荒沟抽水蓄能电站超深长斜井开挖施工技术

马琪琪

(中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110000)

由于荒沟抽水蓄能电站超深长斜井地处严寒地区，地质条件复杂，开挖施工难度极大，经研究采用了“反井钻机大直径导孔、2.4m导井一次成型、正井法扩挖成井”的超深长斜井开挖施工技术。通过井壁底部预设行车槽，实现了斜井扩挖无轨运输。同时研制了可穿行式的防护台车，为井下作业人员和设备提供了安全防护。采用液压钻造孔、光面控制爆破、反铲扒渣等措施，实现了机械化施工作业，保证了施工安全，提高了工作效率。

1 概 述

黑龙江荒沟抽水蓄能电站引水系统设计1号、2号两条斜井，每条引水斜井分成上斜井和下斜井两段，每段斜井包括上弯段、斜井直段、下弯段，上弯段、下弯段均为空间转弯。1号、2号引水上斜井全长为229.19m，轴线高程由585m降至425m，弯段参数为θ=50°，R=2500cm，S=2182cm，T=1166cm。

1号引水下斜井全长为384.73m，轴线高程由425m降至145.81m，弯段参数为θ=50°(47.690663°)，R=2500cm，S=2182cm(2081cm)，T=1166cm(1105cm)。2号引水下斜井全长为388.55m，轴线高程由425m降至142.92m，弯段参数为θ=50°(49.690663°)，R=2500cm，S=2182cm(2081cm)，T=1166cm(1105cm)。

2 工艺原理

超深长斜井开挖过程采用装配机械化作业方案进行施工，钻设大直径导井，而后一次扩挖成井。

采用专用提升设备，在保障安全的前提下牵引高效率机械设备入井作业。人工手风钻配合潜孔钻车钻孔爆破，提高了单循环进尺及爆破质量。工作面挖掘机进行扒渣，大大减少入井作业人员数量，规避了一定安全风险；同时扒渣工序时长缩短，建井工期缩短。

井内使用无轨运输方式，取消了在斜井内铺装钢轨，规避了人员在斜坡上安装轨道的安全风险；使防护台车最大程度行驶至临近工作面的位置，提升了井下作业面安全保障；根据具体施工工序，机械设备交替入井，编制正规循环作业程序，有条不紊地开展各项工作。通过对传统施工方法的调整来加快施工进度，同时达到节约成本的预期效果。

3 施工主要特点

a.科学化装配斜井用机械与设备，研发了超深长斜井反井钻机直接成型φ2.4m大直径导井新技术，再扩挖成直径7.9m断面。引进行业外专用的凿井绞车作为提升设备，该设备配备了精密的电控系统，设计有多项安全保护装置，钻爆作业使用手风钻配合液压潜孔钻车进行，提升了钻孔效率与质量。爆破后工作面使用挖掘机进行扒渣，以实现作业机械化。

b.研制了一种实用新型专利的无轨运输车，为井内人员及材料提供运输服务，该设备在斜井使用过程中，体现了对路面适应性强的特点，由于是双绳牵引，其安全性也较高。无轨运输车可以到达斜井上弯段甚至平洞内，极大方便了材料、工器具的装运，减轻了工人的劳动强度，安全保障大幅度提高。

c.研制了一种无轨可穿行式防护台车并实地运用，能够最大程度地接近井下工作面，为施工增加了安全保障系数，并为运输车、挖掘机、潜孔钻车在各个作业环节从台车下穿行提供了方便，提高劳动效率的同时也能加快施工进度。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

超深长斜井开挖施工包括反井钻机导孔钻设、大直径导井一次成型施工、上弯段开挖施工、提升设备安装调试与验收、直线段及下弯段开挖施工等几个大的环节，施工程序见图1。

图1 超深长斜井开挖施工程序

4.2 操作要点

围绕如何快速在超深长斜井施工中形成安全快速施工方法，规避人员作业较高的安全风险，创造便于机械设备入井作业的方法、物料装卸搬运的方法，在施工过程中从提升运输系统的设计、运行维护，到各环节的密切配合方面严格控制，探索出一套用于超深长斜井开挖的安全施工技术。

