1概述

1.1工程概況

水電站總裝機容量為240 MW。我部承建了調壓室及壓力管道工程。其中上斜井、中斜井長度分別為242 m和270 m。斜井與水平方向夾角為60°,斷面型式為直徑4.6 m的圓形。采用天井鉆機與人工下導洞開挖相結合的方案進行導孔施工。

1.2地質情況

斜井圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主,上中部為Ⅴ類圍巖。圍巖節理裂隙發育,特別是在樁號0 668~0 682段(擴挖鉆頭安裝平臺附近)巖層擠壓破碎,裂隙中充有次生泥,圍巖自穩能力極差,地下水豐富,從不同部位呈股狀、滴狀涌(滲)出,涌滲水量達300 m3/h。斜井圍巖巖性由晉寧期石英閃長巖組成,具混合巖化特點,巖質堅硬,濕抗壓強度≥100 MPa。巖體中隱微裂隙較發育,巖脈與圍巖呈溶解式接觸,或擠壓破碎接觸。

1.3關于天井鉆機

本次斜井施工采用的天井鉆機型號為LM-200型。主要由鉆機車、操作車、泵車、鉆具等四部分組成,配套輔助設備為洗井泵一臺,斜井專用裝置一套。廠家提供的天井鉆機主要技術性能如下:

(1)導孔直徑(mm):216

(2)導孔直徑(mm):1 400,2 000(二次擴孔)

(3)鉆井深度(m):200,小于150 (φ2 m擴孔)

(4)總功率(kW):82.5

(5)主機外型尺寸(長×寬×高)

運輸(mm):2 950×1 370×1 570

工作(mm):3 230×1 770×3 448

(6)主機重量(kg):8 277

2施工布置

2.1天井鉆機的冷卻循環系統

天井鉆機的冷卻循環系統由:洗井泵(泥漿泵)、水池、水溝組成。距反井鉆機基礎15 m處設置一個5 m3水池,水池中間設一隔墻,將水池分隔成清水池和沉淀池。混凝土基礎和水池之間由一水溝連接,導孔施工出現的回水、細沙沿此溝回流至沉淀池。洗井泵設置在鉆機車與水池之間。具體布置見圖1。

2.2天井鉆機運輸軌道的安裝

為方便天井鉆機就位、定位,在洞內卸機部位地面安裝運輸軌道,軌距60 cm,軌道為24kg/m的輕軌,枕木為10 cm×10 cm方木,間距為50 cm/根。

2.3天井鉆機的安裝基礎

天井鉆機安裝在平段與斜井相交部位,主機起鉆孔口與斜井中心線延長線吻合。操作車、泵車依次停放在擴挖過后的盲洞內,操作車距起鉆孔口有大于1 m的安全距離。基礎采用C20混凝土分二期澆筑而成,一期形成基礎并預留天井鉆機地腳螺栓坑,待機體到位并進行初校后,回填二期混凝土,以確保天井鉆機與基礎牢固銜接,不發生移位。

3天井鉆機施工程序

基礎澆筑(一期含循環水池)→天井鉆機進場安裝(包括高壓洗井泵)測量初定位φ216 mm先導孔施工→鉆頭在預定深度出露(若未出露擴挖找鉆頭)→擴孔鉆頭安裝平臺施工→擴孔鉆頭提升→擴孔鉆頭安裝→安裝平臺撤出→φ1 200擴孔施工→擴孔鉆頭拆卸→天井鉆機撤除。

4施工過程及方法

4.1天井鉆機的安裝

本工程平洞直徑為4.6 m,能滿足卸車條件,天井鉆機采用實際載重能力在10 t以上的平板貨車,貨箱的長度不宜超過5.5 m,離地高度不宜超過1.2 m。天井鉆機主機重達8.3 t,無法采用汽車吊、裝載機等靈便設備在洞內卸車,經研究討論最終選擇在地質塌方部位,利用支護鋼支撐再充分加固后配以10 t手動葫蘆卸車,極限安全卸車高度為4.8 m。

