反井鉆機法在黃金峽水利樞紐出水洞豎井開挖中的應用

黃和平

（中國水利水電第十二工程局有限公司, 杭州 310030）

隨著我國水利建設領域投資的不斷增加，地下工程也越來越多，而在這些工程中豎井建設占有比重越來越大。引水系統中的豎井、出線井、調壓井、通風井、閘門井等比較常見。豎井施工工作面窄小、通風困難，受高空作業、落石、炮煙和粉塵等危險因素影響，豎井一直是水利水電行業施工的重難點，同時近幾年豎井工程的直徑和深度等參數不斷變化，遇到的地質條件復雜情況不一，對豎井施工方法的選擇及安全保障有了新的要求。

豎井施工分為全斷面一次開挖法和反井開挖2 種方法，全斷面一次開挖法適用于洞徑相對較小豎井開挖。反井開挖有正井、反井或正反井結合法。傳統反井法目前在水利水電工程中廣泛使用，施工工藝應用較為純熟[1]。人工反井施工方法對井深有一定的限制要求，井深越深，施工難度更大，安全問題更突出，同時遇地質條件復雜不宜采用該方法。黃金峽水利樞紐出水豎井開挖深度為103.13 m，下井段洞徑?7.8 m，漸變段洞徑?7.8 m～?9.4 m，上井段洞徑?9.4 m，豎井巖體圍巖分類屬Ⅲ、Ⅳ類，圍巖局部穩定性差，針對豎井地質相對較復雜，開挖洞徑大，井深較深的特點，選擇反井鉆法進行施工，操作方便，更安全，同時能加快施工進度。近年來反井鉆機設備、自動化、靈活性、施工工藝以及破巖效率等方面取得了長足進步，應用廣泛。

1 工程概況

黃金峽水利樞紐工程位于陜西省漢江水道洋縣境內。黃金峽水利樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、泵站電站建筑物、通航建筑物和過魚建筑物等組成。攔河壩為混凝土重力壩，最大壩高63 m，總庫容2.21 億m3，調節庫容0.98 億m3，正常蓄水位450 m，死水位440 m，如圖1 所示。

圖1 出水洞豎井縱剖面及圍巖等級分類圖Fig.1 Vertical profile of outlet shaft and classification of surrounding rock

黃金峽水利樞紐左岸輸水隧洞由出水洞和出水池組成，出水洞平行壩軸線布置，由水平段、圓弧段和豎井段組成，水平段長184.37 m，圓弧段長28.27 m，豎井段長103.13 m。出水洞豎井由下井身段、漸變段和上井身段3 部分組成，豎井井底高程439.00 m，井口高程542.13 m，EL439.00 m～EL526.23 m 為下井身段，洞徑?7.8 m，EL526.23 m～EL536.23 m 為漸變段，EL536.23 m～EL542.13 m 為上井身段，洞徑?9.4 m。出水洞豎洞段及下平段洞室圍巖巖性主要為閃長巖，微風化，裂隙不發育-較發育；圍巖類別為Ⅲ、Ⅳ類，圍巖局部穩定性差。黃金峽水利樞紐出水洞豎井地質相對較復雜，開挖洞徑大，豎井深度較深的特點，豎井開挖存在一定的難度。在施工中，豎井開挖先采用反井鉆法進行導孔開挖，反井貫通后再進行豎井自上而下擴挖至設計斷面，利用反井從下部出水洞出渣的方法施工，施工不僅操作方便，快速，而且施工更加安全，施工獲得了成功。

2 施工方案選擇

豎井開挖先進行導孔開挖，反井貫通后再進行豎井自上而下擴挖至設計斷面，利用反井從下部出水洞出渣的方法施工。目前反井開挖普遍采用的方法為反井吊罐法開挖，開挖方法一般采用自下而上鉆孔、爆破，操作平臺采用卷揚機吊罐，從下部出水洞平洞出渣。也有采取正井吊罐法開挖反井，開挖方法采用自上而而下鉆孔、爆破，渣料采用卷揚機吊罐吊至上部出渣。也有正反井結合法。但因豎井段巖石層理明顯，導孔自下而上或自上而下開挖過程中易掉塊，安全風險大，同時工程進度較慢，不能滿足施工工期要求。

