长斜井施工开挖施工关键技术.docx

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1、长斜井施工开挖施工关键技术成果报告中国葛洲坝集团第六工程有限公司二 0 一六年十一月目 录1.概述 31.1 项目简介 31.2 研究背景 32.研究思路与路径 33.应用领域 44.主要研究内容 44.1 长斜井开挖施工方法研究44.2 爬罐安装优化 44.3 爬罐反导井爆破设计 54.4 爬罐反导井通气孔施工方法研究 64.5 长斜井施工过程中偏斜角度控制措施 84.6 通气孔作用效果研究 84.7 长斜井全断面扩挖施工技术 105.关键技术及创新点 116.与国内外先进技术对比情况 117.第三方评价 128.效益分析 128.1 经济效益 128.2 社会效益 129.推广应用情况及前

2、景 129.1 推广应用情况 129.2 推广前景 131.概述1.1 项目简介安徽绩溪抽水蓄能电站引水系统采用三洞六机式布置， 引水系统主要建筑物 包括引水隧洞、引水调压室、引水上平洞、引水上斜井、引水中平洞、引水下斜 井、引水下平洞、引水岔支管等。引水斜井共三条， 长度分别为 821.1m、820.1m、 820.4m，引水斜井在中部被引水中平洞分为上下两段， 引水中平洞与施工支洞相 连。引水上斜井包括 1#引水上斜井、 2#引水上斜井、 3#引水上斜井，开挖断面 为 4m6.2m 马蹄型，长度依次为 409.2m、408.9m、408.5m；引水下斜井包括 1# 引水下斜井、 2#引水下

3、斜井、 3#引水下斜井， 开挖断面为 5m6.3m 马蹄型， 长度 均为 411.9m。引水斜井长度 820m 为国内最长， 导井开挖施工难度大， 为满足施 工工期要求， 保证施工安全， 采用 2 台爬罐进行斜井反导井开挖施工。与人工正 导井、反井钻机反导井等斜井导井开挖方法相比， 提高了施工安全保障， 加快了施工进度，降低了导井偏斜率，取得了良好的经济效益和社会效益。1.2 研究背景中国葛洲坝集团承建的安徽绩溪抽水蓄能电站引水系统土建及金属结构安 装工程为项目依托，绩溪抽水蓄能电站引水斜井水平倾角 55,单条斜井长度 为国内最长， 导井开挖难度大、危险因素多。斜井导井开挖方法主要有人工正导

4、井法、反井钻机反导井法、爬罐反导井法， 其中人工正导井法开挖施工进度缓慢、 施工危险因素多； 反井钻机反导井施工成本高， 且斜井长度较长反井钻机施工过 程中偏斜率无法控制； 爬罐反导井法安全性、稳定性、便捷性高， 通过对比决定 采用爬罐进行斜井反导井开挖。为解决爬罐反导井开挖过程中通风问题， 采用反 井钻机在斜井顶部打设 A216mm 、140m 长通风孔，通风孔与爬罐反导井接通后 通风效果良好， 提高了爬罐反导井施工人员作业效率， 保证了施工安全， 取得了良好的经济效益和社会效益，对其他斜井反导井开挖具有借鉴价。2.研究思路与路径通过几种斜井导井开挖方式对比，爬罐在斜井导井开挖方面具有安全性

5、高、经济效益好等方面优点， 但施工过程中受到通风影响， 在长斜井导井开挖中不能全部采用爬罐进行施工。本项目针对这一问题， 组织项目部技术人员， 查阅相关 资料， 借鉴反井钻机反导井施工经验， 决定采用反井钻机导孔用于爬罐反导井通 风。根据反井钻机施工规律， 结合实际围岩地质状况与爬罐反导井尺寸， 确定通 气孔施工方案， 并在 1#上斜井进行试验， 1#上斜井爬罐反导井与通气孔接通后，通风效果良好，借鉴 1#上斜井施工经验，在剩余 5 条斜井进行通风孔施工。3.应用领域本技术主要应用于抽水蓄能电站工程施工领域，适用于长度为 240m400m的引水斜井。4.主要研究内容4.1 长斜井开挖施工方法研