4.2φ216 mm先導孔施工

天井鉆機施工的關鍵在于先導孔鉆孔質量。最終導孔能否鉆通,鉆通后的偏離誤差大小在開鉆后無法進行中間檢測和控制,只能依靠經驗,針對不同的圍巖類別,實施不同的主、副泵工作壓力、轉速和適時裝配穩定鉆桿進行控制。天井鉆機的鉆桿分為普通鉆桿(1 m)和穩定鉆桿(0.5 m),差別在于后者比前者外周多了均勻分布的四條3 cm厚的鋼肋板,其作用是導向,防止鉆桿隨深度的增加旋轉產生過大彎曲、過大擺幅,起到穩定的作用,同時保護鉆桿與孔壁的接觸磨損。我部采用的穩定鉆桿的加設方法如下:鉆進2 m時必須加設1根,鉆進8~10 m時再加設1根,然后每鉆進20 m加設1根。實踐證明上述方法較為合理、安全、穩妥。鉆桿加設時一般采用副泵提供的較小動力運行,鉆桿絲扣之間力度適中,過緊容易損傷絲扣,過松鉆桿容易脫落。為了便于拆卸鉆桿,可在鉆桿套接前于絲扣處加設少量10號鉛絲。先導孔開始施工時一般采用副泵提供較小的、均勻的動力,以免孔口周壁因振動過大開裂而難以成型。我部總結的主、副泵在不同圍巖類別、不同鉆孔深度等條件下的工作壓力經驗數據見表1。

上斜井先導孔施工實際共鉆進了160 m,最大單日進尺8 m,平均3 m/d(處理天井鉆機故障時除外)。中斜井施工時曾多次出現天井鉆機機械故障,但示出現塌孔、大量漏水等異常現象。中斜井導孔施工共鉆進了180m導孔，最大單日進尺10m，平均3.8m/d（處理天井鉆機故障時除外）。

4.3φ1 200 mm擴孔施工

擴孔開始施工時一般圍巖破壞嚴重,鉆頭周圈難以均勻受力。因此,采用副泵提供較小的、均勻的動力,進尺較慢,控制在10 cm/h,以防鉆頭偏心受力過大而扭斷鉆桿。鉆進施工中要求有較為穩定供水量,以使刀具能得到水冷卻,供水量要求不小于7.8 m3/h。擴孔施工時,鉆桿的拆卸要特別注意鉆桿卡瓦正確擺放及自身的完好程度,以免出現卡瓦突然斷裂,造成擴孔鉆頭、鉆桿脫落。天井鉆機在各種條件下,進行擴孔施工的工作壓力經驗數據見表1。

上斜井擴孔施工時未出現孔壁坍塌等異常現象,但鉆頭刀具磨損較為嚴重,幾乎每鉆進30 m就要更換一副全新的刀具,每次更換刀具時,鉆頭要重新回放至擴挖平臺上,耗時5 d,安全隱患及施工難度極大。上斜井擴孔施工實際共鉆進了160 m,最大單日進尺6 m,平均3?2 m/d(天井鉆機故障除外)。

根據上斜井擴挖施工經驗,在中斜井施工前,我部會同有關廠家技術人員對擴孔鉆頭進行了大膽的技術改造:將直徑由原來的1 400 mm改為1 200 mm,并對刀盤刃角進行了倒圓處理。此舉收到了較為良好的效果,中斜井一次性反擴了170 m后刀具才出現問題。中斜井擴孔施工實際共鉆進了180 m擴孔,最大單日進尺7 m,平均5.2 m/d(因天井鉆機故障除外)。

4.4人力資源配置

斜井導孔、擴孔施工時現場人力資源配置為:操作班由9人組成,3人一組進行三班倒,9人中有機械技術員一名,修理工一名,水工技術人員一名。另設一名機械工長期跟蹤服務,適時進行現場指導。

5結語

將天井鉆機應用于長斜井,在保證安全的前提下順利地完成了施工任務,這是一次新技術應用的成功典范,同時在未來水電工程施工應用中前景廣闊,特別是在保證施工安全方面,該方法值得借鑒與推廣。現將施工中所取得的幾點體會敘述如下。

(1)天井鉆機的工作原理較為先進,能適用于大傾角、長深度的斜(豎)井施工,與其他導井施工方法相比較,具有一定的進度優勢和明顯的安全優勢;

(2)加設、拆卸鉆桿時要特別注意施工方法,鉆機壓力應適中、均勻,以防鉆桿脫落,造成難以處理的工程事故;

(3)施工中要注意鉆進速度,不能盲目追求高進尺,否則容易造成導孔偏斜率偏高而難以控制,甚至扭斷鉆桿;

(4)就現有的性能而言,LM-200型天井鉆機適用于深度在150 m以下、可一次性貫通、并且在斜井施工中具有足夠的安裝工作面。