张春洪,梁胜利

(中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041)

1 工程概况

梅州抽水蓄能电站的输水发电系统工程下水库进/出水口闸门井位于下库进/出水口EL.421平台(1#公路靠下水库侧)，其底部与尾水主洞相连。井口高程为421.000 m，井底高程为348.446 m，总开挖深度为72.554 m，其中井口至尾水主洞顶拱一段井深59.404 m(EL.421.000～EL.361.596)，开挖断面为13.6 m×7.9 m矩形断面。

下库进/出水口闸门井井身段岩性为中粗粒黑云母花岗岩，井口及上部，强风化～弱风化花岗岩节理裂隙发育，岩石较破碎；下部为微风化～新鲜的花岗岩，岩石完整。强风化下限高程约为418.000 m，弱风化下限高程约为406.000 m，地下水位高程为406.000 m。根据地质设计推测井口15 m段围岩质量为Ⅳ类，以下剩余洞段围岩质量均为Ⅲ类。

2 闸门井开挖程序

结合地质情况及开挖施工方案，闸门井的开挖程序见图1所示。

3 施工提升系统布置

提升系统分两个阶段布置。第一阶段为闸门井井口20 m段开挖支护阶段，这一阶段采用16 t汽车吊吊运材料，采用25 t汽车吊吊运扒渣反铲挖掘机进出闸门井。第二阶段为闸门井井口20 m以下的井身段开挖支护阶段，这一阶段的提升系统包括：1台10 t提升用变频卷扬机，1台2 t牵引用卷扬机，1个门形支架、一套反铲运输小车、一个井盖、一组钢丝绳及其转向滑轮系统。提升体统布置见图2，图中、、表示10 t变频卷扬机基础控制点。

注：Ⅰ为导孔施工；Ⅱ为Φ1.4 m导井反拉；Ⅲ为井口覆盖层正井法开挖；Ⅳ为井身段钻爆开挖；Ⅴ：闸门槽开挖。

图1 下水库进/出水口闸门井开挖程序示意(单位：mm)

图2 提升系统平面布置示意(单位：mm)

3.1 第一阶段提升系统

闸门井井口20 m段开挖支护期间，主要吊运入井的材料有挂网及锚杆钢筋、锚固剂和其他材料及扒渣用的反铲挖掘机、钻孔手风钻及其配件等。材料采用16 t汽车吊起吊，设备采用25 t汽车吊吊运。

3.2 第二阶段提升系统结构与布置

3.2.1卷扬机及牵引系统布置

采用10 t变频卷扬机，布置在闸门井右侧421平台，距离闸门井中心30 m。卷扬机卷筒轴线与闸门井宽度方向平行，卷筒中心布置在闸门井纵轴线的延长线上。牵引钢丝绳选用直径为26 mm的6×37 s+FC纤维芯钢丝绳。卷扬机为单绳缠绕。钢丝绳缠绕卷筒并引出后，绕过井口门形支架上的定滑轮，向下再绕过起吊点处配置的1个单门15 t动滑轮，向上引至井口并锁死在门形支架上。卷扬机运转时，牵引的钢丝绳绳头锁死在门形支架，卷筒收放钢丝绳来牵引下部动滑轮及重物上下运行。卷扬机参数见表1。

表1 卷扬机参数

3.2.2井口门形支架、转向滑轮及溜渣井井盖布置

1) 门形支架净高4.5 m，跨度9.9 m，在钢筋加工场进行制作，门形支架顶部平台主梁为3根I36c工字钢，斜撑为4根I25b工字钢，两者间通过16 mm厚钢板及I25b边架顶梁焊接，顶部主梁间设[20a平台连系梁，并覆3 mm厚花纹钢板作为人员通道，顶部平台四周设护栏。门形支架结构示意见图3，转向滑轮与井盖位置示意见图4。

图3 门形支架结构示意

图4 转向滑轮与井盖位置示意(单位：mm)

