水利水电工程引水系统竖井(斜井)开挖方法研究

水利水电工程引水系统竖井（斜井）开挖方法研究

作者：杨伟山

来源：《沿海企业与科技》2007年第09期

［摘要］文章对水利水电工程引水系统竖井（斜井）的开挖方法进行探讨研究，介绍竖井开挖的几种方法，包括反井法、爬罐法等，指出各种施工方法的优缺点及适用条件。 ［关键词］反井钻机法；爬罐法；竖井开挖；水利水电工程

［作者简介］杨伟山，广西水电工程局副总工程师，研究方向：技术管理，广西南宁，530001

［中图分类号］ TV551.4+2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1007-7723（2007）09-0144-0006 一、前言

在水利水电工程中，常有一些引水系统竖井和斜井，如引水式电站及抽水蓄能电站的压力管道、调压井、闸门井以及大型人工砂石加工系统粗碎毛料给料溜井等。近年来，随着经济的发展和电源建设投资的多元化，水电站开发呈加速之势，引水式电站、抽水蓄能电站发展迅速，并向高水头、大装机容量方向发展。例如：已并网发电的广州抽水蓄能电站一期工程最大毛水头535m，压力管道斜长753m，开挖洞径Φ9.7m；同样，已投产发电的浙江天荒坪抽水蓄能电站最大水头610m，压力管道斜井长711m；正在施工的山西西龙池抽水蓄能电站最大水头694.5m，压力管道斜井长796.49 m，洞径Φ5.9 m。而在引水式或抽水蓄能电站中，竖井或斜井又常处于工程施工的关键线路上，是工程的关键施工项目。因此，选择一种快速、经济、安全的竖井（斜井）开挖方法对项目的如期建成至关重要。

本文分别介绍竖井（斜井）开挖的几种方法，指出各种施工方法的优缺点及适用条件，每种方法均列举几个工程实例以供参考。 二、竖井（斜井）开挖方案选择

引水系统竖井（斜井）的开挖方法大致有由上往下的正井开挖和由下往上的反井开挖两种方式。正井开挖一般采用钻爆法施工，反井开挖有反井钻机法、爬罐人工钻孔爆破和吊笼人工钻孔爆破、反井钻法与爬罐法组合施工法等几种施工工艺。

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（一）正井开挖

正井开挖一般采用自上而下钻爆法施工，主要包括采用机械化程度较高的专用凿岩机钻孔爆破，专用抓斗出碴和手风钻钻孔爆破人工装碴，绞车提升两种工艺。对于短小断面竖井或斜井，采用手风钻钻孔，光面微差全断面爆破，人工装碴，绞车提升吊斗。对大断面较长竖井，则采用中心回转式抓岩机装岩装碴，绞车提升吊斗出碴。

采用这种方法开挖，宜在上井口设置施工井架，承载提升绞车及稳车的运行和出渣吊斗的承重。稳车用于承载井下作业面之上的安全吊盘，安全吊盘上设有专职监护人员，负责井下作业风、水、电供应的控制，井下与井上的联络及爆破接引等。由于这种施工方法需要做大量的准备工作，施工过程干扰大，施工进度比较慢，在水电工程中竖井（斜井）施工比较少用。 （二）反井开挖

反井开挖的关键在于导井开挖。反井开挖有反井钻法、爬罐人工钻孔爆破和吊笼人工钻孔爆破、反井钻法与爬罐法联合法等几种施工工艺。

1.反井钻法：反井钻机是连续钻进导井的机械化设备，其施工工艺是将反井钻机安装在上部浇好的混凝土基础上，由上向下钻进小直径（Φ216mm）导向孔，导孔和下部隧道贯通后，拆掉导孔钻头，连接扩孔钻头，由下向上扩孔。导孔钻进时破碎下来的岩屑有循环液带出地面，扩孔时破碎的岩石靠自重落到下隧洞，由装载机或其他装载设备运出。反井钻法已在许多采矿工程和水电工程中得到成功应用。

