西龙池抽水蓄能电站输水系统大坡度超长斜井开挖施工中的难点及对策

西龙池抽水蓄能电站输水系统大坡度超长斜井

开挖施工中的难点及对策

姬脉兴

（中国水利水电第三工程局）

【摘要】研讨西龙池抽水蓄能电站输水系统大坡度超长斜井开挖施工的难点，提出解决的

措施及对策。

【关键词】西龙池电站输水系统大坡度超长斜井难点对策

1输水系统简介

西龙池抽水蓄能电站输水系统发电水头高，引水道倾角大并超长，在水电行业位居中国第一，世界第二。其输水系统由上库进出水口、压力管道上平段、引水闸门井、上斜井段、中平段、下斜井段、下平段、岔管、高压支管、尾水隧洞、尾水闸门井及下水库进出水口组成。输水系统有两条输水隧洞，采用一管两机布置。系统总长1859.28m，开挖高差690.3m，1#、2#引水洞分别长1448.33m和1431.18m，高差677.0m。电站正常发电水头640m，最高水头694.5m。单条引水斜洞长756.59m，其中上斜段达515.5m，最大坡度60°，最小坡度56°，最大洞径5.9m，最小洞径4.82m，马蹄形布置。为保证工期，减少长斜井的施工难度，在输水洞中间设立四条施工支洞，至上而下分别是上引支洞、1#中支洞、2#中支洞、下引支洞，总长4232.7m。由于输水系统与地下厂房的功能布置要求和施工需要，施工区域构成了一个线路长，占地广，弯道多，层次多，交叉多，高差大，坡度陡，危险因素多，施工条件差的地下施工洞群。

2斜井施工的难点及对策

长756.59m，56°和60°的斜井开挖在中国水电史上还是第一次，主要施工难点在于：（1）保证测量放点准确定位，施工的洞子不偏离设计轴线，并能精确贯通；

（2）解决施工洞挖中烟尘雾气干扰，施工人员缺氧问题，避免塌方和坠石，不发生安全事故；

（3）选定开挖机械，提高施工速度，降低工程成本，保证工程质量；

（4）以人为本，改善施工条件，降低职业病。

针对这些难点，我们主要采取了如下措施。

2.1 斜井施工方案及施工设备的优选

我国在十三陵水库、广蓄、天荒坪、桐柏和宝泉抽水蓄能电站输水系统斜井开挖施工中都使用了瑞典阿立马克（ALIMK）公司生产的爬罐。西龙池斜井开挖采取施工支洞后，去掉上下弧段，最长的一段斜井382m。计划施工中用阿立马克爬罐从下往上施工导井262m；用反井钻自上而下打导孔，再反拉导井120m。采取这种施工方案的原因：（1）用阿立马克爬罐施工，当超过250m时，如洞内温度低于洞外，阴天下雨，气压较低时，洞内排烟除尘困难，会形成雾云，烟雾影响测量放线。（2）掌子面直接送风，操作面上空气状况尚可，但通往掌子面的通道却因缺氧，人往上行通过通道时需用氧气瓶（或氧气袋），易发生操作人员窒息。（3）用反井钻施工斜段上部的120m，可避免阿立马克爬罐施工的缺陷和不足，改洞内施工为斜井外施工，更趋于安全，还能形成两个工作面，利于改善工作环境，加快施工速度。用反井钻施工主要解决的问题是确保钻机定位准确，运送钻头安全，保证导孔不偏。

为解决阿立马克爬罐在施工中的烟尘雾气和缺氧问题，我们在施工中使用两套空压机，一台供通风，一台供打钻，设立储风罐和油水分离器，总风量20m3/min；开挖进洞150m后，

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在阿立马克轨道的供风供水管上，每100m安装一节有丝堵的轨道，去掉丝堵，安装90°的弯头、叉管、喷雾头和截门，形成除掌子面外的强制性中间接力通风和喷雾设施；操作人员通过缺氧段时配备氧气瓶（袋）；利用地质探洞和闸门井导洞，提前施工反井钻钻杆导洞等措施，尽量提前形成排烟吸尘通道，发挥烟囱效应，较好地解决了排烟除尘缺氧的难题。

为解决反井钻的定位和跑偏问题，我们革新改造了原LM-300型反井钻的基座；增加改进后加长的稳定钻杆；提前预埋2m长的定向导管导向；用全站仪（辅助经纬仪）进行测量放点定机位，用全站仪和测斜仪在钻导孔5m、15m、30m时，以后每钻50m时，对钻孔进行一次检查校验，发现不合格孔及时封孔返工；遇不良地质问题时，及时灌浆处理；打钻时采用轻加力，慢掘进等措施，较好地解决了斜井用反井钻施工中的定位和跑偏难题。

