵死，无法处理。     6.4.5对各段下部集渣区作扩挖处理，加大集渣容量，出渣次数按不堵塞下部集渣区导井孔口的排炮数为原则，以多堆渣为好，减少出渣次数，可加快施工进度。     6.4.5溜渣导井被堵疏通方法：     一旦出现堵井事故，先认真观察堵塞部位，分析堵塞原因和堵塞长度，以便采取相应措施及时处理。 堵井一般容易发生在导井的上部和下部。导井上口堵井多是由爆破产生的大块径石造成，可用人工系安全带将松渣清理一部分，尽可能找出堵井大石块，打眼或埋炸药包，进行爆破处理。     堵井部位如在导井下部，一般是由于出渣不及时或容渣量不够产生，待底部出渣到露出导井后，用长杆举炸药包固定在堵塞部位起爆，利用爆破冲击波震动使其下落，该工作危险性较大，必须将洞底人行通道进行安全处理，从洞口一侧向上爬，以防石渣突然下落，造成事故。     七、  结束语     通过周宁水电站高压竖井的开挖施工，笔者认为：     1、通过施工实践证明竖井施工采用反井钻机施工技术，确保了工程的施工安全，加快了施工进度，提高了工效，在周宁水电站竖井工程应用中取得了良好的效果。     2、竖井内的各种临时支护，在竖井各段施工中起到了很大作用，能满足要求，给整个竖井开挖施工及以后的砼施工提供了安全的施工环境。     3、由于周宁水电站施工的特殊性，三段竖井的开挖方法各不相同，尤其是II段与III段各有特点，现对比如下： 周宁水电站竖井各段扩挖施工情况对比表： 部位 竖井I段 竖井II 段 竖井III段 高度(m) 77 188 169.25 开挖方量(m³) 4899 4967 4785 单耗(kg/m³) 0.953 1.38 1.10 扩挖总耗时(d) 47 99 94 平均日开挖强度(m/d) 1.51 1.91 1.77 施工期安全状况 不好 较好 一般                         在地质情况较好时，应优   先采用III段的开挖方式，可加快施工进度，且爆破单耗较低，但扩大导孔时，因不支护，危险性较大，超高竖井应少使用，II段的开挖方式，虽单耗相对较高，但只要能控制好爆破粒径，及时出渣，避免堵塞导井，进度仍然可以保证，最大的优点在于全断面一次扩挖，能及时支护，施工安全系数较高，对弱地质条件下应优先采用。     如竖井断面较大时，可考虑将反井钻完成的反导孔直接施工到2.0～2.5米，既能保证施工安全，又能满足爆破后溜渣导井直径要求，是理想选择，美中不足是反井钻扩大反导孔，每米施工单价较高，随着反井钻在水电工程中的广泛运用，可能会得到解决。