4.2.1 科学严密的系统设计

4.2.1.1 提升系统布置

斜井大直径导井施工完成后，斜井采用自上而下正井法扩挖施工成井。为了满足斜井扩挖时人员、材料、设备井内运输及工作面作业安全防护，井口布置运输车提升系统和防护台车提升系统，通过凿井绞车、天轮导向进行提升。

斜井提升系统包括实用新型专利无轨运输车及实用新型专利可穿行式防护台车，运输车负责作业人员、施工材料、风水管路、工器具的运输(人员和材料严禁混运)，运输车自重为3.5t，设计载重2t。防护台车主要用作斜井安全防护、导井安全防护和人工停放及工作平台，防护台车自重为7t，设计载重2t。为保证上平洞与中平洞洞内运输空间，斜井凿井绞车靠平洞左侧布置，使用双绳提升车辆，一根钢丝绳负责提升另一根做安全绳，当提升绳意外断绳时，安全绳可以满足全部提升需求，在出现意外的情况下能够保证运输车辆的运行安全。提升系统布置如图2。

图2 提升系统布置

通过在扩挖施工中投入具有专利技术的斜井运输车辆，使用安全性较高的矿用凿井绞车，配备专业的变频电控系统，为斜井物料运输提供了科学、可靠的技术保障。

4.2.1.2 供斜井运输与通行的路面结构施工技术

沿斜井井壁底部3.5m范围内开挖成平底，对沟槽底部及两侧喷混凝土形成行车沟槽，即形成一种供斜井运输与通行的路面结构；喷混凝土沟槽与井壁喷混凝土支护同时进行。为保证沟槽成型，两侧使用模板支立，底部胶轮运行范围内超挖部分使用喷混凝土料垫平，确保路面平整，提高车辆运输可靠性，并在运输车底盘上安装导向轮防止跑偏，车辆上下均沿沟槽运行，成型沟槽宽度3.5m，行车沟槽施工随工作面喷混凝土支护跟进。

相比传统的轨道运输方式，通过将井内运输车辆的行走轮改为专用实芯胶轮，使得车辆运行通过性、稳定性大幅度提升。开挖时即在测量放样中增加了车辆在底板上运行沟槽的爆破设计，一并开挖出运行沟槽，槽宽3.5m，槽深0.3m，这部分技术超挖量较小，经过计算仅为0.2m3，通过精细化的爆破设计、严格的质量管理控制爆破成型。且行车沟槽成型与喷混凝土支护同时施工，喷混凝土支护时对沟槽加以处理，路面平整度即可提高。供斜井运输与通行的路面结构见图3～图4。

图3 供斜井运输与通行的路面结构

图4 供斜井运输与通行的路面结构

4.2.2 科学的安全保障技术

斜井运输车辆设计采用凿井绞车进行牵引，该绞车设计双滚筒缠绕双绳，其中一根绳提升运输车，另一根用作保险绳。当提升绳断绳时，保险绳可承担全部提升负荷。凿井绞车电控系统预设有限速控制，不能随意调整，速度上限值为0.5m/s；绞车制动系统设计为常闭式，采用滚筒液压抱闸制动与电机液压抱闸制动两种方式，绞车起动时利用液压系统联动松开抱闸，绞车停止运转时抱闸自动关闭，突然断电时抱闸随即自动关闭。使用双滚筒双绳提升运输车及防护台车，双绳的使用能够起到断绳保护的作用。在井口上弯段停车位置安装限位开关，用作安全防护。

在井内布置一台无轨胶轮运输车运送作业人员和材料、工器具，运输车设计采用1台提升绞车进行牵引，该车在单个滚筒左右侧缠绕双绳，绞车运行时双牵引钢丝绳同时受力，目的是增加设备运行安全性，假设一根绳出现极端情况破坏时，另一根绳仍可承担全部提升负荷。斜井内靠右侧安装一趟行人爬梯作为备用行人通道。另布置1台凿井绞车牵引挖掘机和潜孔钻车入井作业。同时在荒沟抽水蓄能电站超深长斜井也采用了一种可穿行式的防护台车，在井下靠近掌子面处布置一台无轨胶轮防护台车，采用凿井绞车进行牵引，同样为双滚筒缠绕双绳牵引车辆，一根绳牵引，另一根绳作为保险绳，在导井上口布置封口盘。

