敦化抽水蓄能电站斜井导井施工方案的比选分析

敦化抽水蓄能电站斜井导井施工方案的比选分析

张彦飞

中电建建筑集团有限公司

【摘 要】 国内外目前对陡倾角长斜井虽已有成熟的施工经验和技术，但从目前国内已完建的抽水蓄能电站建设来看，他们只对斜井开挖施工技术进行了总结，未能形成一套系统、完整的斜井开挖技术研究。由于本工程位于极度严寒地区，且水头为国内最高，上、下斜井均无施工辅助支洞通往斜井工作面，施工难度和技术要求都远远超过了国内已完建抽水蓄能电站引水系统的斜井。因此对本工程斜井开挖技术进行研究总结，将对今后大型抽水蓄能电站施工及设计提供重要的参考价值。

【关键词】 抽水蓄能；斜井；导井；方案比选

1、前言

斜井段施工作为工程的关键线路上的项目，单段长度超过了300m且坡度较陡，其开挖工期直接影响后续压力钢管安装，进而影响整个项目的工期。又因工作面出渣及通风线路过长，施工条件较差。如何选择安全、快捷、技术可行、经济性好、施工条件较好的施工方法，尽快完成斜井段开挖，并改善出渣及通风条件等问题，是斜井段开挖的一个主要技术问题。

2工程简介

2.1工程概况

敦化抽水蓄能电站引水系统主要由1#引水系统和2#引水系统组成，每条引水洞含2个斜井段：上斜井和下斜井，共4条斜井，坡度均为55º，断面均为马蹄型。

其中上斜井单长337.16m，开挖断面为φ7m，单段石方开挖量约为15305m³；下斜井单长382.21m，开挖断面为φ6.0m，单段斜长均超过300m，单段石方开挖量约为12522m³，总长度为1438.74m，石方总开挖量约为55656m³。

图2-1 敦化电站施工布置图

2.2地质条件

引水隧洞沿线地形完整，构造不发育，围岩质量较好，围岩类别以Ⅲ类为主。上斜段沿线地形完整，构造不发育，隧洞围岩类别以Ⅱ类为主，局部裂隙发育部位为Ⅲ类。中平段地形完整，有断层发育，隧洞围岩类别以Ⅱ~Ⅲ类为主，断层发育部位为Ⅳ~Ⅴ类。下斜段地形平缓，有断层发育，隧洞围岩类别以Ⅱ~Ⅲ类为主，断层发育部位为Ⅳ~Ⅴ类。下斜段区域地表地形完整，有断层发育，F1断层附近岩体中无序网状小裂隙发育，综合评价隧洞围岩类别以Ⅲ类为主，断层发育部位为Ⅳ~Ⅴ类。

3、斜井导井施工工艺介绍

目前国内外对于斜井开挖主要分为三种方式：（1）“上山法”, 自下而上进行开挖, 适合小断面长斜井的开挖; （2） “下山法”, 自上而下进行开挖, 适合大断面短斜井的开挖; ( 3) 以上两种方式结合的“先导井, 后扩挖” 法, 即先采用上山法开挖小断面导井, 再采用下山法进行全断面扩挖, 扩挖的石碴通过导井溜至斜井底部, 很大程度上提高了出碴效率, 该方式适合大断面长斜井的开挖。

3.1反导井开挖施工

反导井法即在斜段下部平段处安装爬罐，由斜段下部向斜段上部掘进，钻孔采用3台气腿式手风钻，其中1台备用。爬罐轨道安装前，先在反导井井口开挖领先导井，使爬罐能进入斜井段，保证反导井正常施工。领先导井采用搭设脚手架的方式进行钻孔开挖，开挖深度为5m，断面尺寸同反导井。

导井的布置靠近斜井断面的下部，并保留一定厚度的岩石防止斜井溜渣磨耗侵入斜井设计断面边线。在同类项目中的施工经验表明，300m长55°左右的斜井导井，溜渣后的底板磨耗约50cm。