黃金峽水利樞紐出水洞豎井地質相對較復雜，開挖洞徑大，豎井深度較深的特點，豎井開挖先采取反井鉆機施工反井(豎井)，再進行豎井自上而下擴挖至設計斷面，利用反井從下部出水洞出渣的方法施工。采用反井鉆機法施工，主要有以下優點：①效率高。反井鉆機法連續施工，速度快，較其他方法提高5～10 倍工效，為后續施工奠定良好基礎，效益明顯。②質量好。反井鉆機采用滾刀機械破除巖石，對圍巖的擾動比較小，井壁光滑，有利于擴挖溜渣、通風、排水。③易操作。采用液壓控制，容易操作，工作強度不大。④人員安全。施工人員不用進入工作面鉆孔、裝藥和支護等作業，直接呆工作面頂部，不會受落石和有害氣體的傷害，避免發生安全事故[2]。

3 施工工藝流程及施工方法

3.1 豎井開挖施工工藝流程[3]

豎井開挖施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 豎井開挖施工工藝流程Fig.2 Construction process flow diagram of vertical shaft excavation

3.2 豎井施工方法

3.2.1 圓弧段施工

圓弧中心線半徑18 m，弧長28.27 m，作為出水平洞與豎井的連接段，與出水平洞連接處洞底高程417.00 m，與出水豎井連接處高程439.00 m。

圓弧段施工與平洞段相接部分同平洞段施工時一起完成，為達到反井鉆機施工作業條件，開挖至圓弧段起點時，繼續向洞內施工20.2 m 進行技術性超挖[4]，施工示意圖如圖3 所示。

圖3 技術性超挖施工示意Fig.3 Schematic diagram of technical overbreak construction

待技術性超挖完成后，進行出水洞上部圓弧段施工，上部圓弧段同豎井同步施工，先進行豎井導孔鉆孔，鉆孔完成后，再進行反井施工，反井施工完成后，反井底部預留石渣，提供鎖口支護平臺（見圖3），待支護完成后進行上部的擴挖施工，擴挖施工采用分層臺階法開挖，周邊預裂爆破，配備3 m3裝載機和15 t 自卸汽車井底出渣。

技術超挖控制[5]：

（1） 在進行技術超挖前根據地質條件、開挖斷面和方法、循環進尺、鉆眼機具和爆破材料等參數進行鉆爆設計。

任何時代環境下女性都是相對于男性而言更為敏感的群體，她們是時代社會發展的導向標。李劼人的《死水微瀾》《暴風雨前》和《大波》中女性鮮明地反映了這一特征，她們處在時代社會發展最敏感的地帶，她們受傳統壓迫最嚴重，卻對現代社會最敏銳。她們以自身的身心變化反應著時代社會的變化發展。李劼人人筆下的女性有著傳統婦女所沒有的自由獨立，對婚姻愛情的執著追求，而這些正是當代女性身上所體現的品格。她們在時代洪流中具有先導性和先鋒性。

（2） 嚴格控制開挖循環進尺，縮短不良地質段開挖進尺，控制爆破，采用滿足剛度和強度的支護設計。

（3） 嚴格控制開挖斷面，不欠挖，超挖控制在規范允許范圍內，具體措施：①采用合理鉆爆參數，選用優質的爆破器材，優化爆破工藝，保證爆破質量；②提升鉆眼的精度，按設計輪廓鉆眼，控制鉆孔方向，減少超挖值。保證裝藥的質量，將藥卷用竹片加工成藥串。嚴控炮眼裝藥量，堵塞質量好，雷管不得混裝。

