1、工程概述

    周寧水電站位于福建省周寧縣，屬穆陽溪第二梯級電站，樞紐主要由壩高73.4m的碾壓混凝土重力壩、長12.36km的引水隧洞以及高壓豎井、壓力管道、地下廠房洞室群和地面式升壓開關站等主要建筑物組成。水庫庫容0.47億m³，總裝機容量2×12.5萬kW。

    電站引水高壓豎井由上部調壓井（EL634～EL560）和下部的豎井（EL180.75～EL560.00）組成，總高為453.25m。引水隧洞軸線高程為EL560.00，調壓井設計開挖直徑為8.9m；豎井設計開挖直徑有5.7m和5.9m，豎井下部接高壓管道下平段；鑒于豎井開挖及后續項目施工安全的需要，將引水高壓豎井井壁統一增加5cm厚C20素砼作為臨時支護，相應開挖斷面直徑增大10cm；為保證工期及施工方便在豎井中部設一豎井施工支洞，分岔進入豎井。

    2、工程地質情況

    豎井的主要巖石為燕山晚期侵入的鉀長（晶洞）花崗巖，飽和極限抗壓強度弱風化巖石為80～140mpa、微風化～新鮮巖石為100～170mpa；地下水位高程為EL523m，隧洞圍巖相對不透水，巖體微風化～新鮮，巖體中高傾角65°～90°的裂隙發育，充填高嶺土、鐵錳質及硅質脈，寬0.5～1cm，多呈薄片狀，巖體較完整.高程EL308m~EL305m有F60（NE60°NW∠80°）斷層通過。斷層及破碎帶巖體為Ⅲ~Ⅳ類巖體。在EL488m、、EL425m、EL409m～EL405m等風化夾層，傾角55°～75°，寬1～3cm、巖體破碎，有夾層處圍巖為Ⅳ類。EL382m處有一細粒花崗斑巖脈通過、傾角20°～40°，寬80cm，與圍巖接觸較好。EL223m處有一輝綠巖脈通過，傾角35°寬50cm，與圍巖接觸較好，除有夾層和斷層破碎帶通過的豎井段外，其它豎井段圍巖中等～完整，屬ⅠⅡ類圍巖，屬中等地應力地區。

    二、施工重點、難點和安全因素分析

    根據引水高壓豎井結構特點、巖石及地質情況，結合本工程主體建筑物的布置與結構型式，類似工程的施工經驗，目前豎井施工的施工機械，重點從以下幾個方面與常用的施工方法進行比較，再確定總體施工方法。

    1、深井通風與除塵問題

    通風與除塵是排除炮煙粉塵及有害氣體，改善施工環境，保障施工人員身體健康，縮短循環時間，加快施工速度的重要工序。目前，隧洞通風主要以機械通風為主。但對于高達453.25m深井的通風與除塵問題將面臨著極大的困難。因此施工中選擇一種盡量使用自然風與機械通風來進行通風與除塵以改善施工環境的施工方法是必不可少的考慮因素。

    2、深井施工的安全問題

    安全是每個職工的生命，因此每個工程隊伍都必須將“施工安全”放在首要位置。但在目前的開挖施工中常用的機械設備是手風鉆，工作人員必須進入工作面打眼放炮，受有害氣體、塌方、落石、淋水的危害，安全很難保證，傷亡事故經常發生。尤其是對較深井更是難以保證施工的安全。因此，選擇一種能保證施工安全的先進設備是很有必要的。

    3、深井施工的交通和設備配置

    周寧水電站引水高壓豎井在同一個投影面上，工作面狹窄，如何合理的設置施工通道和配置設備是加快施工進度，縮短建井周期，增強效益的關鍵。

    4、進度分析

    根據本工程的工期要求及施工特點，引水隧洞、高壓豎井、高壓管道下平段的施工工期為2001年12月15日開工至2004年8月1日支洞封堵結束，具備充水調試條件?？偣て跒椋?9個月零17天），高壓豎井的開挖施工工期只能為8個月；后來業主要求將工期提前3個月，相應的豎井開挖工期縮短，因此，要滿足進度要求，必須采取合理的施工方法。

