浅谈深竖井导井改分段施工为一次成井的方案优化

探讨与交流
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浅谈深竖井导井
改分段施工为一次成井的方案优化
郭朝辉，王薛钢（浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州311122)
摘要：山东沂蒙抽水蓄能电站引水竖井深度达380 m,原方案为设置施工中支洞，将导井分为两段进行施工，后经方案优化，取消支洞，采用反井钻机一次成井。

以施工工期、安全风险、工程量和投资等为研究对象，对两个方案进行分析对比，提出了采用BMC600型反井钻 机一次成孔的可行性方案，为类似工程提供经验参考。

关键词：深竖井开挖；导井；反井钻机；方案优化
中图分类号：TU712 文献标识码：B文章编号：1007-4104 (2020) 08-0071-03
1概述
山东沂蒙抽水蓄能电站工程总装机容量为1200 MW,地 下厂房内安装4台单机容量为300 MW的混流可逆式水轮发 电机组。

引水高压管道采用一管两机布置方式，两条高压主 管平行布置，洞轴线间距为47 m,立面上采用单竖井布置，竖井开挖断面为圆形，直径为7.6m,井筒为钢衬结构，钢衬 外围回填混凝土厚度为0.6 m,内净尺寸为6.2 m。

1号高压 管道引水竖井顶部中心高程为EL497.89 m、井底中心高程 为EL118m,高差为379.89 m;2号高压管道引水竖井顶 部中心高程为EL498.07 m、井底中心高程为EL118 m,高 差为 380.07 m。

沂蒙抽水蓄能电站工程区位于华北准地台鲁西断隆的 北缘，主要发育北东向郯庐断裂带及北西向鲁西断裂带，近场区发育两条活动断裂，区域构造稳定性较差，多为微 风化〜新鲜岩石，岩石强度高。

竖井段岩性为微风化片麻状闪长岩和花岗闪长岩，多 为微风化〜新鲜岩石，岩石强度高，饱和极限抗压强度为 100 MPa〜248 MPa。

主要发育三组裂隙，均为陡倾角裂 隙，在竖井边墙宜形成不稳定块体，地下水埋深为51 m。

围岩岩体多为块〜次块状结构，以丨丨〜丨丨丨类围岩为主，断 层及裂隙密集带地段为丨V类围岩。

两条竖井受断层切割，岩体破碎，围岩稳定性差，属IV类围岩。

2原施工方案
在竖井中部，自厂房排风平洞引接一条竖井施工支洞，断面尺寸为5.5m X5m(宽X高），全长415.2 m，平均纵坡1%;将压力管道竖井分为上、下两段施工，上竖 井深142.86 m,下竖井深237.3 m,竖井开挖出渣通道为 施工支洞及引水系统下平段。

2.1施工工序
竖井施工支洞石方洞挖及支护—上竖井段反井钻机自 上而下钻设导孔—上竖井段反井钻机自下而上反导井提拉 —人工自上而下一次扩挖及支护—下竖井段反井钻机自上 而下钻设导孔—下竖井段反井钻机自下而上反导井提拉〇 人工自上而下一次扩挖及支护。

2.2导孔钻设
开挖导井时，采用BMC400型反井钻机沿竖井中心线 自上而下钻设直径为270 m m的导孔；竖井导孔形成后，在下弯段部位换扩孔钻头，自下而上扩挖为直径2 m的导 井，挖至反井钻机混凝土基础时结束。

2.3竖井扩挖
反井钻机钻设导井形成后，采取钻爆法对竖井自上而 下全断面扩挖至设计断面，光面爆破，采取YT28手风钻人 工钻设垂直孔，井外毫秒微差起爆。

3方案优化
原方案施工中，先从排风平洞引接竖井施工支洞，作为 竖井上部施工的出渣通道，而本工程排风平洞工期因征地等
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原因已滞后，为此竖井的施工受到延误。

为保证工期，施工 单位总结本项目利用BMC400型反井钻机实施的引水事故 闸门井、出线竖井、排风竖井的成功经验，提出取消施工支 洞，采取380 m竖井一次钻孔扩挖的施工方案。

方案优化后，采用反井钻机进行一次性钻孔扩挖，其 主要施工工序：（1)高精度先导孔施工，TDX50定向钻 机安装调试，进行定向井施工，钻进直径为0152m m,钻机在施工过程中随时测斜纠偏；（2)定向井扩孔至0311m m,导孔扩大的过程也是钻杆下放的过程；（3) 拆除TDX50定向钻机，安装BMC600型反井钻机；（4) 在下平段换接扩孔钻头；（5) 2.4 m扩孔钻进和下口出 渣；（6)拆除反井钻机，设备撤场；（7)竖井扩挖，其 方法与原方案一致。