3.2.2?1.4 m 反井施工

反井施工工藝流程見圖4 所示。豎井段反井開挖采用BMC300（ZFY1.4/300）反井鉆機進行施工。首先鉆設直徑244 mm 導孔，導孔貫通后，然后在豎井下部安裝直徑1.4 m 的擴孔鉆頭，自下而上擴挖導孔成為直徑1.4 m 的反井，開挖渣料采用3.0 m3側卸裝載機和15 t 自卸車從平洞段出渣。根據施工進度計劃及結合現場實際條件，豎井段反井開挖日平均進尺約12.5 m。

圖4 反井施工程序框圖Fig.4 Block diagram of pilot shaft construction program

3.2.3 鎖扣圈梁施工

為防止井口坍塌和井下安全，對豎井采用混凝土鎖口。反井施工完成后，二次擴挖前按設計要求完成鎖口支護。因井口圍巖較破碎，采用1.5 m 短進尺擴挖豎井，結合具體的地質情況及時進行圈梁施工[6]。鎖口圈梁的施工工藝如圖5 所示。

圖5 鎖口圈梁施工工藝流程圖Fig.5 process flow diagram of locking ring beam construction

3.2.4 二次擴挖施工

3.2.5 不良地質段施工

豎井施工過程中可能遇到斷層、塌方、裂隙等不良地質段，做好超前地質預報、安全監測和支護、不良地質段處置等工作[7]。施工中加強圍巖變形監測。監測中發現的問題及時報告監理人并執行監理人指示。在不良地質段施工一般遵守下列原則：

（1） 減少擾動圍巖，采用短鉆孔、少藥量和多循環等措施；

（2） 排水通暢，鎖好洞口，清理浮石，做到一掘一支護；

（3） 開挖后及時支護跟上；

（4） 遇到不良地質問題，及時采取針對性有效支護；

（5） 強化監測，多檢查巡視，系統分析監測成果；

（6） 注意不良地質條件下施工安全。

4 反井堵塞預防及處理

反井鉆機法施工，反井保持暢通十分重要。本工程從反井堵塞原因著手分析，制定了預防和處理反井堵塞具體措施，有效指導施工，為豎井采用反井鉆機法施工提供了技術保障。

（1） 堵井原因分析：①反井斷面較小，溜渣過程中大塊石容易相互擠壓，導致堵井；②施工過程中未嚴格按鉆爆設計參數要求控制，出現大量超徑石導致堵井；③豎井傾斜厲害，傾斜段溜渣滯后，導致溜渣堵井；④豎井砂漿錨噴凝結于井壁，造成反井直徑變小，從而堵井[8]。

（2） 反井防堵措施：①優化豎井擴挖爆破設計，使用較小炮孔間排距，控制爆破后石渣粒徑，最大塊體小于反井1/3。②控制反井溜渣量，防止大量洞渣同時下井。對少數粒徑較大洞渣，單獨扒渣下井。③保證及時出渣，避免井底堆渣堵住下井口。④在反井鉆施時，要加強偏斜量監測和糾偏處理。⑤支護過程中盡可能減少掉渣量，定期沖洗井壁，沖洗干凈井壁的噴混凝土料，保持溜渣順暢。⑥采取技術手段，對井底下彎段進行技術擴挖，可避免反井在井底堵塞，同時也便于出渣。⑦加強現場管理，各司其責。落實各項措施，當出現問題時，及時分析處理，保證豎井順利施工。

（3） 反井堵井處理措施根據不同的堵井情況確定處理方法：當堵井發生在擴挖深度≤5 m 時，用反鏟挖除井內的積渣，疏通堵井。如疏通不了，則用鉆機鉆孔震動疏通。如仍不能疏通，用鉆機鉆孔爆破疏通。作業人員必須系牢安全帶或安全繩，安全繩不得過長，以能滿足正常清理工作為準。

