反井钻机在溪洛渡水电站闸室竖井开挖中的应用

时间:2022-10-22 04:11:45

反井钻机在溪洛渡水电站闸室竖井开挖中的应用

摘 要:反井钻机在20世纪五十到六十年代出现在美国和德国采矿工程领域。近年来,随着反井钻机技术的不断完善与发展,开始在应用于水利水电工程竖井、斜井的施工。反井钻机施工具有安全、快速、高质量等优势,在溪洛渡水电站右岸导流洞闸室竖井开挖过程中,成功地应用反井钻机完成了闸室竖井溜渣导井的开挖,大大降低了竖井开挖难度,并确保了安全与进度。

关键词:反井钻机;溪洛渡水电站;竖井开挖

1 工程概述

1.1 建筑物概况

溪洛渡水电站施工期坝址两岸各布置了3条导流洞,右岸为4#~6#导流洞。导流洞平面上呈弯道布置,洞身断面为城门洞型,衬砌后净断面尺寸均为18×20m。在4#导流洞桩号0+168m~0+248处及5#导流洞在桩号0+233.886m~0+313.866处设置竖井闸室,闸室由下闸室(导流洞洞身扩挖形成)、启闭机室及闸室竖井组成,启闭机室位于下闸室正上方,两者之间通过闸室竖井连接。闸门竖井开挖断面为矩形,断面尺寸为 14.5m×34m,开挖高差43m。

1.2 围岩主要地质状况

右岸导流洞布置于金沙江右岸山体内,高程约在364m(400m之间,洞身所在岩层主要为P2β4( P2β6层致密状玄武岩、斑状玄武岩及角砾(集块)熔岩,岩石岩性坚硬,单轴抗压强度大于100MPa,属坚硬~极坚硬岩类。导流洞沿线岩体新鲜完整,嵌合紧密,岩体多呈块状(次块状结构,地应力量值中等,岩体透水性总体较弱,围岩稳定性较好,以Ⅱ类围岩为主,层间、层内错动带发育段局部围岩稳定性较差,为Ⅲ1类。

1.3 工期要求

闸室竖井开挖安排在启闭机室及下闸室上层开挖完成后进行,并要求在导流洞洞身中层开挖至下闸室断前完成,工期较紧张。

2 施工方案的研究

右岸导流洞竖井开挖,高度43m,断面尺寸达14.5×34m,如此大断面的竖井,必须采用先打通溜渣导井再分多次扩挖成型的方案,施工的关键点是溜渣导井的开挖,有如下方案可供选择:

(1)导井人工开挖。由于竖井深度仅50m,可在上部启闭机室设置起吊系统,人工进行导井正井法钻爆开挖,同时,在下闸室顶部人工由下往上进行反向垫渣钻爆开挖,上下两方向贯通后,导井开挖完成。该施工方法优点是易于组织,设备投入最少。缺点是方法原始,特别是正向开挖,钻爆掏槽效果差,每循环进尺不足1m,且出渣为人工作业,劳动强度大,效率低下;反向垫渣开挖作业环境差,造成导流洞闸室段交通中断,且安全保障性小。

(2)人工吊兰法反向钻爆开挖。首先在启闭机室架设地质钻机,沿竖井中心线造孔贯穿至下闸室,在启闭机室设置起吊设备,沿已造中心孔放下钢丝绳挂吊兰,人工以吊兰为操作平台进行反向钻爆作业。该方法同样存在易于组织,设备投入少等优点,效率较正井法高,缺点是上下联系协调不便,人员作业环境差,安全保障性小,且钻爆开挖溜渣井平整度差,扩挖过程中溜渣易出堵塞事故。

(3)爬罐法反向开挖。我集团公司采用爬罐施工竖井与斜井技术已相当成熟,在三峡地下右岸电站排沙斜洞等工程均成功采用爬罐施工。但是,溪洛渡导流洞下闸室跨度大,爬罐工作平台扩挖安装困难,费时费力,且爬罐施工同样存在效率不高,井壁平整度差,作业环境差等缺点。

(4)反井钻机开挖。采用LM-200反井钻机,在启闭机室安装完成后,沿竖井中心线造一φ216mm先导孔贯通下闸室,再在下闸室安装反井钻机反扩钻头,由下至上反向扩孔施工,完成φ1.4m溜渣导井扩挖。反井钻机施工技术先进,速度快,安全性高,扩孔后井壁光滑,便于溜渣,且无爆破作业对围岩的扰动。