2.爬罐法：实施这种开挖方法的前提是下平洞的施工已经完成，爬罐在已完成的平洞上安装，利用爬罐从下往上采用人工钻孔爆破，爆碴靠自重下落，由装载机或其他装载设备运出。采用这种方法施工没有导孔，排烟困难、工作条件差。但由于此法准备工作量少、爬罐及其附属设备比较经济，因此在水电工程中常被采用。

3.吊罐（笼）法：吊罐（笼）法实施的前提是下平洞的施工必须提前完成。采用地质钻机在井位从上往下钻一个直径为Φ150mm～Φ250mm的导孔，在竖井（或斜井）上部水平安设提升绞车，通过导孔用钢丝绳提升吊罐（笼），作业人员站在吊罐（笼）内钻孔、装药。采用此法开挖，导井直径可达2m以上，爆破下来的石碴直接落到下平洞的底板，由装载机等出碴设备平洞运出。

4.反井钻法与爬罐法联合施工法：对于长度超过500m的长竖井（斜井）通常设置中平段或支洞将竖井（斜井）分成两段或几段施工，施工时根据竖井或斜井的地质情况，采用反井法与爬罐法的组合进行开挖施工，如上部采用反井法施工，下部采用爬罐法施工。 本文重点对反井钻机法和爬罐法两种施工工艺进行探讨和研究。

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三、反井法开挖 （一）反井钻法施工

20世纪60年代，反井钻机在美国和德国用于采矿工程领域，用于施工矿山地下暗井、溜井和矿仓等导井工程。我国对反井钻机的研究始于20世纪60年代中后期，80年代将反井钻机用于煤矿地下工程，煤炭科学研究总院研制出LM系列的反井钻机。1992年，十三陵抽水蓄能电站采用国产LM-200型反井钻机掘进出线竖井导井取得成功。该导井长160.8m，洞径1.4m， 这是反井钻机在国内水电工程中的首次应用。目前，反井钻机先后在国内各大矿务局，十几个水电站和抽水蓄能电站工程应用，最大井深316m，最大斜井长236m（倾角50°）。

目前，国内已研制出最大掘进深度为400m，最大孔径Φ2.0m，钻进角度50°~90°的反井钻机，基本能满足一些斜井（竖井）开挖的要求。国外有几家公司如美国的罗宾斯（Robins）公司和芬兰的塔姆洛克（Tamrock）公司生产的反井钻机掘进深度可达千米。 1.施工方法 （1）施工程序

采用反井钻法施工的关键是导井的施工，进行导井施工的程序如图1所示： （2）施工工艺

导孔钻进是反井钻机钻井施工的关键，它关系到钻孔的质量和成败。在导孔钻进之前必须详细了解有关地质资料、工程性质和工程概况及其他相关工程项目的施工情况，确定钻机安装位置，钻具布置，钻进参数及洗井液的选择和控制。 导孔钻进主要包括以下几个工序： 1）导孔钻进准备。

2）钻具选择，一般根据地质条件和工程要求精度来确定。

3）钻进参数选择。导孔钻进参数主要包括钻压、扭矩、转速和钻速，其中钻压、转速可通过钻机调整，而扭距和钻速、钻压、钻孔深度、孔径、岩石条件等有关。

4）洗井液控制。洗井液也称循环液，为清水或泥浆。主要作用是将导孔钻头破碎下来的岩屑带到孔外，冷却导孔钻头，同时还可起到导孔固壁作用。

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5）测斜。对于深孔和大倾角孔，根据工程要求需要测斜，一般采用型测斜仪，然后根据测斜结果决定是否需要纠偏。 （3）施工方法要点