2) 门形支架上转向滑轮直径600 mm，布置在井架中部，转向滑轮中心线与卷扬机卷筒中心线的连线应与卷筒轴线垂直。

3) 井盖的作用是防止井内施工人员从Φ1.4 m溜渣孔坠落。井盖尺寸为3 m×3 m，其龙骨采用[16槽钢@600×600 mm，上部设置Φ20@100×100 mm钢筋网片，四角各设置一根2 m长Φ18 mm钢丝绳作为起吊绳。井盖细部结构见图5所示。

注：1为Φ20圆钢，2、3、4为[16槽钢。

图5 井盖细部结构示意(单位：mm)

4 闸门井开挖施工工艺

4.1 Φ1.4 m导井施工

下库进出水口闸门井Φ1.4m导井采用LM250型反井钻机施工，主要施工内容包括：竖井中心测量定位浇筑反井钻机基础钻机安装打设Φ200 mm先导孔反扩钻头安装Φ1.4 m导井反拉，钻机及基础拆除等[1]。为保证开挖质量和进度，采取的主要措施如下：

1)Φ200 mm先导孔施工精度控制[2]

① 在导孔开孔前对钻进的轴线进行复测，使钻杆中心和竖井中心点对准。

② 利用开孔扶正器和开孔钻杆配合慢速开孔。

③ 导孔钻进5～10 m左右由测量再次复核钻孔角度。

④ 结合以往施工经验，先导孔开孔时的钻孔速度控制在0.5～0.8 m/h，推进力为20～150 kN；转速为12～18 r/min；正常钻孔过程中为1.0～1.5 m/h，推进力为250～270 kN，转速为15～20 r/min，回转扭矩5～15 kN·m。

⑤ 钻头后连续安装6根稳定钻杆，随后3根普通钻杆，1根稳定钻杆，再放3根普通钻杆，1根稳定钻杆，组成开孔钻具组。稳定钻杆选用磨损较少的钻杆，如果磨损较大，合理增加1～2根稳定钻杆。

⑥ 导孔钻进转速应高于开孔钻进转速，用Ⅱ档或Ⅲ档，遇到松软地层和过渡地层采用低钻压，遇到硬岩和稳定地层宜采用高钻压。

⑦ 施工过程中对钻压、钻速、地质、钻深、稳定钻杆配置、异常情况处理等进行控制，发现偏离设计钻进轴线位置，及时采取措施进行纠偏和处理。

2)Φ1.4 m导井施工质量控制

① 开孔时慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低钻速5～9 rpm旋转。

② 系统压力控制在18 MPa之内。

③ 岩石硬度较大，适当增加钻压，反之减小钻压。

④ 防堵井措施：在爆破前将废旧钢丝绳穿入溜渣井内(尽量使用大直径钢丝绳，且钢丝绳每隔1 m设置一个绳卡，用于增大受力面)，如发生堵井，利用卷扬机向上提升钢丝绳，对堵井点进行扰动，达到疏通井身的目的。

采取上述措施后，取得了良好的效果，Φ200 mm先导孔钻孔偏斜率为0.92%，符合质量标准，平均钻进速度达19.9 m/d，Φ1.4 m导井平均施工速度达9.95 m/d。

4.2 井口覆盖层开挖施工

根据设计图纸及反井钻基础开挖情况分析，闸门井井口向下约3～5 m为强风化层。在井口增设井圈锁口混凝土后，该部位采用从上至下“正井法”施工技术。

地表全风化覆盖层采用1.8 m3反铲挖掘机直接开挖[3]，配20 t自卸汽车出渣至库底渣场，开挖层高2 m，支护紧跟开挖进行。

井口段风化程度较弱岩体，1.8 m3反铲无法直接开挖时，采用1.8 m3反铲带10 t液压破碎锤凿除，再采用另1台1.8 m3反铲捞渣，配20 t自卸汽车出渣至2#石料中转场。开挖层高50 cm，每开挖2 m后进行支护施工。

4.3 井身段开挖施工

闸门井井口5m以下反铲的开挖深度受限，岩石完整性增强，采用钻孔爆破方式，以先期施工完成的导井为溜渣井，“正井法”自上而下一次扩挖成型[4]。人员上下闸门井采用井壁固定的“之字形”钢梯，材料和设备上下采用提升系统吊运。