    5、技術經濟效果

    作為施工企業，經濟效益是首先考慮的前題。較優的施工方案應當是輔助工程量小，設備簡單、施工安全、施工速度快。在深井的反井施工中有普通法掘進反井法、吊罐反井法、爬罐法掘進反井法及反井鉆井法；普通法掘井反井法雖然有輔助工程量小，與其它作業相互影響小，不需要大型提絞設備等的優點，但是工作人員爬梯子上下困難、勞動強度大、材料運輸不方便、坑木消耗量大、通風條件差、工作面易聚有害氣體、在地質和水文地質條件較差時影響作業的安全。尤其在較高豎井施工中更為困難；吊罐反井法與普通法比較有工效高、速度快、勞動強度較低、施工經濟等優點，但它事先需要鉆機打精度較高的繩眼，前期準備時間較長、通風條件差、工作面易聚有害氣體，影響作業和安全，隨著掘井深度的延深，輔助時間加長，施工速度明顯減慢。難以保證施工安全及進度；爬罐反井法與吊罐反井法比較類似，具有工效高、速度快、勞動強度低的優點，但是設備投資較大，通風條件差，工作面易聚有害氣體，影響作業和安全，隨著掘井深度的延深，輔助時間較長，施工速度明顯減慢。反井鉆井法較普通法和吊罐法的設備投入大，施工成本相對較高，但反井鉆井法有工作效率高、施工安全、勞動強度低、工程質量好，因此鉆機的高可靠性和安全性仍能保證在惡劣地質條件下以及深孔反井施工的經濟性和高效性。

    三、施工總體方案的確定

    1、各常用施工方法的對比及與后續工作的關系

    深井按施工方式可分為兩大類，即人們所說的正井法和反井法。正井法是自上而下鑿井，最常用的辦法是采用人工或機械打眼放炮，人工裝巖或抓斗抓巖，吊桶出碴，對于特殊地層也可以使用特殊方法，包括鉆井法、凍結法、帷幕法和注漿法等，有時幾種方法同時使用。反井法是自下而上鑿井，其施工方法有普通法、吊罐法、爬罐法和鉆井法。采用反井法施工導井，利用導井的通風、排水和溜矸（排渣）等作用；利用反井法施工深井較正井法施工導井設備投入少、速度快、綜合經濟效益高。

    2、施工方法確定

    為了保證施工的安全和進度，選用分段平行立體作業施工方法。根據結構和通道施工分段如下：

引水高壓豎井分段參數表                       表1

 

    2.1 開挖施工方案

    施工過程中各段各工序交叉施工以加快總體進度，采用分段反井鉆機進行導井施工、正井擴挖和支護同步完成的施工方法。施工順序為：

豎井總體施工順序安排；

    四、主要施工技術難點及措施

    4.1、分段平行立體作業施工技術

    高壓引水豎井成90⁰角直立形，工作面狹窄，如何合理分段進行立體平行作業法施工是加快施工進度的關鍵。根據豎井的結構特點，原設計有三個通道，為了保證工期，經專家咨詢，增加一個施工支洞，分兩個洞口進入豎井，共形成五個通道。

 

    開挖期，Ⅲ段與Ⅰ段同步施工，Ⅲ段與Ⅱ段同步施工，以巖塞段進行分隔，Ⅱ段導孔井施工與上游閘門井同步施工進行分隔。

    開挖與砼交叉期，Ⅰ段砼與Ⅱ段開挖同步，Ⅱ段開挖與Ⅲ段砼同步，Ⅱ段開挖完成，Ⅲ段砼完成后進行巖塞段開挖采用從豎井旁洞出渣。

    4.2、井內交通運輸系統及安全系統

    較深豎井主要解決的是人員的上下交通、材料運輸及安全通道問題。

    人員和材料運輸設置一個無軌吊籃，在吊藍兩側設一穩定鋼繩，鋼繩下部設配重（500KG），設專用卷揚機，在吊藍上設捕繩器（bf-111型），并從煤礦行業引進先進技術，在上井架上設緩沖器，以解決瞬間制動后人員材料的緩沖擊。

