缓倾角长斜井开挖施工技术及应用

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 引 言

常规缓倾角(6°<α≤48°)斜井开挖施工中通常采用正井法、反井法或阿里马克爬灌法施工，其中正井法自上而下用手风钻造孔，出渣采用传统有轨运输，利用扒渣机+人工辅助将洞渣装入矿斗车，靠绞车或卷扬机提升系统牵引。反井法搭设脚手架自下而上用手风钻造孔，采用人工扒渣+反向铲集渣，装载机配合自卸车装车外运。阿里马克爬灌法通过顶部安装轨道进行平台爬升进行施工，每一循环需检查、修复及延长轨道。正井法通风散烟较慢，出渣难度大，施工进度慢，安全风险高；反井法通风散烟较难，搭设、拆除脚手架施工平台难度较大，危石处理较难，安全风险较高；阿里马克爬灌法排炮循环时间增加，轨道拆装不安全，且爆破时石渣容易破坏轨道，通风排烟难以解决。针对传统缓倾角长斜井开挖施工的不足，创新实践出一种缓倾角长斜井开挖施工方法，即在缓倾角长斜井施工中采用反井钻机施工导井，利用导井作为运输及排烟通道，采用绞车牵引扩挖小车自下而上采用反向台阶法钻孔施工，施工效果良好。

2 工程概况

深圳抽水蓄能电站引水隧洞斜井分上、下斜井，上斜井长380.276m，下斜井长162.88m，均由上弯段、直线段、下弯段组成，直线段倾角均为50°。上斜井直线段长315.107m，上弯段长为33.161m，下弯段长为32.008m；下斜井直线段长97.711m，上弯段长为32.008m，下弯段长为33.161m，斜井开挖断面为圆形断面，开挖半径均为5.35m，衬砌后洞径9.5m，上、下斜井直线段均采用反井钻施工。高压电缆洞采用斜井式布置，从主变室下游侧中部引出通往地面开关站。高压电缆洞由下平段、斜井和上平段组成。高压电缆洞斜井段倾角为36.833°，长333.126m，断面为城门洞形，开挖支护成型标准断面尺寸为4.0m×4.3m，高压电缆洞斜井段施工增设施工支洞，分上、下两段施工，上段长201.346m，下段长131.780m，采用反井钻施工导井，再自下而上一次扩挖成型。

3 技术原理

缓倾角长斜井施工按先导孔正向钻进贯通、反井钻反拉完成，自下而上一次扩挖成形，开挖过程中支护及时跟进。

3.1 反井钻施工

在角度小于45°缓倾角斜井上井口水平面扩挖区布置反井钻机，测量放出钻孔点，钻孔倾角沿斜井轴线上调0.5°～1°，沿该方向往下钻一直径为216mm的导孔，导孔形成后在下段将φ216钻头更换成φ1400钻头，然后通过自下而上反拉扩挖形成直径φ1400的导井。

3.2 反向台阶法施工

利用反井钻机形成的φ1400导井作为扩挖小车运输及排烟通道，采用10t双筒绞车牵引扩挖小车自下而上采用反向台阶法钻孔施工。扩挖平台设备作为施工作业平台，采用反井钻爆法施工，支护及时跟进，随着掌子面的回撤及时观察已开挖面的出碴情况。

4 流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

缓倾角斜井按先导孔正向钻进贯通、反井钻反拉完成，自下而上一次扩挖成形进行施工。具体施工包括反井钻安装及拆除、反井钻机钻孔、绞车及扩挖小车安装及拆除、缓倾角斜井扩挖等内容。缓倾角长斜井开挖施工工艺流程见图1。

图1 缓倾角长斜井开挖工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 反井钻施工

4.2.1.1 反井钻施工

在上井口水平面扩挖区沿斜井轴线方向往下钻一直径为216mm的导孔，导孔形成后在下段将φ216钻头更换φ1400的反拉钻头，通过自下而上反拉扩挖形成直径φ1400的小车运输通道，反井钻机布置类似于常规斜井反井钻布置，反井钻机施工流程：钻机安装→φ216导钻进→φ1400反向扩孔。