當堵井發生擴挖深度＞5 m 時：①首先清理小塊碎渣后，在人工清理反井口小塊碎渣時，只允許清理表面浮石，不得撬動被卡住的塊石，然后將炸藥包安放好，用導爆索延長至井口地面，在地面引爆。施工人員必須系好安全帶、安全繩，安全繩不得過長，以能滿足正常清理工作為準，應有專人在井臺固定安全繩負責收、放安全繩。應將清理出的石塊運送到井口平臺，不得碼放在井口上方。②高壓水沖刷法：首先盡可能清理堵井的碎石，用龍門吊將石渣吊出，然后用高壓水沖洗堵井處，將碎石沖下，減小石塊間磨擦力，促使巖石自然滑落。

堵井部位距離下井口的高度為0～15 m 時，采用長桿綁炸藥包處理；當高度為15～25 m 時，可采用氫氣球攜帶藥包飄升至堵塞部位起爆處理。

5 豎井施工安全保障措施

反井鉆機法施工，施工安全較其它施工方法有了很大提高，但仍存在較大安全風險，應建立以下施工安全保障措施：①建立豎井擴挖施工的安全生產保證體系，設立項目部豎井擴挖施工安全監督小組，層層落實安全責任，加強施工安全生產培訓教育及交底，施工區域實行封閉管理，設置施工隔離區，禁止無關人員、非作業車輛進入。②做好豎井施工中防墜落、防物打、防坍塌措施，落實安全檢查制度。③豎井臨時支護要緊跟擴大開挖面；豎井與平洞連接段，將連接段加固后再開挖；豎井必須邊開挖邊進行支護，上一個循環支護完成之前，不得進行下一個循環開挖，以確保工程安全；爆破后必須認真處理浮石和井壁，避免落石傷人毀物。④當井筒擴挖剩余高度為1.5 倍洞徑時，所有施工人員必須系好安全帶，防止反井壁發生坍塌，造成人員傷亡事故。⑤根據工作面實際情況，對圍巖穩定進行及時監測、分析和預報。⑥對不良地質段采取“短鉆孔、少藥量、多循環”的施工方法，減少對圍巖周邊的擾動，確保施工安全。⑦最后兩炮擴挖渣料預留在下平洞中，為最后一層支護提供工作平臺，支護人員做好安全防護措施[9]。

6 應用效果

黃金峽水利樞紐項目出水豎井開挖計劃于2020 年12 月6 日開始，于2021 年1 月10 日完成反井開挖，2021 年4 月30 日完成二次擴挖及支護施工。豎井采用反井鉆機法施工，其具有明顯的優越性。①施工進度較快，月平均進尺69 m，最終較計劃提前8 d 完成。②利用反井鉆機法施工，降低了工人的勞動強度，安全保障性大大提高，在施工全過程中，未發生一般及以上安全事故。③豎井形體控制質量好。采用反井鉆機法施工，代替了傳統的人工鉆孔+爆破施工，做到了機械化減人、不存在超欠挖現象，豎井井體形體控制良好，保證了工程質量。

7 結 語

黃金峽水利樞紐出水洞豎井開挖深度103.13 m，洞徑為?7.8 m～?9.4 m，豎井巖體圍巖分類屬Ⅲ、Ⅳ類，圍巖局部穩定性差，針對豎井地質相對較復雜，開挖洞徑大，豎井深度較深的特點，選擇反井鉆法進行施工[10]。采用反井鉆法施工，極大改善了工人的工作條件，減小了施工風險，確保了整個豎井貫通施工安全，在施工全過程中，未發生一般及以上安全事故；同時保證了施工進度，工程較計劃提前8 d 完成，豎井開窟施工獲得了成功。本文以反井鉆機法在陜西省引漢濟渭工程黃金峽水利樞紐豎井開挖中成功應用為例，對反井鉆機法施工進行了總結，闡述了反井鉆機法開挖施工工藝及方法，反井堵塞預防及處理、安全保障措施等，尤其是在施工過程中，采用技術超挖和反井防堵及堵井處理措施，其成功的施工技術和經驗，可為類似工程提供施工經驗和技術參考。