    在井的一側設置安全爬梯。每24m設置一個休息平臺，每12m設一個休息防護罩。并每24m作一個交錯。交錯上方設置防護頂，作為緊急安全通道。

    安全系統主要是設備的安全和控制、信號系統，主要設備安全是卷揚機的運行速度（4～8m/h），制動系統為自動和手動結合。

    控制信號為電鈴和燈光兩個并聯，安排專人管理，控制線與吊籃同步下井，由井內人員控制信號，井口值班人員操作，信號為井內外雙向互動，控制電壓為36V，并在鋼繩上設到位標志。各工作面間的通訊連接采用內部自動電話。

    4.3、反井鉆機施工技術：

    高壓引水豎井屬于較深的深井，施工難點主要是導井的施工，經過安全、技術、進度及經濟比較100m以上豎井選型采用LM-200型反井鉆機。主要技術參數如表2 

            LM-200型反井鉆機主要技術參數            表2

 

    使用反井鉆施工，先導孔的質量是整個豎井成型的關鍵，所以反導井施工的關鍵是如何解決先導孔偏差問題，由于周寧水電站豎井巖體為高傾角80°，傾向與引水洞軸呈30°，在豎井Ⅲ段第一次先導孔施工中，偏差＞2%，而設計要求的先導孔偏差≤1%，因此作為廢孔。分析主要有不良地質段，層間軟弱地質帶出現，抗壓強度差別大，是造成偏差的一個原因；安裝精度，開孔段和不良地質段的造孔速度是另一個原因；合理加設穩定鉆桿，合理控制鉆進速度是第三原因，根據第一次鉆孔的偏差情況，第二次鉆孔時向傾向方人為移動700mm。成孔后，偏差為1.1%，由于有人為移動，達到設計要求，Ⅰ段與Ⅱ段巖性相對均一，一次施工精度達到設計要求。

    主要采取的糾偏措施為：安裝鉆機精度控制在0.15%以內；先導孔施工時，孔口30m，用1~3m/天的鉆進速度；鉆桿前30m增加穩定鉆桿數量，前5m各一根，之后3:1到5:1最后到10:1；合理采用鉆壓和轉速，并在開孔時采用扶正器等方法，施工參數見下表3。

                  反井鉆機主要施工參數                表3

 

    五、擴大開挖支護施工

    各段的反導井施工結束后，結合豎井的結構和反井鉆導井尺寸，根據以往的經驗，并通過爆破試驗，φ6.0m井采用導井從φ1.4m先進行一次刷井，擴大到φ2.5m，再進行全斷面擴挖和支護。全斷面一次從φ1.4刷大到設計斷面。各段豎井的擴挖順序如下：爆破試驗參數表如表4：

    5.1、工序說明：

    5.1.1、測量控制：

    溜渣導井擴挖規格線控制：從洞外控制網經測量導線引控制點到井口附近，在井口處搭設一過豎井中心的工字鋼支架，在支架的中心固定一個能垂直升降的垂球，以較正豎井中心線用，由于是中導洞，開挖規格要求不高，不再進行精確放線。

    設計輪廓擴挖規格線控制：從洞外控制網經測量導線引控制點到井口附近，豎井井口15m以上擴挖井口井架未安裝前，制作垂直移動控制點，用垂球把控制點引在開挖掌子面放線。井口15m以下擴挖待井口井架安裝到位后，把井口控制點引到井架上，在井架上做好激光準直儀支座，再把激光準直儀固定在支座上，進行校核合格后再用激光束導向，井下用鋼尺放樣，并定期檢查準直儀的精度，同時檢查上一排炮的超欠挖情況。