为有效防止爆破飞石损伤，开挖井口5～20 m段后再安装闸门井上部提升系统。

该提升系统的主要功能是满足闸门井材料和扒渣用反铲吊运的需要。开挖工艺流程见图6所示。

1) 开挖准备

井内风、水、电就绪，施工人员、机具准备就位。

2) 测量放线

扩挖施工前需提前将控制导线引至闸门井井口，并在井口设置控制点。由测量专业人员采用全站仪实施。扩挖每排炮后进行闸门井中心线、设计规格线检查，并根据爆破设计参数点布孔。爆破设计参数表见表2，爆破设计参数见图7。开挖断面检查在喷混凝土前进行，检查间距为5 m。定期进行导线点检查、复测，确保测量控制精度。同时，随闸门井开挖、支护进度，每隔10 m在两侧洞壁设一明显的桩号标志，并作好保护。

图6 爆破开挖工艺流程示意

表2 闸门井井身段爆破设计参数

3) 钻孔作业

由熟练钻工按照测量定出的开挖轮廓线进行钻孔，分区、分部位定人定位施钻。每排炮按“平、直、齐”的要求进行检查，做到炮孔的孔底落在爆破规定的同一个垂直断面上。扩挖轮廓线均采用光面爆破。

4) 装药爆破

装药前用高压风冲扫炮孔，炮孔经检查合格后，方可进行装药爆破；光爆孔将小药卷捆绑于竹片上间隔装药。崩落孔和其它爆破孔装药要密实，按照爆破设计进行装药及联结起爆网络，炮泥堵塞长度不小于1/3，孔口压沙袋，沙袋上覆橡胶轮胎炮被及竹条板，井口铺钢丝绳网，以防控飞石。最后由炮工和值班技术员复核无误后，撤离人员和设备，炮工负责引爆。

图7 井身段钻爆示意(单位：mm)

光面爆破须达到以下要求：

① 钻孔孔口位置、角度和孔深应符合爆破设计的要求；

② 炮眼残孔率：除不良地质段外，炮眼残孔率应在80%以上；

③ 相邻两孔间的岩面平整，孔壁没有明显的爆震裂隙；

④ 相邻两茬炮之间台阶的错台不应大于15 cm；

⑤ 扩大掌子面孔口尺寸成漏斗形。

井身段周边孔、光爆孔装药示意见图8～9。

图8 井身段周边孔装药示意(单位：cm)

图9 井身段光爆孔装药示意(单位：cm)

周边孔的线装药密度、单孔药量和单位耗药量计算如下：

周边孔的线装药密度=单孔装药量/装药长度=0.35/1.90=0.184 kg/m

(1)

周边孔单孔药量=底药+中间节装药量×节数=2/3×300+1/8×300×4=350 g

(2)

式(2)中的参数见图8，计算结果见表2。

光爆孔单孔药量=底药+中间节装药量×节数=1×300+1/2×300×8=1 500 g

(3)

式(3)中的参数见图9，计算结果见表2。

总装药量=光爆孔单孔药量×孔数+周边孔单孔药量×孔数=1 500×166+350×76=275 600 g=275.6 kg

(4)

式(4)中的孔数见图7，计算结果见表2。

按闸门井平均超挖6 cm、实际进尺2.2 m计，石渣量=(开挖断面面积-导井面积)×实际进尺=[(13.6+0.06×2)×(7.9+0.06×2)-3.14×0.72]×2.2=238.7 m3

(5)

式(5)中的参数见图1。

单位耗药量=总装药量/石渣量=275.6/238.7=1.15 kg/m3

(6)

5) 通风散烟及除尘：开挖爆破后30分钟内烟尘自然扩散，并喷水除尘。

6) 扒渣及安全处理：闸门井爆破后，经通风散烟，采用10 t卷扬机吊运徐工XE60D反铲入井内扒渣[5]，从四周向溜渣孔扒渣，局部位置人工配合扒渣。扒渣时优先将渣料表面及边墙上危石清除。