在目前国内已建工程中，秦岭终南山公路隧道3号通 风竖井深度为390 m，采用400型反井钻机施工，导孔直 径27 cm，导井直径1.4 m，3个月完成了导孔和导井开 挖，施工偏斜率1.0%，控制良好，满足设计要求。

虽然秦 岭项目这一成功案例可以证明导井一次成井的施工方案是 可行的，但是秦岭项目围岩主要为混合片麻岩，夹有少量 片麻岩残留体，岩体受构造影响较大、易破碎，并且以块 状镶嵌结构为主，而本工程围岩以新的花岗闪长岩和片麻 状闪长岩为主，属于中高硬围岩，考虑到扩挖阶段出渣要 求，其导井直径必须在2.0 m以上，因而导井一次成井的 施工方案在技术上是否可行仍有待商榷。

经过研究发现，对整个竖井开挖产生最大影响的工序是导井施工，导井的 孔斜控制是质量控制的关键，而设备的正确选择和正确使 用是保证质量的前提。

380 m竖井导井一次成井在国内抽 水蓄能电站中尚属首例，为了论证该方案的可行性，笔者 结合工程实际，主要从设备选择、工期、安全和投资等方 面进行深入分析。

3.1设备选择
中支洞取消后，一次钻孔深度变大，为选择适合本工 程的反井钻机，经调研其他项目，目前较先进的设备主要 有澳大利亚特瑞特克生产的TR-3000反井钻机、北京中煤 矿山工程有限公司生产的BMC400、BMC600反井钻机。

各反井钻机参数详见表1。

本工程竖井段岩性为微风化片麻状闪长岩和花岗闪长岩，岩石较硬。

经对比上述设备参数，其均能满足本工 程需要；BMC600为BMC400的升级版，且国内生产的 BMC600钻机价格优于TR-3000。

经进一步了解，BMC600 钻机施工的最大反井直径为5.3 m,最深为562 m,最硬 岩层抗压强度为320 MPa。

BMC600型反井钻机能够满足本工程的需要，在确保不出现安全事故及质量达标的前提 下，综合考虑钻机参数及洗井液循环设备等，导井可按直 径2.4 m进行施工。

表1反井钻机参数对照表
项目/钻机型号B M C400B M C600T R-3000
导孔直径/m m270350311
扩孔直径/m m1400〜3 5003500〜50002400〜3 100井深/m400600600钻杆直径/m m228327311/286推力/k N122533001647
拉力/k N245060004450
额定扭矩/ (k N，m)96300266控制方式电液/液压P L C程序液压
适应倾角/°60〜9060〜9045〜90
输入功率/k W129.6284.7352
主机工作尺寸
(长x宽x高)/m
4.2X 1.67X
5.04 3.7X2.1X 5.5215X6X5.5
重量/t12.526.519
为确保380 m高压竖井导井一次成型孔斜满足要求，引进TDX-50型定向钻机，配合WMD-76无线随钻测斜仪 进行测斜定向，使用165 m m螺杆钻具作为井下动力钻 具，全程采用定向钻进和复合钻进组合方式施工。

3.2工期分析
原方案中，竖井开挖施工工期为16个月，但中支洞作 为上竖井出渣的主要通道和下竖井开挖的平台，由于受征 地影响，造成整个工期延误3个月。

对于原方案的优化，主要考虑底部下平洞出渣通道的形成，在下平段完成前1 个月可提前进行反井钻机导井施工准备。

在已建项目中，BMC600反井钻机的导孔钻进速度最 高可达到16.3 m/d,导井反拉钻进速度为8.3 m/d,而定 向钻机钻导孔钻速度在12.5 m/d〜14.6 m/d之间，工效稍 低于BMC600反井钻机。

按此进度施工，再考虑到施工过 程中的准备时间、不可避免的中断和休息时间等，导井施 工需要153个工日。

1号竖井导井施工完成后可移钻机至 2号竖井导井施工，1号竖井可同时进行竖井扩挖，按此计 划，开挖两条竖井共需要12个月。

综上分析，按照竖井导井一次开挖成井的方案施工，不仅可以弥补因征地而延误的3个月工期，还可以提前1 个月完工。

3.3安全分析
原方案和优化后方案导井施工主要采用反井钻机，若 不考虑用电安全等常规安全因素，人员伤亡事故可不予评 估。

因此，导井施工的主要安全隐患是机械事故，如导孔 过程中遇较破碎地层的埋钻事故和遇水易泥化或膨胀地层 的抱钻事故等。

通过优化方案，配备大直径的反井钻杆，
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借用BMC600钻机输出较大的扭矩及推力，可有效降低埋 钻和抱钻概率，从而减少了施工安全隐患。