    5.1.2、鉆孔：擴挖均采用人工手風鉆鉆孔。

    5.1.3、裝藥與起爆：將火工材料用吊籠運到工作面，人工裝藥聯線，孔內用秒延時非電雷管，孔外用火雷管引爆非電，用36V電線帶電爐絲纏在導火索上在孔口點火。

5.1.4、出渣：人工將工作面松渣全部扒下導井后，蓋好下料導井井蓋，才能出渣，用裝載機配合自卸車在下部施工支洞出渣。

5.2、爆破設計：

因豎井I段、II段、III段施工順序及方法各有差異，現分別給予說明：

5.2.1、豎井I段擴挖

豎井I段總高71米，開挖直徑為8.9米，反井鉆形成的導孔中心與I段中心向下游側偏心1.55米，根據以往工程的經驗，進行擴挖爆破試驗，井口以下20M范圍內為爆破試驗段，因爆破試驗段圍巖穩定性的實際情況不定，在該段的施工中只能暫按設計提供的圍巖類別結合施工規范及相關的施工經驗進行試驗性的開挖施工，以盡可能的減少對圍巖不必要的振動影響，同時不發生導井堵塞現象為標準，不斷調整爆破參數。

第一排炮先直接利用φ1.4m導井作為溜渣通道，進行全斷面擴挖，布孔間排距為60～75cm，用秒延時非電雷管引爆，放炮后，導井被堵，經放炮震動仍未能貫通，用反鏟扒開后發現，堵塞導孔的石渣塊徑為45～55cm之間，3～4塊相互交叉，分析有以下幾點原因：溜渣導井偏?。粚Э灼膶α镌绊戄^大；分段延時不夠長，單響爆破方量較大。

經過總結后，決定采用先將φ1.4m導井進行一次刷井，擴大到φ3m，再進行全斷面擴挖和支護，擴大導孔后擴孔深可達3.5~4.5m，孔排距可放大到0.8m~1.0m，周邊擴挖經試爆兩排炮后，最終爆破效果達到95%以上，周邊光面爆破質量很好，結合安全及進度綜合考慮，最后確定豎井I段擴挖單循環為4.0米，爆破參數如下表。

在導井刷井時每次下井前須清除井壁浮碴，并在下井前用水沖井壁防止巖爆等情況出現。

豎井I 段爆破參數表

 

5.2.2、豎井III段擴挖：

豎井III段總高166米，

擴挖直徑為5.7米，因考慮

III段整體地質情況較好,同

樣采用先擴大φ1.4導孔為

φ2.5，再全斷面擴挖的方

法，經試驗后，確定單循

環孔深為3.0米，布孔

圖見如右圖所示。

III段鉆爆參數表：

5.2.3、豎井II段擴挖

豎井II段總高177米，

開挖直徑為5.9米，擴挖時

直接利用反導井孔，不再擴

大溜渣孔，直接全斷面一次

鉆爆的方式開挖，為保證爆

破粒徑達到0.25D的要求，

（D為導孔直徑），減少導孔

堵塞的可能性，孔深不得大

于2.0m，為加快施工進度，

施工中經過多次試驗調整，

確定單循環孔深為2.5米，

布孔圖如右圖所示。

豎井II段爆破參數表

 

 

5.2.4、豎井各段完成時間情況：

豎井各段最終完成時段表：

 

    5.3、臨時支護

    5.3.1 導孔擴挖時，一般情況下不作支護，必要時采用短錨桿支護；

    5.3.2全斷面擴挖，根據開挖出露地質情況，確定2~3個單元開挖后再進行支護。根據不同類別的圍巖，支護參數各不相同，Ⅲ類、Ⅲ-Ⅳ類圍巖，井壁采用Ф25，L=300cm錨桿及素噴C30厚10cm相結合的方法；若遇Ⅴ類圍巖將加長錨桿到400cm，再掛Ф6.5@25cm×25cm鋼筋網噴C30砼15cm的方法，以確保施工安全。

    錨桿施工采用手風鉆造孔，普通水泥砂漿袋加早強劑注漿，人工安裝錨桿。

    噴砼采用干噴法施工，上部80m采用噴射管入井，下部采用把噴射機運到井底，再用吊盤運輸半成品料噴護的方法，在吊籃中噴射，并在井內設一風扇加強通風。

    六、防堵井措施、處理堵井措施及方法

    在施工過程中，通過對豎井各段的施工，均發生大小不同的多次堵井，給進度及施工安全影響很大，現分析如下；

    6.1 豎井I段在開始擴挖施工中，首先選用φ1.4導井直接作為溜碴井，全斷面一次從φ1.4m刷大到φ9.0m，放炮后，塊徑大、碴量多，溜碴井堵塞可能性大大增加，在井口部位出現導井堵塞現象，后來采用先將導井直徑刷大到φ3.0m，再從φ3.0m刷大到φ9.0m，未出現堵孔現象。