爬罐反导井施工方法示意图

3.2正导井施工

正导井开挖也成“下山法”。考虑导井扩挖时尽量减少人工扒渣量及开挖边线的爆破效果，导井断面确定为2.4m×2.4m，将导井位置确定在为斜井设计断面底沿线上移1m。

主要施工工序为：施工准备→卷扬提升系统布置、安装→测量导向→钻孔→装药、联网、爆破→排烟除尘→危石处理→爬梯及轨道安装及辅助管路接引→出渣→下一工序循环。

① 施工方法。正导井在上平洞及上弯段开挖完成后进行。0~6m深度段的开挖采用人工提渣至上平洞后装翻斗车内运至渣场。当进尺达到6m时，安装提升系统及搭设卸渣平台，由提升系统提渣至上弯段，之后卸渣至翻斗车内，渣斗设计容积为1m³，装渣量限定为0.13~0.6m³。

② 提升系统、卸渣平台施工。提升系统由一台10t卷扬机、出渣小车、导向滑轮及运行轨道组成（卷扬机钢丝绳采用6×7圆股钢丝绳，公称直径20mm，公称抗拉强度1770MPa，最小破断力235.00kN）。卷扬机设在施工支洞与主洞交叉口，通过顶拱导向滑轮将导井内出渣小车提升至上弯段处前翻卸渣，轨道下停放一翻斗车，石渣卸至翻斗车内，由翻斗车拉至卸渣点。在斜导井内每进尺15m，打一避人洞，出渣小车运行时，人要到避人洞躲避，防止物体坠落伤人。导向滑轮直径为60cm，由锚杆固定在上弯段顶拱上。在钢轨上下两端头均设限位设施，防止出渣小车出轨。

人工正导井施工方法示意图

4、斜井导井开挖施工方案比选

4.1方案选择拟定

斜井开挖难点主要在于导井开挖，导井开挖主要有人工正（反）井法、反井钻机法和爬罐法3种。其中人工正（反）井法适用于长度100m以内的导井施工，按《水电水利工程斜井竖井施工规范》（DL/T5407-2009），反井钻机法一般适用于长度250m以内的斜井施工，超过250m的斜井，宜采用爬罐开挖反导井。国内水电站最高纪录是惠州抽水蓄能电站A厂中斜井，该斜井长度310m，采用芬兰进口汤姆洛克RHINO400-H反井钻机施工，反井钻施工可以大量地节约人力，施工人员的风险更小，但开挖成本也比较高，在控制偏斜方面还有待提高，爬罐法可以施工的长度范围较大，国外有达到980m的施工记录，但是长度超过250m以后，通风、散烟难度非常大，施工作业环境差。

本工程引水系统主要由1#引水隧洞和2#引水隧洞组成，每条引水洞含2个斜井段：其中上斜井单长337.16m，下斜井单长382.21m，单段斜长均超过300m；上斜井底部距引水调压室上口约645m，距中支洞出口约为1550m；下斜井底部距中支洞出口约为1530m，距交通洞出口约为1970m。无施工支洞直接通斜井段。下面拟定几个组合方案进行比较。

方案1：采用正反导井结合法施工，正导井断面确定为2.4m×2.4m，开挖斜长初步拟定为100m。反导井采用阿利玛克爬罐作为施工平台从下至上进行开挖，导井断面尺寸为2.4m×2.4m。每进尺一至两遍，用安装在导井底部的激光指向仪对导井的方向进行一次测量检查，防止导井方向出现偏差。还应定期对激光指向仪进行校核。激光指向仪应选择穿透性强的激光管，例如蓝光激光。

方案2：采用反井钻机开挖反导井，即先自上而下钻φ216 mm孔,再反向扩钻到 1400 mm形成导井。

方案3：采用反井钻机和爬罐联合施工，下段200m长洞段用阿里玛克爬罐自下而上开挖2.4m×2.4m的导井，上段137m（182m）采用反井钻机开挖1.4m直径的导井。