6、究斜井开挖受倾斜角度限制， 安全风险高， 大型机械设备、机具无法在斜井中 使用， 通常采用先开挖斜井正导井或反导井， 由于正导井施工效率低， 本项目选择先自下而上开挖斜井溜渣导井，后期再自上而下进行全断面扩挖施工。针对本项目上、下斜井斜直水平倾角均为 55 , 斜直长度分别为 387m、392m， 结合本工程实际情况通过对斜井导井几种开挖方式的对比， 爬罐反导井法在安全 性、开挖循环时间稳定性、经济效益方面都占有优势， 因此决定利用爬罐进行斜井导井的开挖。长斜井开挖施工程序如下：采用反井钻机自斜井顶部向下打设 A216mm、140m 长通气孔采用爬罐自斜 井底部向上进行斜井导井开挖利用卷扬升降

7、系统自上而下进行全断面扩挖支护施工。4.2 爬罐安装优化4.2.1 爬罐检修平台设计优化距离爬罐反导井下弯段起点 20m 处设置爬罐检修平台， 爬罐检修平台面积需 满足爬罐安装、检修以及爬罐正常运行时堆放中转材料、机具的面积要求。爬罐 安装检修平台上部高度 2.7m，下部高度 4.2m，上部高度需满足爬罐在检修平台上部正常运行，下部高度需满足装载机出渣时在平台下方行驶的空间要求。检修平台采用 I20 工字钢做骨架，骨架连接采用螺栓连接，平台顶部采用 A48 钢管连接骨架，并用“U”型卡固定，钢管上部铺设 5cm 厚木板。爬罐检修平台设计成装配式结构，便于拆装及重复使用，节省安装时间及材料费用。

8、4.2.2 轨道安装及选择（1）合理选择弯段轨道选择绩溪抽水蓄能电站引水斜井的倾角为 55,经测量计算洞内弯段施工半径 为 10m，根据数据计算弯轨长度：弯轨长度（L）=2R*55/360=9.59m，根据实 际弯轨数量进行调整允许长度偏差后， 选择弯轨组合为： 7 节 7轨道、1 节 3 in 和 1 节 3out 轨道， 弯轨角度拼装完成后为 7*7+2*3=55, 弯轨共计 9根，总长为 9m。（2）轨道安装优化先安装爬罐检修平台顶部平段轨道， 再搭设简易钢管脚手架安装检修平台至 斜井下弯段轨道， 平段轨道安装完成后进行爬罐安装， 爬罐调试安装完成后， 利 用爬罐安装斜井下弯段轨道。利用

9、爬罐代替脚手架作为施工平台进行弯段轨道安 装， 节省爬罐安装工期； 轨道安装均借助施工平台完成， 经测量放样出轨道安装 中心线， 结合轨道安装锚杆孔位采用手风钻造孔， 孔径为32mm， 钻孔深度结合 基岩性质确定，基岩良好部位钻孔深度按 0.8m 深度控制，基岩破碎带钻孔深度 按 1.5m 控制，采用手拉葫芦吊起轨道后采用 0.8m 或 1.5m 膨胀锚杆打入钻孔中固定轨道，轨道安装中， 每间隔 3 跟普通轨道固定件需设置一道轨道加强固定件。4.3 爬罐反导井爆破设计斜井反导井的开挖钻爆参数根据本工程的地质条件和工程特点， 单循环进尺 选定为 2.0m。采用十字四空孔掏槽， 周边孔光面爆破。爆

10、破器材选用乳化炸药、 半秒非电雷管起爆、排间微差爆破。掏槽孔、主爆孔采用32 乳化炸药连续装药，光爆孔采用32 乳化炸药间隔装药。最大单响药量控制在规范要求之内，施工中爆破参数根据围岩变化要不断进行调整。爬罐反导井爆破雷管采用非电半 秒延期导爆管雷管， 延长段间起爆间隔时间， 有效控制单响爆破石渣量， 可防止爆破石渣损伤轨道及反导井堵井。（爬罐反导井钻孔布置图及爆破分段图如下)爬罐反导井爆破钻孔布置图及分段布置图4.4 爬罐反导井通气孔施工方法研究采用爬罐进行长斜井反导井开挖施工过程中， 通风排烟成为制约爬罐进行反 导井进尺长度和开挖循环时间的因素。为解决爬罐反导井通风排烟问题， 结合空 气流