在溜渣井堵塞使用预埋钢丝绳抖动无法疏通时，采用氢气球提升炸药爆破法进行疏通[6]。

7) 出渣及清底：溜渣结束并用井盖将导井井口封闭后，即采用装载机配合自卸汽车在下部尾水主洞进行出渣[7]。

闸门井底部尾水主洞的存渣量约900 m3，闸门井排炮进尺按2 m计算，松方系数取1.4，则下部集渣量约为3排炮堆渣量。因此每开挖2～3排炮即需出渣一次。

4.4 闸门槽段开挖施工

闸门槽段指闸门井底部与尾水主洞相交段，总高13.15 m，该段开挖断面尺寸为13.6 m×7.9 m，但因该段闸门井内部的尾水主洞开挖时内部宽11.2 m范围已经开挖完成，形成临空面，故闸槽两侧各剩余1.2 m厚岩体需要开挖。结构示意见图10。

图10 闸门槽段结构示意(单位：mm)

采用手风钻造孔，中部崩落，周边光爆开挖。与尾水主洞直边墙相交段两侧1.2 m厚岩体采用手风钻竖直钻孔，光爆修边。周边孔采用竹片加导爆索间隔装药，线装药密度116 g/m。该段开挖钻孔深度3.5 m，预期排炮进尺3 m。周边孔装药示意见图11。

图11 闸门槽段周边孔装药示意(单位：cm)

5 施工效果

1) 2019年9月24日导孔开钻，9月26日导孔贯通。经测量检查导孔钻进59.689 m，X向偏差-0.438 m，Y向偏差-0.327 m。经计算导孔日进尺19.9 m/d，类似工程反井钻导孔最大进尺15 m/d，提前1 d完成。经计算导孔偏斜率0.92%，满足《水电水利工程斜井竖井施工规范》(DL/T 5407—2009)钻孔偏斜率不大于1%的要求。

2) 2019年9月27日导井反拉开钻，10月2日反拉完成，经计算导井扩挖日进尺9.95 m/d，达到类似工程导井最大进尺10 m/d水平。

3) 结合《水利水电工程施工技术全书》第二卷土石方工程第一册爆破技术表4-1各类岩体的单位耗药量：风化较轻，节理不甚发育细粒结构花岗岩单位炸药耗药量1.3～1.6 kg/m3。梅蓄电站下库闸门井井身段围岩为Ⅲ类，微风化～新鲜的花岗岩，岩石完整，单位耗药量1.15 kg/m3，接近经验值的下限，比经验爆破炸药节省。

4) 通过适当加密布孔参数，减小主爆孔间距，减小排炮开挖进尺，增加爆破延时，降低大块率，最大石块直径不大于溜渣井洞径1/3，同时扩大掌子面孔口尺寸成漏斗型，爆破后石渣顺利通过溜渣井，闸门井开挖过程未发生导井堵塞，节省扒渣时间，减小人工劳动强度，加快施工进度，为电站按期蓄水发电提供条件。

6 结语

下库闸门井成功应用正反井开挖施工技术进行施工，施工进度快，形成一套成熟完整的施工工艺，给类似闸门井开挖提供参考，具体优势如下：

1) 采用正井法一次扩挖施工，省去一次扩挖施工及提升系统布置、拆除等环节，降低施工安全风险，节省开挖施工循环时间，提高闸门井开挖总体施工工效。

2) 采用反井法形成导井作为溜渣通道，开挖和出渣同步进行，无交叉，互不干扰，解决了从井口出渣工效低的难题，压缩了开挖施工循环时间。利用竖直临空面，有利于爆破施工。

3) 正井全断面开挖施工形成的工作面空间大，有利于发挥机械施工工效。

4) 正井一次扩挖成型风、水、电设施一次铺设到位，节约了施工成本。

5) 利用钢爬梯作为人员上下施工通道，开挖施工可连续作业，开挖各环节施工更加紧凑。

6) 开挖前井口施工锁口混凝土及井口15 m范围施工护壁混凝土，有效的保证开挖成型质量，施工作业安全风险降低。