反井钻机及其附属辅助设备布置在竖井上口平台上。在钻机的附近布置循环池、沉淀池等。在竖井的正上方布置钻机基础（见图2），基础采用混凝土，并预留地角螺栓孔的位置。采用汽车吊装反井钻机及其辅助设备，按规定程序进行调试。调试完成和其他各种准备工作完成后，开钻导孔。导孔和下水平洞贯通后，拆除导孔钻头，安装扩孔钻头。扩孔开始时，下边安排人员值班观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。扩孔过程中，根据岩石硬度大小调节钻压，同时要及时出渣，防止堵孔。当钻头接近钻机基础（距离2.5m左右）时，要降低钻压慢速钻进直至钻头露出地面。导孔施工过程中要加大测斜频率，及早发现孔斜不能满足要求时，及时进行处理。 2.反井钻机的选型

反井钻机的选择主要根据工程钻井深度、钻孔直径和岩石物理力学特性以及有关水文地质条件、国内现有设备和以往施工经验等因素选择反井钻机。国产LM系反井钻机的主要特性见表1。

在进行钻机选型时,对于岩石抗压强度小于100Mpa，钻孔深度小于200m的竖井或斜井，可选用LM-90～LM-200型钻机；而对于岩石抗压强度在100Mpa～250Mpa，钻孔深度在200m～400m的竖井或斜井，可选用LM-300、LM-4000型钻机。 3.工程实例

近年国内一些抽水蓄能电站的竖井（斜井）采用反井钻机施工，取得比较好的效果。详见表2。

4.反井钻机的主要优点和缺点 （1）主要优点

1）保证了施工安全： 反井钻机施工时，工作人员不需进入工作面工作，工作环境和安全状态好，避免了其他施工方法的落石、淋水、有害气体的伤害等。

2）工作效率高：反井钻施工为机械化连续作业，正常情况下，导孔施工综合速度可达150m左右/月。

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3）工程质量好： 反井钻机采用滚刀机械破岩，对围岩破坏小、井臂光滑，有利于扩挖溜碴、通风和排水。同时，不存在爆破对围岩的扰动现象，从而围岩承担的内水压力较大，可减少钢板衬砌的工程量。由于几乎没有超挖，可减少混凝土衬砌回填量。

4）反井钻机效率高：反井钻机采用液压传动控制，操作简单、工人劳动强度低、钻凿速度快，其综合效益显著。 （2）主要缺点

1）成本高：设备投资费用高，一般为爬罐法的5~10倍；掘进费用高，一般为爬罐法施工掘进费用的1.5~2.0倍。

2）适应性差：只能开挖圆形断面。适用于开挖中短竖井。对地质条件要求较高，对于软岩和过硬的岩石不宜采用，岩石过软会产生塌孔、卡钻现象，岩石过硬，刀具磨损快，掘进速度慢，掘进费用急剧上升，一般岩石抗压强度在40Mpa~120Mpa，在岩石完整的地质条件下，可考虑采用反井钻机法施工。

3）反井钻机在掘进时，孔斜不易控制，且孔斜受井的长度及倾角影响。 4）施工准备工作量大，对工人的技术要求高。 （二）爬罐法施工

爬罐法施工自20世纪50年代开始采用以来，已有众多采矿或水利水电工程斜井（竖井）采用此法施工，已成为竖井和斜井开挖最常用的施工方法，其中应用最多的是挪威、瑞典等几个国家。自上世纪80年代初以来，国内的几个水电站的压力斜井采用了此法开挖，如天生桥二级电站，广州、十三陵、天荒坪、桐柏和宝泉等抽水蓄能电站的斜井开挖均采用爬罐法施工。

爬罐法不需在竖井或斜井上钻中心孔,而是在井壁上安装导轨,爬罐在导轨上上下移动。掘进时，施工人员在爬罐平台上钻孔装药，爆破前将爬灌移到平洞里。 1.施工程序和工艺流程 （1）施工工艺

采用爬灌法施工的前提是平洞已经贯通。在平洞上安装和调试爬罐，通过对导轨的不断向上延伸将爬罐运行到导井开挖掌子面，利用爬罐进行钻孔爆破，爆破后石渣靠自重落下。石渣由装载机或其他装运设备从平洞运出至洞外弃碴场。