11、动原理， 分析得出在反导井顶部开孔后污浊空气会自动飘向顶部， 底部新鲜 空气会自动输送至工作面， 并通过斜井反导井与正导井结合进行斜井导井开挖方 式的启发，决定利用反井钻机在斜井顶部打设 A216mm 、140m 长导孔用于导井 通风。同时研究过程中结合反井钻机反导井施工原理， 发现通风孔还可用作爬罐反导井开挖导向孔。通气孔施工技术措施（1）钻机选型反井钻选用的为 LM250 型反井钻机进行施工， 该机型具有转速高、钻杆重量轻、施工时同心率较高的特点，可降低通气孔偏斜率。（2）反井钻机开孔中心点确定爬罐反导井开挖断面为 2.42.8m，为保证反井钻钻孔中心线在反导井（开 挖断面尺寸 2.4m*

12、2.8m）范围内， 且钻机钻进过程中由于钻杆自重钻机向下偏斜几率最大， 只有围岩类别分部不均或存在裂隙的情况下， 钻机钻杆才会左右或向上偏斜。因此，反井钻通风孔中心线距离反导井底板开挖面 1.8m，距离开挖断面顶拱开挖面 1m。（3）反井钻机基础设计反井钻机倾斜角度为 55,采用的是素混凝土基础，对基础的技术要求如下：基础混凝土的标号为 C25，基础必须落在稳定的基岩上， 基坑不得小于 1.5m， 同时预留出地脚螺孔的位置。设备基础控制在 8范围， 呈缓斜坡状为， 便于调 整反井钻机倾斜角度及对钻进过程中产生的废水进行引排。为防止反井钻下滑， 在反井钻坡面上游靠近基岩面位置设置两根锚杆，锚杆规

13、格 L=2.0m，入岩为保持中心孔定位准确，预留孔必须准确对称。反井钻机开孔中心点确定后， 根据开孔中心点和钻机型号确定反井钻机混凝土基础尺寸（4.5m 3m 1.5m）及位置。反井钻基础模板安装4.5 长斜井施工过程中偏斜角度控制措施（1）钻孔前偏斜控制措施反井钻机基础一期混凝土浇筑完成后， 将反井钻机安装就位， 反井钻机就位 后利用全站仪进行倾斜角度调整， 根据反井钻机导孔施工偏斜规律， 将反井钻倾斜角度向上调整 0.3。 0.5。（2）钻孔过程中偏斜控制措施反井钻机系统调试并试运行， 达到钻孔要求后， 开始钻孔。开孔时依据地 质情况采取由慢到快的方式，具体如下： 15m，3h/m；515

14、m，2.5h/m；15 70m，2h/m；70m 以下，导孔已成型，根据地质变化来调整进度。导孔时采用数 字罗盘测斜仪进行测量（每 10m 一测），如导孔出现偏差， 对稳定钻杆数量和下压流量进行调整。如偏差较大，利用主机辅助斜拉杆调整主机角度来控制偏差。数字罗盘测斜仪测实际施工效果表明， 以上偏斜控制措施有效控制了通气孔偏斜率， 已与爬 罐反导井接通的 1#上斜井通气孔下偏 1.3m、2#上斜井下偏 0.6m、1#下斜井下偏 0.8m、2#下斜井下偏 1m，通气孔开孔处距离爬罐反导井底部 1.8m，以上 4 条斜井通气孔全部控制在爬罐反导井开挖断面内。4.6 通气孔作用效果研究（1）通风效果实

15、测无通风孔段爬罐反导井在每次爆破作业后，通过爬罐钻孔供风、供水管道，利用高压风、水强制排烟除尘， 通过高压风、水作用烟尘被驱赶至爬罐反导井中部， 作业面条件得到改善， 但并无新鲜空气进入作业面， 无法解决施工人员缺氧 问题。在爬罐反导井与通气孔接通后， 施工人员供氧问题得到解决， 作业效率明显提高。下面通过实测数据进行说明。通风孔与斜井反导井接通后， 斜井反导井每进尺 10m，利用风速仪对反导井 每一施工环节进行风速测量， 由实际施工情况及实测数据表可知爬罐反导井作业 面烟尘自动通过通气孔排出， 新鲜空气不断供应至工作面（通风孔风速测量详见附件 3：通风孔通风记录表）。通风孔风速测量并通过对无