斜井上段导井贯通后，更换钻头进行反拉，施工布置见图2。

4.2.1.2 缓倾角斜井导孔精度控制

导孔精度控制是反井钻施工的关键，反井钻先导孔的施工精度是反井施工成败关键，是保证洞轴线的必要条件。

图2 反井钻反向扩孔示意图

a.测量放样。先制定详实可行的测量放样方案，在现场采用全站仪对开口点进行放样，然后在安装机身时一定要同时采用水平尺和铅垂球从多角度进行精确测量，再对中心点进行校核，为便于调节钻机位置精度，底座上螺孔都加工成条形孔，最后通过调节螺栓来固定钻机。首先是基础混凝土的浇筑，按设计倾角通过测量设备定出导线，然后是机身倾斜后的下部支撑及上部牵拉一定要牢固稳定，最后通过调节螺栓来固定，钻机造孔过程中不断进行孔向测斜。

b.控制造孔速度。反井钻机导孔钻进速度越快，精度越难以保证，因此在精度要求较高的部位，建议慢速推进。

c.在导孔钻进过程中采用稳定钻杆防止钻杆偏斜，稳定钻杆以每隔15～20m长度增加1根为宜。

d.对于倾斜孔，由于钻机在开孔后钻杆会由于自重原因略向下倾斜，造孔后钻机会向下倾0.5°～1°、在实际施工中可将钻孔倾角上调0.5°～1°，或开孔点作适当调整。

e.遇不良地质段，需及时采取灌浆等方式进行处理，防止钻杆遇软岩发生偏斜。

4.2.1.3 缓倾角反井钻施工突发情况处理

在缓倾角斜井导孔钻进过程中有时会出现由于塌孔、水压力不够、停电等导致的孔内石渣滞留堆积后出现卡钻，或是导孔、扩孔施工过程中钻杆断裂后钻杆、钻头滞留在孔内等情况，处理起来相当困难，并且发生的频率也较多，是反井钻机导井法施工的难点及重点。

a.不良地质段的钻孔。在导孔钻进过程中如发现返渣返水减少和钻孔扭矩加大，应采用高压水强行冲孔，转杆慢慢转动提升，防止卡钻。对于不良地质段钻孔困难，可以采用水泥浆或水泥砂浆将钻孔灌满，重新进行扫孔，反复进行，直至通过不良地质段。在扩孔过程中如遇不良地质段应降低扭矩，放慢扩孔速度，平稳地通过不良地质段。

b.扩孔过程中的掉钻。在扩孔过程中，由于钻杆断裂，扩孔钻头卡在已扩挖成形的孔内，此时若从下面处理非常危险，应从上部导孔中进行。第一种方法：将钻杆接上后通过钻杆对钻头施加压力使其自然坠落至下平洞。第二种方法：在孔口通过钢丝绳将炸药送入钻头卡住部位，引爆后将钻头震落至下平洞，该方法每次炸药用量控制在5～8kg，对钻头不会构成大的损伤。

c.导孔施工过程中的钻杆断裂。部分长期使用的钻杆在导孔钻进及扩孔过程中可能会发生断裂，反井钻机单根钻杆长度为1m，重达180kg。钻杆断裂后，如果不将其取出，那么一方面要丢失钻杆、钻头，造成经济损失，另一方面还需要重新造孔，而有些特殊部位不允许重新造孔。因此如何打捞钻具成了反井钻机导井法施工的一个难题。为此专门设计了一种钻杆打捞器(见图3)，钻杆打捞器的原理与膨胀螺栓原理相同，其上部与钻杆以直螺纹连接，下部为锥形套，前进过程中可以直接进入已断裂钻杆的内壁，进入内壁后，在打捞器提升过程中锥形套会张开，与断裂钻杆内壁紧紧连接，越拉越紧，然后通过打捞器将孔内钻杆提升到孔口用夹钎器固定后逐一取出钻杆。该打捞器一次能提升40t以上的重量，即能提取200m以上的钻杆长度，基本能满足取钻要求。