在此之前,我集团公司先后在拉西瓦低下厂房工程,冶勒水电站、柳红电站等工地,成功应用了反井钻机进行竖井、斜井掘进,特别是柳红电站成功实现了反井钻机与爬罐双向掘进256m长压力管道斜井的成功对接,在水电工程斜井施工中尚属罕见。鉴于我集团公司反井钻机施工技术已相当娴熟,闸室启闭机室场地开阔,反井钻机安装方便,且使用反井钻机掘进明显优于前三个方案,故采用了反井钻机开挖方案。

3 反井钻机的工作原理

它是将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形成的井筒施工设备,反井钻机由机身、转盘吊及翻转架、电动液压系统及操作台几大部分组成,钻进过程中,可利用转盘吊与机械手实现自动接钻杆,钻杆的装卸灵活、准确、操纵机械化。正向先导孔钻孔采用在钻杆上安装φ216mm钻头直接钻进,先导孔贯穿后,将钻杆降至导流洞下闸室上层底板上,卸下φ216mm钻头,安装反向扩孔钻头,再反向提升进行扩孔施工。反向扩孔是TBM机械法破岩掘进技术的应用:采用大扭矩液压马达驱动动力水龙头,后者将扭矩传递给钻具系统,带动钻具旋转;破岩采用镶齿盘形滚刀,滚刀在钻压的作用下沿井底滚动,对岩石产生冲击、挤压和剪切作用,使其破碎。 钻先导孔时岩屑由洗井液沿钻杆与孔壁间的环行空间提升到上部,流入位于启闭机室底板上的循环水池;扩孔时岩屑靠自重落到下闸室底板。

4 施工情况简介

首先根据基础施工图纸及导流洞闸室启闭机室现场实际情况,在启闭机室底板上先采用浅孔爆破出钻机基础坑及循环水池,并进行了钻机基础砼浇注及地脚螺栓埋设。在基础砼强度达到70%左右后,以启闭机室顶拱预先设置的吊点锚杆及手拉葫芦作为起吊安装手段,完成反井钻机安装,钻机安装就位后,紧接进行操作台,电动液压系统的安装及钻杆输送轨道的铺设,从基础开挖到钻机就位安装调试完成,整个过程在10天完成,效率较高。

由于下闸室开挖过程中,顶拱已支护,为了防止已施工锚杆损坏钻头,对下闸室顶拱中心部位采用反向掏槽法进行了钻爆作业,炸除了溜渣竖井周围锚杆。在先导孔开孔、钻进50cm、钻进100cm,对孔向进行测量校核,确保钻向垂直,以免先导孔孔向发生偏移,在扩孔过程中钻杆偏心受力,发生断杆事故。先导孔钻孔在坚硬新鲜的玄武岩中进行,若钻进速度过快,钻头磨损将较严重,且孔底残留岩屑易使钻进方向发生偏移,因此,为确保成孔质量,降低成本在先导孔钻进过程中,匀速徐徐钻进,并加强高压水洗孔,先导孔造孔平均钻进效率达到为10m/d,而在其他工地变质砂岩中造孔,曾达到40m/d的高效率钻孔进度。先导孔造孔贯穿下闸室后,继续延伸钻杆下至下闸室底板,安装扩孔钻头,提升钻头至下闸室顶拱,开始φ1.4m导井的反向扩孔施工,反向扩孔主要靠镶齿盘形滚刀在钻压的作用下沿井底滚动,对岩石产生冲击、挤压和剪切作用,由于围岩为硬质玄武岩,反向钻进速度平均达到5m/d。在其他工地变质砂岩中反向扩孔,曾达到15m/d的高效率进度。

虽然反井钻机在新鲜坚硬的玄武岩中施工,掘进效率受到一定的限制,但是掘进速度仍明显高于采用爬罐开挖导井(日均进度1.5~2.4m),更远远高于人工土法钻爆开挖,φ1.4m溜渣导井形成后,井壁光滑,溜渣效果相当好,为闸室竖井二次扩挖创造了良好的临空面及溜渣竖井。

5 结语

随着我国能源开发需要,金沙江流域相继梯级开发的水电工程中将有大量的地下工程,反井钻机将更加广泛应用到地下洞室工程竖井、斜井的掘进施工中。反井钻机在溪洛渡水电站导流洞闸室竖井开挖的成功应用,化解了施工难度,确保了施工进度,并突破了LM-200反井钻机在抗压强度大于100Mpa的极坚硬玄武岩中掘进的技术难关,为后期在溪洛渡采用反井钻机施工竖井与斜井提供了施工参考数据,为反井钻机在溪洛渡地下工程建设中发挥更大作用奠定了基础。

作者简介:

蒋应洪(1981年4月),汉族。主要从事开发建设项目水土保持监测,助理工程师。

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