16、通风孔段爬罐反导井与有通风孔段爬罐反导井各工序时间进行统计与对比，每循环各工序时间对比表如下：表 4-1 爬罐反导井每循环各工序时间对比表爬罐反导井分段排险及轨道安装钻孔作业装药爆破通风排烟测量放样180m-210m0.8h 1.2h5h 5.5h1.5h2h1.2h 1.5h1.2h 1.5h210m-240m1.2h 1.5h5.5h6h2h2.5h1.5h2h1.5h2h240m-390m（与通气孔接通）0.5h 0.8h4h4.5h1h 1.5h0.5h 0.8h0h由上表可知， 爬罐反导井与通气孔接通前， 随爬罐反导井进尺增长， 每循环 各施工工序时间也随之增加，施工效率不断降低，在

17、进尺达到 200m 后效率下降 较为明显， 在实际施工过程中施工人员甚至出现缺氧现象。爬罐反导井与通气孔 接通后， 施工作业面空气质量得到改善， 施工人员作业效率提高， 每循环节约时间 4h 5h。（爬罐反导井开挖循环各工序时间统计表详见附件 4）。通风孔导向作用无通风孔段爬罐反导井利用激光定向仪进行测量， 激光定向仪安装在爬罐反 导井进尺 30m 处，激光定向仪受爬罐反导井内烟尘、爆破石渣打击等因素影响会 出现测量故障。若反导井内烟尘过大， 激光定向仪发射出的激光束无法照射至工 作面； 若激光定向仪受到石渣打击， 激光束会出现偏移， 不能照射至工作面或影 响测量精度。一旦激光定向仪出现故障，

18、 就需测量人员携带全站仪到工作面进行测量放样，增加测量放样时间。本技术研究过程中， 通过反井钻机反导井施工原理启发， 发现通风孔除通风 作用外， 还可作为爬罐反导井开挖导向孔。通风孔与反导井接通后， 采用全站仪 实测出通风孔在斜井断面内的位置， 并利用通风孔与斜井反导井位置关系将其作 为反导井开挖导向孔。有通风孔作为开挖导向后， 爬罐反导井开挖不需再进行测 量放样，并且实际施工效果表明通风孔作为导向孔可有效降低反导井开挖偏斜率，将爬罐反导井控制在斜井断面中下部，可减少后期全断面扩挖人工扒渣量。4.7 斜井全断面扩挖施工技术斜井扩挖工作在导井开挖完成后自上而下进行， 采用的主要方法为： 布置一

19、台 10T 双筒卷扬机和一台 8T 双筒卷扬机分别牵引支护台车和载人运料小车上下 运行于斜井之间， 扩挖采用人工钻孔爆破， 开挖面采用光面爆破开挖， 钻孔采用 人工 YT28 气腿钻配移动平台车， 钻孔直径为 42mm， 循环进尺根据不同围岩类别 暂定为： 类围岩洞段每个开挖循环开挖进尺 3.03.2m， 类围岩洞段全断面 开挖进尺 2.22.5m， 类围岩洞段 1.52m， 类围岩洞段 1m。炸药选用乳化 炸药， 起爆均采用非电毫秒雷管。开挖石渣通过导井溜渣至下端平洞段， 使用侧 卸装载机配 20t 自卸车出渣。支护利用扩挖支护台车作为施工平台跟进支护， 施 工人员及施工材料通过支护台车往返

20、于工作面之间。喷锚支护均在自制移动台车上进行， 锚杆采用 YT28 气腿钻钻孔， MZ-1 注浆机注浆， 采用先注浆后插杆的方法安装锚杆， 喷混凝土采用混凝土喷锚机在支护台车上施工， 喷锚料利用运料小 车供料， 供料时在上弯段用人工推斗车转料至运料小车内， 通过卷扬机下放小车至喷锚台车。5.关键技术及创新点（1）斜井全长 821.1m，在斜井中部增加中平洞，将斜井分为长度为 409.2m、 411.9m 上下两段，上下两段全部先采用爬罐反导井法开挖溜渣导井，再自上而下进行全断面扩挖。（2）检修平台采用 I20 工字钢做骨架，骨架连接采用螺栓连接，平台顶部 采用 A48 钢管连接骨架，并用“U”