图3 钻杆打捞器示意图

4.2.2 反向台阶法扩挖

反拉完成后进行一次扩挖，一次扩挖施工人员、机具、材料从上平段通过10t绞车牵引6.0m运输小车进入工作面。绞车按《一种用于水电站斜竖井施工中的提升绞车》专利进行布置，稳定性好，可靠性高，人性化设计，操作简单，调试维护方便，占用空间小。扩挖小车采用《一种自动调节钢丝绳张力的斜井扩挖设备》专利，钢丝绳由两台绞车分别使用两根钢丝绳与斜井一次扩挖设备相连，通过自动调节机构的调节，使其两根钢丝绳的受力均匀，另一根钢丝绳作为安全储备，确保安全。

为了保证缓倾角长斜井扩挖顺利进行，一次扩挖自下而上先开挖上半部分洞室一至两排炮形成台阶，断面净空为4.0m×2.225m的城门洞形，预留导井下部光滑圆弧槽作为小车运输通道，以便于台阶法开挖，利用施工支洞或主变洞集渣出渣，下部分洞室断面为4.0m×2.075m，见图4、图5，扩挖期间，做好上井口的安全防护工作，并派专人留守监护上、下井口，防止掉物伤人。

图4 缓倾角斜井扩挖施工示意图

图5 反向台阶法施工示意图

缓倾角长斜井扩挖按施工准备→测量放线→钻孔→装药放炮→散烟→安全处理施工。

5 材料设备

缓倾角长斜井开挖施工主要施工设备见表1：

表1 缓倾角长斜井开挖施工主要材料设备

6 质量控制

缓倾角长斜井施工导孔精度控制是反井钻机导井法施工的关键，测量放样时，先制定详实可行的测量放样方案，在现场采用全站仪对开口点进行放样，然后在安装机身时一定要同时采用水平尺和铅垂球从多角度进行精确测量，再对中心点进行校核，反井钻施工需控制造孔速度，反井钻机导孔钻进速度越快，精度越难以保证，因此在精度要求较高的部位，建议慢速推进。在导孔钻进过程中采用稳定钻杆防止钻杆偏斜，稳定钻杆以每隔15～20m长度增加1根为宜。对于倾斜孔，由于钻机在开孔后钻杆会由于自重原因略向下倾斜，本工程经验为造孔后钻机会向下倾0.5°～1°。

7 结 果

缓倾角长斜井开挖施工技术的经济效益主要体现在减小作业难度、降低施工成本、降低施工风险、有效改善作业环境等方面，除了安全投入所带来的效益外，深圳抽水蓄能电站高压电缆洞开挖带来直接经济效益约200万元。

8 结 论

水电十四局在缓倾角长斜井施工过程中，根据工程特点，通过一系列技术创新工作圆满地完成了工程施工任务，在长度大于200m、角度小于45°的斜井施工中首次提出采用反井钻完成导井施工，导井施工完成后，利用φ1400导井作为运输及排烟通道，自下而上采用反向台阶法进行全断面扩挖一次成型，有效改善了作业环境，降低了作业难度，提高了施工效率，保障了施工质量，施工中研制的由自动调节钢丝绳张力装置和双筒提升绞车等组成的斜井扩挖平台设备，操作灵便，运行平稳，安全可靠。工程施工技术人员通过对现场所采用的施工方法与技术进行总结，形成缓倾角长斜井开挖施工技术，适用于水电站缓倾角(倾角小于45°)长斜井开挖施工。该技术经济社会效益明显，可推广与应用。