导井施工完成后，两种方案的竖井扩挖都采用YT-28 型手风钻钻孔并以自上而下一次扩挖、人工装药爆破的方 法进行施工；人员和小型设备都是通过桥式起重机吊笼装 置上下竖井。

两种方案的安全风险点一致，不同之处在于 中支洞取消后，人员上下距离增大。

由于优化后方案的导 井直径为2.4 m，扩挖工程量变小，减少了人员在井下工作 的时间，从而间接地降低了人员的安全风险。

3.4投资分析
原方案主要采用BMC400钻机进行2 m导井施工，该设备在国内应用较多，技术成熟，在水电建筑定额预算 中有相应的人工、材料、机械耗量和台时费用等的定额参 考。

按照《水电建筑工程预算定额》（2004年版）计算定 额，380 m深竖井(J)2.0m导井费用为0.54万元/m，合计 约为407万元；人工扩挖的费用约为340万元。

优化后的方案主要使用TDX-50定向钻和BMC600反井 钻进行导井施工，两种设备均属近年我国自主研发，没有相 关的定额参考。

两种设备原价共约2 300万元，考虑到施工 方案的经济性，采取市场租用的方式施工，由该厂提供这 两种设备，并安排熟练施工人员进行现场作业。

经与厂家洽 谈，380 m深竖井02.4 m导井费用为1.2万元/m,合计为 967万元。

由于导井变大，相应的人工扩挖工程量减少，按原扩挖单价，费用约为330万元。

比较以上两种方案的费用可知，调整后，竖井一次开 挖比原设计分段施工增加了约550万元，但考虑到原方案415.2 m中支洞的开挖支护费用为410万元，封堵费用为 200万元，优化后的竖井施工方案减少了约60万元。

另外，取消中支洞，减少了施工作业面，施工管理成本也相应降低。

4结语
通过上述论证分析，在原方案的基础上，取消竖井中 部施工支洞，利用反井钻机一次性钻孔380 m，在技术、安全和工期等方面均可行，并且相对减少了投资金额。

经 过业主同意，本工程竖井按照优化后的方案实施。

目前这 两条导井均已施工完成，施工过程中经过各方的精心组织，两条竖井的孔斜分别控制在2.9%〇和1.2%〇,远小于 规范允许范围；并且在施工过程中未发生安全事故，在安 全、质量和工期上均取得良好效果。

高深竖井采用不同的施工方案，对整个施工过程的质 量、安全、进度和造价均产生重要影响，因此在工程设计 和施工前应详细做好方案比选和施工调查工作，选择合适 的施工方案，使工程在安全、质量、进度和造价方面达到 平衡。

本工程实施前，对380 m深竖井导井一次开挖成 井方案进行了可行性分析，最终制定出更加合理的施工方 案。

这对业主而言，不仅赶回了工期，还节省了投资；对 施工单位而言，不仅节省了相应的管理成本，还提高了施 工业绩。

收稿日期：2020-03-14
作者简介：郭朝辉，大学本科，工程师、经济师，从事工程建设管 理工作，任职于浙江华东工程咨询有限公司；王薛钢，任职于浙江 华东工程咨询有限公司。

通信地址：浙江省杭州市余杭区闲林镇高教路201号华东院4号楼办公楼7层浙江华东工程咨询有限公司。

E-m a il:651202743@
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考上深入一步。

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5结语
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我们相信，在我国经济 建设和发展跨入新时代的伟大征途上，工程监理企业以科学 发展观为引领，通过不懈努力，一定会找到一条高质量发展的道路，再创具有中国特色的建设工程监理的辉煌。

收稿日期：2020-05-19
作者简介：马骏魁，工程师，从事工程监理的采购和管理工作，任 职于上海绿地集团大同市新源房地产开发有限公司；高春勇，高级 工程师、注册监理工程师、注册造价工程师、注册咨询工程师（投 资），从事工程监理工作20多年，任职于太原理工大成工程有限 公司。

通信地址：山西省大同市平城区南环桥东铂蓝都时代广场8层上海绿地集团大同市新源房地产开发有限公司。

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