中国水利水电第七工程局有限公司 四川成都 610081
摘要：白鹤滩水电站左岸引水竖井共计8条，开挖直径12.2m，深度约105m。本工程引水竖井具有深度大、断面大、相邻距离近、地质构造复杂等特点，开挖施工程序：在竖井中心采用反井钻施工溜渣导井一次成井（Φ3m），开挖石渣经溜渣导井至竖井底部再转运走。为确保施工安全和质量受控，采取主动控制措施：溜渣导井一次成井偏斜率控制和开挖爆破控制；当溜渣导井发生堵塞时，而常规处理方法无法疏通时，采取跟管钻进技术，疏通溜渣导井。在开挖施工中，采用主动控制与被动控制措施，为类似工程施工提供参考。
关键词：引水竖井；一次成井；偏斜率控制；爆破控制；跟管钻进
1工程概况
1.1 工程概述
白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，左右岸各布置8台单机容量100万KW的水轮发电机组，是目前世界单机容量最大的水轮发电机组。总装机容量1600万KW，是目前世界在建最大、建成后世界第二大水电站。白鹤滩水电站左岸引水发电系统工程中共布置8条压力管道，自上游至下游依次编号为1#～8#，单洞长395.19～408.29m，由渐变段、上平段、渐缩段、上弯段、竖井段、下弯段及下平段组成。单条引水竖井深约150m，含上下弯段及竖井段，竖井段长105m。竖井开挖直径为12.2m，相邻引水竖井隔墙厚度为25.8m。
1.2 工程地质
左岸引水竖井段位于P2β34～P2β31岩流层内，P2β34层、P2β31层以杏仁状玄武岩、角砾熔岩、隐晶玄武岩为主，P2β33层、P2β32层主要为第一类、第二类柱状节理玄武岩，柱状节理倾角较陡，约75°，竖井开挖后易沿柱状节理面发生松弛。P2β33层、P2β32层层内错动带发育，LS3253、LS3254、LS3255、LS3256、LS3257、LS3152斜切竖井中下部，错动带倾角较缓，对井壁稳定影响相对较小。竖井段岩体以柱状节理玄武岩为主，围岩以次块状和柱状镶嵌结构为主，部分为块状结构，以Ⅲ1围岩为主，约占86%，Ⅱ类围岩约占14%。优势裂隙以中陡倾角为主，陡倾裂隙组合可构成块体，影响洞室的局部稳定，需及时锚固或清除。
2 引水竖井开挖施工程序及方法
竖井开挖常规施工程序及方法：首先采用反井钻自上而下钻进Φ216mm导孔，接着采用反井钻自下而上进行扩孔Φ1.4m导井，再在Φ1.4m导井内采取人工自下而上钻爆反扩形成Φ3m溜渣导井，最后采取人工自上而下全断面扩挖至设计线。为提高竖井开挖的安全保障、机械化程度及功效，本工程竖井施工程序及方法：首先采用反井钻自上而下钻进Φ216mm导孔，接着采用大直径反井钻头自下而上进行扩孔Φ3m导井，再采取人工自上而下全断面扩挖至设计线。竖井开挖采用溜渣导井一次成井，不仅缩减了人工扩挖溜渣导井工序，而且安全风险大大降低，通过实际综合评价，取得较好的综合效益。
3 竖井开挖主动控制
竖井开挖一方面在于溜渣导井与开挖断面大小匹配，一方面在于全断面开挖爆破控制。溜渣导井对竖井全断面开挖至关重要，溜渣导井的形成大小和铅直程度决定了竖井开挖面积、溜渣效果。如溜渣导井出现偏斜较大、溜渣导井过小，极易可能导致溜渣导井堵塞，严重影响竖井后续施工。为防止溜渣导井堵塞，从反井钻导孔施工、溜渣导井形成和竖井全断面扩挖爆破控制等方面进行主动控制。采用反井钻施工在竖井中心部位形成一次形成Φ3m溜渣导井。在全断面开挖过程中，在满足爆破石块不堵塞溜渣导井和爆破后的石渣最大限度落入溜渣井底条件下，通过爆破参数优化，达到炸材消耗最低。
3.1 溜渣导井一次成井的偏斜率控制