4.2方案比较

方案1，施工方法成熟，可靠。采用爬罐结合人工正导井开挖斜井导井的优点是缩短爬罐开挖长度，增加安全系数，提高工作效率，缩短斜井开挖工期。缺点是通风、散烟比较困难，施工作业环境差，通风时间将会大大增加。

方案2，目前我国用于水电工程斜井导井开挖的反井钻机大多为原煤炭工业部北京建井研究所研制的LM、BMC系列反井钻机（钻孔倾角为50°~90°）。该系列型号的反井钻机在斜井轴线与水平夹角小于60°时，施工控制难度相对较大。本工程的4条斜井的坡度均为55°。采用反井钻机开挖导井，偏斜率比较难控制，特别是对地质条件复杂的斜井，更难控制。据查相关资料介绍，美国罗宾斯公司生产的44RH型反井钻机。性能较为优越，可施工斜井500m左右，且偏斜可控。由于进口反井钻机的购置费较高（折合人民币约1500万元），其单位开挖工程量的设备使用摊销费远高于传统的爬罐钻爆法。

方案3，为减少爬罐施工长度，在反井钻井有效施工长度内采用反井钻机进行反导井开挖施工，剩余采用爬罐施工的方法。本方案优点是充分发挥了反井钻井和爬罐施工的优点，互相补充。缺点是需要的设备较多，造价高，而且反井钻和阿里玛克爬罐对接施工贯通导井精度要求高。此外，反井钻扩孔钻头的井内安装也是一个难点，扩孔钻头整体总质量达数吨，需安装到爬罐斜井施工部分的顶部（反井钻导孔底部），而由于场地的限制，无法布置机械直接进行提升，因此只能靠人工借助卷扬机进行搬运。

4.3方案选择

方案1中ALIMAK爬罐可在任何倾斜度、各种长度和不同地区使用，以其灵活机动，操作简单，运行安全可靠，导轨拆、装方便，激光测量装置精确可靠而闻名于世，广泛适用于地质状况较好的斜井和竖井开挖施工。在钻孔、爆破、清撬危石施工提供安全、可靠的可移动工作平台和交通运输工具，尤其在长竖井和长斜井开挖施工中更加显示出其特有的优势，目前，在我国水电站长斜井和竖井的开挖施工中得到广泛应用。鲁布革水电站、广州抽水蓄能电站、北京十三陵蓄能电站、浙江天荒坪抽水蓄能电站、浙江桐柏抽水蓄能电站和河南宝泉抽水蓄能电站等输水系统斜井反导井开挖都采用了ALIMAK爬罐，技术成熟、可靠。另外，为改善施工作业环境，在正导井开挖完后，可采用地质钻机（SGZ-IA型，开孔直径110mm，钻探深度150m）在斜井上部打孔，作为通风散烟通道，可确保爬罐在较深施工时的进度。

方案2中，尽管反井钻机施工速度快，施工作业安全、环境好，但国内目前水电站已建工程反井钻机已施工最长的斜井最长为310m，而敦化蓄能斜井直线长度最大为382m，目前，无经验可借鉴，况且斜井施工为整个电站的关键施工线路，一旦使用反井钻机未成功，将严重影响工期。另外采购进口设备较长，造价较高，也没有类似工程实例可供参考。

方案3中，采用两种设备组合，设备购置费高，且未能发挥反井钻机的优越的性能。

综上所述，针对敦化电站具体施工特点，综合以上分析，同时结合施工组织设计审查会议纪要，汇总专家组意见，采取爬罐作为施工平台进行反导井施工并结合人工正导井适合敦化蓄能电站斜井开挖施工。即正导井断面确定为2.4m×2.4m，开挖斜长初步拟定为100m。反导井采用阿利玛克爬罐作为施工平台从下至上进行开挖，导井断面尺寸为2.4m×2.4m。

5、结语

结合敦化电站引水系统斜井设计参数，参考已建、在建的抽水蓄能电站斜井导井开挖施工工艺，综合分析爬罐和反井钻机施工条件和优缺点，通过方案比较最终确定敦化抽水蓄能电站斜井导井开挖采用人工正导井结合爬罐反导井开挖施工工艺。