运输车为无轨胶轮型钢结构车辆，因运输车速度相对较快且在井内运行频繁，为保证车辆运行安全，在运输车底盘下部设置导向轮防止跑偏，运输车顶部设置转辊，利用防护台车牵引绳辅助导向，从而上下兼顾防止运输车跑偏，车辆上下均沿沟槽运行。在运输车辆上加装减震系统，从而在一定程度上提高了乘坐者舒适性。实用新型专利无轨运输车辆见图5。

图5 实用新型专利无轨运输车辆

4.2.3 开挖爆破技术

根据类似工程经验，在常规斜井开挖爆破施工中，采用人工钻孔爆破以及人工井下扒渣的方式进行作业，投入的井下施工人员较多，存在的安全风险很大，如在井下扒渣作业时，施工人员安全意识差，未正确系好安全带，最终导致人员从导井坠落，发生安全事故；另外，采用人工进行作业，循环时间较长，对工期也有较大的影响。

为减少井下涉险人员，加快超深斜井开挖施工进度，在荒沟抽水蓄能电站超深长斜井开挖爆破施工中，采用机械化配合人工作业，钻孔爆破采用潜孔钻配合人工钻孔，扒渣作业采用挖掘机进行井内扒渣，主要开挖爆破技术为：扩挖采用潜孔钻车配合手风钻钻孔，人工装药，采取微差起爆网络形式，采用2号岩石乳化炸药，周边钻孔直径为42mm，人工采用手风钻钻孔，药卷直径32mm，钻孔深度3.0m，周边采用光面爆破，隔段装药控制药量；崩落孔钻孔直径为90mm，采用潜孔钻机钻孔，药卷直径70mm，钻孔深度3.5m，循环进尺2.4m。在爆破施工中，严格控制岩石大块率，加密炮孔，防止渣块过大而造成堵井。

使用手风钻配合液压潜孔钻车进行钻爆作业，相比常规情况下采用人工手风钻钻爆以及人工扒渣，提升了钻孔效率与质量，减少了安全风险。爆破后工作面使用挖掘机进行扒渣，以实现作业机械化。与人工扒渣效率相比，循环时长大大缩短，减少了扒渣人员的投入，对成本的控制起到了重要作用。井内挖掘机行走、井内挖掘机扒渣见图6～图7。

图6 井内挖掘机行走

图7 井内挖掘机扒渣

4.2.4 标准化的安全保证技术

以往在斜井施工中，各施工环节存在较大的安全风险，经过方案优化而采取行之有效的本质安全方案和过程严格的控制，在斜井施工中全面推行“超深长斜井快速开挖施工安全生产施工技术”，以保证斜井施工过程中人员、材料设备运输的本质安全。该技术包括标准化的运输提升系统、标准化的施工方法和作业流程和标准化的安全监督管理体系。

在上弯段上部运输车停靠位置设置人员上下平台，便于人员上下运输车、上下车平台处安装安全门，人员通过时打开，其他时间均处于关闭状态。运送材料时，运输车可行驶至上弯段上部与平洞交界处，停靠时车辆底盘基本与水平线平行，以方便材料装、卸车。

上弯段施工前，在上井口变坡点沿洞宽布置钢筋焊制的临时防护栏杆，栏杆下部设置踢脚板，起到遮挡杂物的作用，使其不会落到斜井内，从而保证弯段作业人员的安全。提升设施投入运行时，拆除临时钢筋防护栏杆，设置φ48钢管焊制的标准防护栏杆。

5 结 语

在荒沟抽水蓄能电站超深长斜井开挖中，总结探索出一套更为先进的，适用于超深长斜井的安全、高效开挖的施工方法，达到了作业机械化、数字化、高生产率的预期使用效果，极大地减轻了工人的劳动强度，大幅度减少了涉险作业人员安全隐患，可为类似工程长斜井开挖施工提供有力参考及借鉴。