    6.2、豎井III刷大開挖，總結豎井I段刷大開挖經驗后，先將導井從φ1.4m刷大開挖到φ2.5m，再從φ2.5m擴大到設計規格線，在擴挖過程中，從未發生過堵井現象。

    6.3、豎井II段的擴挖，因采用全斷面一次刷大的方法，直接利用φ1.4m反導井作為溜渣井，與豎井III段相比較，采取了降低單循環鉆孔深度，減小炮孔間排距，達到最終減小爆破粒徑的目的，但在施工過程中，第一、二排炮擴挖時，因炮孔間排距未嚴格控制，爆破粒徑太大，造成導井上口堵塞，經過調整后，未出現上口堵塞現象；因導井下部容渣量較小，出渣不及時，造成導井下口堵塞三次，給工程帶來較大的難度，處理時安全隱患極大，且影響施工進度。

    6.4、綜合以上各段豎井的擴挖施工，提出以下幾點建議：

    6.4.1合理布置炮孔密度，合理裝藥，炮孔間排距控制不大于60cm，爆破后松渣粒徑不大于50cm；

    6.4.2用非電秒延期雷管合理分段位延期爆破，避免爆炮后石渣集中擠壓堵井；

    6.4.3各段下料導井下口堆渣距井口距離小于2米時應及時出渣，避免堆渣堵井；

    6.4.4人工在井內扒渣時，注意觀察導井內風向及氣流情況，防止堵井后繼續下渣，致使導井全部堵死，無法處理。

    6.4.5對各段下部集渣區作擴挖處理，加大集渣容量，出渣次數按不堵塞下部集渣區導井孔口的排炮數為原則，以多堆渣為好，減少出渣次數，可加快施工進度。

    6.4.5溜渣導井被堵疏通方法：

    一旦出現堵井事故，先認真觀察堵塞部位，分析堵塞原因和堵塞長度，以便采取相應措施及時處理。

堵井一般容易發生在導井的上部和下部。導井上口堵井多是由爆破產生的大塊徑石造成，可用人工系安全帶將松渣清理一部分，盡可能找出堵井大石塊，打眼或埋炸藥包，進行爆破處理。

    堵井部位如在導井下部，一般是由于出渣不及時或容渣量不夠產生，待底部出渣到露出導井后，用長桿舉炸藥包固定在堵塞部位起爆，利用爆破沖擊波震動使其下落，該工作危險性較大，必須將洞底人行通道進行安全處理，從洞口一側向上爬，以防石渣突然下落，造成事故。

    七、  結束語

    通過周寧水電站高壓豎井的開挖施工，筆者認為：

    1、通過施工實踐證明豎井施工采用反井鉆機施工技術，確保了工程的施工安全，加快了施工進度，提高了工效，在周寧水電站豎井工程應用中取得了良好的效果。

    2、豎井內的各種臨時支護，在豎井各段施工中起到了很大作用，能滿足要求，給整個豎井開挖施工及以后的砼施工提供了安全的施工環境。

    3、由于周寧水電站施工的特殊性，三段豎井的開挖方法各不相同，尤其是II段與III段各有特點，現對比如下：

周寧水電站豎井各段擴挖施工情況對比表：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    在地質情況較好時，應優   先采用III段的開挖方式，可加快施工進度，且爆破單耗較低，但擴大導孔時，因不支護，危險性較大，超高豎井應少使用，II段的開挖方式，雖單耗相對較高，但只要能控制好爆破粒徑，及時出渣，避免堵塞導井，進度仍然可以保證，最大的優點在于全斷面一次擴挖，能及時支護，施工安全系數較高，對弱地質條件下應優先采用。

    如豎井斷面較大時，可考慮將反井鉆完成的反導孔直接施工到2.0～2.5米，既能保證施工安全，又能滿足爆破后溜渣導井直徑要求，是理想選擇，美中不足是反井鉆擴大反導孔，每米施工單價較高，隨著反井鉆在水電工程中的廣泛運用，可能會得到解決。