21、型卡固定，钢管上部铺设 5cm 厚木板。爬罐检修平台设计成装配式结构，便于拆装及重复使用，节省安装时间及材料费用。（3）先安装爬罐检修平台顶部平段轨道，再搭设简易钢管脚手架安装检修 平台至斜井下弯段轨道， 平段轨道安装完成后进行爬罐安装， 爬罐调试安装完成 后，利用爬罐安装斜井下弯段轨道。利用爬罐代替脚手架作为施工平台进行弯段轨道安装，节省爬罐安装工期。（4）爬罐反导井爆破雷管采用非电半秒延期导爆管雷管，延长段间起爆间隔时间，有效控制单响爆破石渣量，可防止爆破石渣损伤轨道及反导井堵井。（5）采用反井钻机在斜井顶部打设 A216mm、长 140m 通气孔，解决了长斜 井爬罐反导井开挖过程中通风排

22、烟问题， 提高施工人员作业效率， 增长了爬罐反导井开挖长度，爬罐反导井开挖长度 392m，创造了国内爬罐反导井进尺记录。（6）通风孔向下偏斜尺寸 0.6m-1.3m，在爬罐反导井开挖断面内，爬罐反 导井与通气孔接通后， 通气孔可作为爬罐反导井的开挖导向孔， 减少开挖循环时 间，并有利于控制爬罐反导井的开挖偏斜率， 减少后期全断面扩挖施工人工扒渣量。（7）为满足反井钻机在斜井施工时的条件，将反井钻基础由传统的水平浇筑改成缓倾角为 8的基础平台；6.与国内外先进技术对比情况爬罐反导井法为斜井导井开挖的主要施工方法之一，通过对比爬罐反导井法 在施工进度、施工安全、稳定性等方面均优于其他几种开挖方法。

23、爬罐反导井法在国内已有应用实例， 但受限于爬罐施工过程中通风问题影响， 都是与人工正导井或反井钻机反导井相结合的方式进行长斜井的导井开挖。通风孔成功解决了爬 罐反导井的通风问题， 并且可有效缩短通风排烟时间， 减少了爬罐反导井开挖循 环时间， 增长了爬罐反导井开挖长度， 并创造了国内反导井开挖长度纪录， 应用过程中取得了良好的经济效益，具有推广应用价值。7.第三方评价经过查新，国内水电工程存在类似的施工方法，导孔深度基本在 125m 左 右，但是作用不同，其他水电工程基本是用来做全断面扩挖溜渣井（1.4m 反导 孔后） 使用， 我部将反井钻机导孔用于爬罐反导井通风， 在国内并无先例。爬罐 反导

24、井通风孔施工技术， 解决了困扰爬罐反导井施工通风问题， 加快了爬罐反导井施工进度，创造了良好的经济效益。8.效益分析8.1 经济效益通气孔应用于本工程 6 条斜井， 截至目前 1#上斜井、 2#上斜井、 1#下斜井、 2#下斜井爬罐反导井已与通风孔接通，接通通风孔后爬罐反导井通风效果良好， 缩短了爬罐反导井通风排烟时间， 加快了施工进度， 减少了爬罐反导井施工成本 投入； 通风孔还可兼做爬罐反导井开挖导向孔， 省去测量放样环节， 并降低爬罐 反导井偏斜率， 减少后期全断面扩挖人工扒渣工程量， 加快全断面扩挖施工进度，取得了良好的经济效益。8.2 社会效益通气孔在安徽绩溪抽水蓄能电站爬罐反导井开

25、挖过程中成功应用， 创造了爬 罐反导井开挖长度的国内纪录， 在斜井导井开挖方面具有一定的创新性， 在抽水蓄能电站施工领域具有很好的推广价值。9.推广应用情况及前景9.1 推广应用情况安徽绩溪抽水蓄能电站引水斜井全长 821.1m 为国内最长， 本技术在 1#引水 斜井、2#引水斜井成功应用， 3#引水斜井斜井通气孔已施工完成， 该技术应用以后， 爬罐反导井通风效果良好， 提高了爬罐施工人员作业效率， 加快了反导井开挖施工进度，同时爬罐反导井施工进尺 392m 创造了国内纪录，取得了良好的社会效益和经济效益。9.2 推广前景爬罐在斜井反导井常规开挖方法中， 具有安全性高、施工便捷性高、进度快 等多方面优点， 但长期以来爬罐反导井进尺深度受到通风问题影响， 在长斜井导 井施工中只能与其他导井开挖方法结合使用。爬罐反导井通风孔技术解决了爬罐 施工过程中通风问题， 打破了爬罐反导井开挖进尺限制， 缩短开挖循环时间， 该技术应用过程中经济和社会效益良好，在斜井开挖方面推广应用价值高。