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施工时根据竖井（斜井）断面大小确定采用全断面一次开挖完成（小断面）或先挖导井，后按正井扩挖。爬罐法施工适用于倾角大于42°的斜井开挖，对于小断面斜井（竖井）可由爬罐法全断面一次开挖完成。对于大断面斜井（竖井）要采用导扩法开挖，先用爬罐法由下至上开挖一导井，然后由上至下钻爆法分层扩挖，导井溜渣。 （2）施工程序

采用爬罐法进行导井(或小断面斜井)施工的程序如图3所示： 2.爬罐的技术特性及爬罐的选型 （1）爬罐的技术特性

由于目前国内生产的爬灌在技术性能等方面难以满足长大竖井（斜井）的开挖要求；因此，在水电工程竖井和斜井施工中，常选用瑞典阿里马克公司生产的阿里马克爬罐。阿里马克爬罐的主要技术特性见表3。 （2）爬罐的选型

爬罐法进行竖井施工，其所达到的最大高度主要受爬罐性能的限制。爬罐按动力装置分为三类：风动爬罐、电动爬罐及柴油液压式爬罐。风动爬罐下降时，自动卷盘将供应压缩空气的软管卷起，故其爬升高度主要受供应压缩空气的软管的重量限制，风动爬罐适合于开挖高度（长度）200m以内的竖井或斜井。电动爬罐运行速度较高，适合于开挖较高竖井，其供电电缆的重量限制了爬罐的上升高度，适合于竖井高度550m以内。柴油液压式爬罐的爬升高度较前二者大，速度亦较前二者快，不受软管和电缆重量的限制，最大开挖高度已达980m。 在实际施工中，可根据竖井或斜井的长度、断面大小等参数进行爬罐选型。 3.爬罐法施工的工程实例

国内外很多水电工程引水系统竖井或斜井都采用爬罐法进行导井开挖，如国内的广州蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站及渔子溪II级电站等。表4中列举了国内外一些工程采用爬罐法施工竖井或斜井导井的实例。 4.爬罐法施工的优、缺点 （1）优点

1）适应性强，只要改变工作平台就可以完成不同断面竖井或斜井的开挖。

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2）可改变方向，对各种斜井的开挖只要对弯曲的导轨稍加改变即可。 3）可适应各种地质条件，施工准备工作量少。

4）开挖的斜井（竖井）准确性高，井的准确性不受井的高度、倾角和断面尺寸控制。 （2）缺点

1）施工安全性和施工环境差。

2）由于采用钻爆法施工，因此爬罐法超挖量大，爆破对围岩的扰动大，对围岩的稳定不利。

3）井壁粗糙，摩擦力大，溜渣和通风能力受影响。 四、结语

由于目前国内外生产的竖井（斜井）施工设备性能的限制，以及工程总进度的要求，对于长度超过500m的长斜井通常设置中平段或支洞将斜井分成两段或几段施工，施工时根据竖井或斜井的地质情况，采用反井法或爬灌法或两种方法的组合进行开挖施工。

反井钻机适宜竖井开挖，购买设备投资大，开挖成本高，如竖井（斜井）工程不处在关键线路上，不宜采用此方法。爬罐法施工是适应性最强、应用最广泛的斜井（竖井）施工方法。此法投资少，但施工进度较反井钻机法慢，施工环境和安全性较反井钻机法差。

因此，应根据不同的施工时段、地质条件、承包商的技术力量、技术水平以及承包商的经济实力、工程工期要求等，确定竖井或斜井的开挖方法。 ［参考文献］

［1］张兴彬.反井钻机在张河湾引水系统中的应用［J］. 水利水电施工,2005,（1）. ［2］姬脉兴.西龙池抽水蓄能电站大坡度超长斜井开挖施工技术［J］. 水力发电,2006,（12）.

［3］傅自义,刘吉祥,吴华清.反井钻机开挖大倾角斜井导孔的工程实践［J］.水利水电科技发展,2006,（2）.