在反井钻施工前，优先进行引水上下弯段进行技术超挖，为竖井底部集渣、出渣提供空间，同时保证溜渣导井居中布置。钻机调试运行正常后，即可自上而下进行Φ216mm导孔施工。导孔的开孔位置要正对竖井中心，可采用开孔扶正器和开孔钻杆配合定位。在Φ216mm导孔施工过程中，若遇地质缺陷如有空洞、裂缝等漏水现象而不翻水时，应及时起钻采用泥浆护壁或灌注砂浆，待砂浆有一定的强度后再行钻孔。针对不同的围岩类别，实施不同的工作压力、转速和适时装配稳定钻杆进行控制，确保反井钻机Φ216mm导孔钻孔质量，为溜渣导井一次成井偏斜率满足要求。
反井钻机的钻杆分为开孔钻杆、普通钻杆和稳定钻杆，开孔钻杆与导孔钻头相接，用扶正器约束，稳定钻杆比普通钻杆外周多了均匀分布的钢肋板，其作用是承受径向负荷，防止钻杆随深度的增加旋转产生过大弯曲、过大摆幅，保证钻孔垂直度，同时保护钻杆与孔壁的接触磨损。一次导孔施工完成后，在竖井底部安装扩孔钻头。扩孔开始施工时一般围岩破坏严重，钻头周圈难以均匀受力，一般采用副泵提供较小的、均匀的动力。当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石后停止上提，用最低转速（5～9rpm）旋转，并慢慢给进，保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，防止钻头偏心受力过大而扭断钻杆。
反井钻偏斜率控制主要措施：（1）测量控制：钻杆偏斜较大时反复扫孔纠正偏斜度。（2）施工设备：选用经检修完好的反井钻机和泥浆泵，保证其性能良好。（3）钻机安装定位：钻机安装牢固，定位准确，混凝土浇筑密实。（4）合理布置钻具：选用螺旋、直条等多种镶齿稳定钻杆和硬岩导孔钻头，并根据地质条件合理布置。（5）正确选择钻进参数：钻进参数主要是根据地质条件和不同的钻进位置选择不同的钻压、转速和确定相应的钻进速度，并根据实际钻进过程进行相应的调整。（6）利用开孔扶正器保证开孔的精度。（7）导孔三牙轮钻头选用硬岩保径三牙轮钻头：保证钻孔过程中导孔不缩径，能够使稳定钻杆顺利通过，并保证孔的钻凿精度。（8）恒压钻进是保证钻进导孔精度的另一个重要措施，钻进过程中除非地质条件发生变化，否则不得随意更改钻进参数，防止钻进速度忽快忽慢，造成人为的偏斜。
3.2 竖井全断面开挖爆破控制
根据不同围岩地质和部位，编制了引水竖井全断面扩挖的爆破设计，确保爆破石渣最大粒径不大于溜渣导井的半径，分段分区爆破。不良地质围岩段和引水竖井上井口10m范围内按2m/循环进尺控制，Ⅱ、Ⅲ围岩竖井段按3m/循环进尺控制。
引水竖井上井口10m范围内、下井口及不良地质段遵循“短进尺、弱爆破、勤支护”的原则进行开挖，炮孔深2m，周边孔间距50cm，主爆孔间距80cm，第一圈主爆孔距Φ3m溜渣井壁60cm，其余主爆孔排距70cm。周边孔采用4×0.5节Φ25药卷间隔装药，装药间距35cm，堵塞长度71cm，单孔药量0.2kg，线装药密度为100g/m；主爆孔采用7节Φ25药卷连续装药，堵塞长度88cm，单孔药量0.7kg。每循环最大单响药量30.8kg，炸药单耗0.7kg/m3。
Ⅱ、Ⅲ围岩段竖井段炮孔深3m，周边孔间距50cm，主爆孔间距80cm，第一圈主爆孔距Φ3m溜渣井井壁60cm，其余主爆孔排距70cm。周边孔孔底1节A25药卷加强装药，正常装药段为4×0.5节Φ25间隔装药，装药间距为40cm，周边孔堵塞长度为92cm，单孔药量0.3kg，线装药密度为100g/m；主爆孔采用11节Φ25药卷连续装药，堵塞长度124cm，单孔药量1.1kg。每循环最大单响药量为48.4kg，炸药单耗为0.74kg/m3。
在竖井全断面开挖过程中，加强现场管控，关注竖井底部集渣不得距离竖井下井口太近，确保竖井下井口满足至少一茬炮渣的集渣空间。
4 竖井开挖被动控制