2.2 选定导洞位置

用反井钻和阿立马克爬罐对接施工贯通导井，施工时首先遇到的问题是导洞放在掌子面的什么位置？掌子面设计成垂直面还是水平面？反井钻的导洞什么时间打为好。

国产反井钻当前的偏斜精度是1.2%，一般施工组织设计时按1.5m预计。采用多项改进工艺，改进后的反井钻精度预计在1%之内，所以用反井钻打长斜井，首先要考虑是否会打到设计断面以外。阿立马克爬罐是按布设的测量导线，用2m的轨道吊挂操作平台，人工操作手风钻，2m左右一循环掘进。理论上讲，估算精度可达3~4公分，并可随时调整偏差。从这个意义上讲，先打反井钻钻杆导孔（Φ216mm），测出终孔三维坐标，用阿立马克爬罐找终孔坐标点对接比较合理。如条件允许（主要是经济问题），延长反井钻钻杆导孔，使阿立马克爬罐在施工掌子面上就能形成排风除尘供风通道，缩短正导开挖掏槽孔长度，避免长距离斜井运送扩孔钻头或增加延长钻杆，在斜井底部平段安装扩孔钻头，对施工最有利。但施工中往往是两头需同时开工，或一头已施工了很久另一头还未施工，或者因成本问题没有那么多的钻杆，在西龙池施工中就遇到了这种情况。我们采取的措施是：用反井钻施工钻杆导孔时，钻杆中心在马蹄形斜井竖向中心靠下1m，阿立马克爬罐施工导洞时竖向中心靠下0.5m，使Φ1.4m的反导钻导洞底边与2.4×2.4m阿立马克反井钻导洞的底边重合，使Φ1.4m 溜渣洞的底边距5.9m竖向斜井的底边1.25m。这样设计最大限度地防止了反井钻偏斜到洞线以外，又可满足将来扩挖时，人工抛碴不必抬得过高，还为爆破后的抛渣预留了空间，同时为溜碴时冲击磨损阿立马克施工的导洞底板预留了厚度。

需要说明的是，两种设备对打导井出现轴线偏斜是绝对的，只是偏斜大小而已。施工中严格控制，尽量减少偏斜是必要的。但出现了偏斜，只要不跑到洞外，或者虽出现了偏斜，但增加混凝土回填的费用小于再另打一个钻杆导洞的费用，就应不再返工，而在导洞接近贯通时，准确确定各洞终点坐标位置，及时修改设计，以便在贯通前，提前采取措施，使斜洞的对接部位能形成较大半径的圆弧过渡溜渣通道，不形成折线，避免溜碴堵塞通道。

用反井钻施工5.9m的输水斜井，1.4m的溜碴孔有些小。要避免发生堵塞通道，就得加密主爆孔，加大装药量，经常解爆大块石，也是不经济的。所以6m以上的洞子，最好改进钻机，加大扩孔钻头，或进行二次扩挖，否则易造成溜碴时堵孔，处理起来相当困难和危险。实际施工中，对5.9m洞径的洞子进行了二次扩挖，因此从未发生堵塞溜碴洞的现象。

斜井施工中遇到的第二个问题是扩孔施工斜井时，掌子面应设计成垂直的，还是水平的。如设计成垂直的，导洞在中心线下部，导洞底距斜洞底1.25m，人员弃碴时够得着，长距离溜碴冲击磨损溜碴洞下口不至于磨损到开挖线以外（西龙池382m斜井导洞底板磨损达48cm；同时距洞底1.25m也为反井钻施工预留了偏斜量）。掌子面设计成垂直面，设计断面是什么形状，掌子面就是什么形状，放点时比较简单。如掌子面设计成水平的，溜渣洞放在中间，溜碴时可省力，但如爆破块径掌握不好，渣子直接抛向洞口，易堵孔。特别是放轮廓线时，如设计断面是圆形，而水平断面就变成了椭圆形。西龙池电站斜洞是马蹄形，水平断面就更复杂，放线比较麻烦。更重要的是开挖断面设计成水平的，上圆拱处比较狭窄，施工困难，为保证手风钻操作需超挖，成洞后围岩面宜形成台阶，对于西龙池的薄层层岩来说，不利于

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