在全断面开挖过程中，5#引水竖井溜渣导井发生堵塞。首先对溜渣导井堵塞具体情况进行调查和原因分析，并确定初步处理方案。处理堵井的原则：要确保施工安全，具有可行可操作性。常规处理程序及方法：（1）首先对竖井下井口集渣进行出渣，让导井内堵塞体受自重掉落一部分石渣。（2）下井口集渣出渣完成后，在上井口向导井冲水，减少石渣对导井壁摩擦力，冲水能带走一部分细小石渣，让堵塞体内形成较大空腔，这时堵塞体受自重也能掉落一部分石渣。（3）在第1、2项完成后，等待24小时，并观察导井内是否有石渣掉落。（4）经等待24小时后，导井内无石渣掉落。（5）采取氢气球携带炸药浮漂至堵塞体下部进行爆破震动，让堵塞体下部受震动波掉落。经过几次氢气球携带炸药爆破堵塞体未有大面石渣掉落，常规方法未能疏通导井。
总结了常规方法处理的经验，并确定后续处理思路：采用钻机在堵塞体内钻井一个导孔，并在导孔内自下而上安装炸药进行爆破。而要在松散的堵塞体钻进成孔，且堵塞体距离上井口约50m，普通钻进方法易产生塌孔和钻杆受空载扭力引起断裂，于是就采用跟管钻进技术。跟管钻进是一种特殊钻进方法，即一边钻进一边压入或旋转下入套管；或套管超前压入或旋转下入，然后钻具跟着钻进。这种方法可以防止钻进过程中的孔壁坍塌或流砂充塞钻孔，适用于钻进松散地层和流砂层。
跟管钻进设备选型及现场布置：钻机为CM351履带式高风压潜孔钻，钻杆直径为Φ90，套管直径为Φ110mm。采用22#工字钢和C25螺纹钢筋加工成4m×4m的施工平台，并安装在上导井口。钻机及施工平台布置详见图2。施工平台及钻机就位后，钻进导孔设置在导井堵塞体中心位置。在钻进过程中，要控制钻进速度不宜过快，避免钻进导孔出现较大偏斜，钻进过程中套管及时跟进。
图2
利用跟管技术钻进导孔贯通后，从上导井口套管下放一根钢丝绳至溜渣导井下口底部。在导井下口底部将炸药连续装药绑扎在钢丝绳上（采用Φ32乳化炸药，一次装药长度10m，药量48kg）。炸药绑扎牢固后，在上井口提升钢丝绳，钢丝绳牵引炸药提升至全部导孔内。为保证爆破效果，对导孔上口采用石粉或黄泥进行封孔，封孔进行爆破。这样爆破震动波对堵塞体起到松动的作用，堵塞体松动后受自重进行掉落。利用堵塞体内导孔安装炸药进行爆破，直至堵塞体全部掉落，达到导井疏通的目的。
5 结束语
在开挖过程中，各阶段采取主动控制措施：对溜渣导井采取防堵井技术措施和管理措施，避免竖井底部石渣装运不及时导致导井堵塞。而一旦溜渣导井堵塞，采用合理的被动处理措施。首先查明堵塞原因和情况，由简单处理措施入手，逐步推进机械化处理手段，本工程中最终采用了跟管钻进技术，取得较好的效果。
竖井工程在水电站工程项目较为常见，不同项目和不同部位的竖井其施工环境、条件、构造和特点也不一样。结合具体工程情况，采取有效措施提高竖井开挖的安全性、可操作性和经济性，这需要工程人员总结和思考。能最大限度采用机械化、信息化、降低人工操作环节。在现阶段，反井钻一次导井最大可达Φ5m，这样可避免人工扩挖，但目前这样形成导井施工成本较高。随着设备更新发展和未来钻工数量逐渐减少，未来反井钻一次成井直径将更大，反井钻施工性价比更高。
参考文献：
[1] 马洪琪，周宇，孙文 等.中国水利水电地下工程施工（套装上下册）.中国水利水电出版社，第1版（2011年1月1日）
[2] 王梦恕 等.中国隧道与地下工程修建技术.人民交通出版社，第1版（2010年5月）
作者简介：
倪华军（1983-），男，四川乐至人，工程师，从事水利水电工程施工与技术工作。
论文作者:倪华军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：竖井论文; 钻杆论文; 井口论文; 断面论文; 围岩论文; 钻机论文; 钻头论文; 《基层建设》2018年第4期论文;