正反向结合开挖深竖井施工技术

许东升

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

一、工程概况

古瓦水电站调压井竖井为埋藏式竖井，主要由穹顶和井筒组成，穹顶上部为球冠型，开挖高度为15.20m；竖井为圆柱形，开挖深度为131.2m、直径为14.20～15.20m。由于竖井深度较大，使用大直径、大扭矩的反井钻机开挖溜渣导井存在钻杆被扭断的风险，而使用小直径、小扭矩的反井钻机开挖出的导井又存在溜渣堵塞的风险，所以要选择合理的方法保证竖井的顺利施工。

二、施工过程中的关键技术

（一）在竖井井口位置安装吊运设施，吊运设施既要满足竖向运输又要满足水平运输。

（二）在导井扩挖前，先对其进行初步支护。制作一个能够自动分料、支护的设施完成导井初步支护，降低人在员井内操作的风险。

（三）导井扩挖时，自下而上进行到井扩挖，沿井壁自井口部位向下斜向钻孔，整条竖井全部钻孔完成后再进行爆破作业；爆破作业由导井底部开始，逐层向上爆破。

（四）导井扩挖完成后，自上而下进行井筒扩挖；井筒扩挖时采取防止升降钢丝绳缠绕的措施以完成吊运作业。

（五）施工过程中经过正向钻中导孔、反向钻溜渣导井、反向支护导井、正向钻扩挖孔、反向爆破扩挖导井、正向扩挖支护竖井井筒等正反向多次结合的程序，将竖井开挖支护完成。

三、实施措施

（一）实施流程

反井钻机开挖导井→竖井井口安装吊运设施→导井初步支护→导井扩挖→安装吊运设施的防止钢丝绳缠绕装置→竖井井筒扩挖。

（二）施工工艺

1.反井钻机开挖导井

由于导井深度较大，使用大直径、大扭力的反井钻机开挖导井存在钻杆扭断的风险，所以需要使用小直径、小扭力的反井钻机进行开挖。可选择直径D=1.4m 的反井钻机，D=216mm 钻杆。

2.竖井井口吊运设施

（1）吊运设备组成

吊运设备按最大吊重为小反铲（6t），为保证安全吊运设施按12t 设计。吊运设施由八个主要部分组成：①单轮滑车；②3t 单轮滑车；③10t 滑车（2*2）；④Φ40mm钢丝绳；⑤Φ16mm 钢丝绳；⑥升降卷扬机；⑦平移卷扬机；⑧龙门架。卷扬机安装位置在井口外侧，距调压井口10m 左右，基础高程为井口高程。

（2）吊运设备工作原理

下放吊篮时，吊篮在上室1 井口处起吊，通过平移卷扬机拉动平向行走滑轮在承重钢丝绳上行走，到达竖井中轴线位置；再通过升降卷扬机下放吊篮至井底工作面；提升吊篮时运行程序相反。该吊运设备既可以竖向运输又可以平向运输，满足施工要求。

吊运设备具体情况见图1。

图1 吊运设备及防缠绕装置示意图

（3）吊运设备受力计算

吊运设施安装之前要对其龙门架横梁、龙门架立柱受力、承重钢丝绳、升降钢丝绳等分别进行受力计算，确保吊运设施设计可靠。吊运设施安装完成后要经过试运行方可投产。

（4）安装施工

吊装设备采用现场组装，先固定承重钢丝绳，然后安装卷扬机、滑车，最后安装起升钢丝绳和牵引钢丝绳。吊运设施安装完成后要经试运行合格后方可用于施工。

3.导井初步支护

使用钢板制作一个圆锥形分料盘，分料盘尖端设置吊环，底部设置抹光圈，抹光圈以上安装四个行走轮，行走轮紧贴井壁行走，既能保证分料盘正在井内顺利提升，又可以支撑分料盘防止其偏移。

支护时，使用吊运设施将分料盘吊运至导井井底，利用Φ108 溜管将水泥砂浆输送至分料盘上，同时提升分料盘，分料盘自动将水泥砂浆均匀的抹光在导井井壁上，厚度为3cm。分料盘工作示意图如图2。

图2 分料盘工作示意图

水泥砂浆的配合比要经过试验确定，既要保证溜管不堵塞，又要保证砂浆能够稳定粘结在井壁上。分料盘提升速度要结合溜管输送砂浆速度，保持分料盘上有30cm 深度的砂浆，使支护砂浆可以连续不中断。

4.溜渣导井扩挖

溜渣导井直径为D=1.4m，断面较小，在溜渣过程中存在堵塞的风险，所以对导井进行扩挖，增大其溜渣断面以满足溜渣。

（1）吊篮安装施工

吊篮为直径为D=1.2m 的双层吊篮，使用Φ16 钢筋及厚度δ=1.5cm 钢板制作而成，顶部设置吊环，由吊运设施提升，并设置防坠装置。

（2）导井扩挖钻孔

导井直径由1.4m 扩挖至3.0m，以保证能够顺利溜渣。使用YT-28 钻机斜向下钻孔，钻孔角度与水平呈30°夹角，钻孔深度1.0m，孔径Φ42，每0.6m钻一环孔，每环钻孔8 个。自井口沿井壁向下钻孔，整条导井全部钻孔完成后再进行爆破作业。

（3）导井扩挖爆破作业

爆破作业由导井底部开始，逐层向上爆破，每层爆破长度不得超过20m。爆破渣体溜向导井底部，自导井底部出渣。本次与开挖轮廓线尚有较大距离，所以不需考虑光面效果；导井是自下而上爆破扩挖，扩挖完成段不会有人员进入，所以也无需再考虑安全支护。

导井扩挖施工示意图见图3。

图3 调压井溜渣导井扩挖施工示意图

5.升降钢丝绳防缠绕装置安装

为保证在深竖井吊运过程中升降钢丝绳不发生缠绕，需要增加一套防缠绕装置，参见图1。

（1）防缠绕装置安装方式

沿竖井轴线方向在井壁两侧各安装一根带豁口的钢管作为滑轨，钢管豁口方向正对竖井中心，钢管无豁口侧与井壁连接牢固。井内滑轨必须竖直，随竖井开挖深度增加而向下延伸，滑轨底部设置活动式挡板。在滑轨井口处要弯出15cm，转弯处做成圆弧形，弯出的滑轨豁口方向向上，无豁口侧与井口平面连接牢固。井口处滑轨示意图见图4。

图4 井口处滑轨示意图

选择两个拉力大小合适的弹簧，弹簧两端连接钢丝绳，一端的钢丝绳尾部连接一个拉钩，另一端钢丝绳的尾部连接一个钢球，钢球大小应能够在豁口钢管内自由滑动但不会被拉出钢管的豁口为宜，该组合体作为防缠绕装置的拉线。拉线示意图见图5。

图5 拉线示意图

在拉线上距钢球1m 左右部位绑扎一软绳，软绳不少于20m 长。

（2）防缠绕装置工作原理

拉线拉钩与吊篮底部拉环连接，拉线的钢球镶嵌在豁口钢管制作的滑轨内。吊篮提升或下放时，拉线与水平方向会呈一定夹角，拉动钢球在滑轨内移动，拉线在吊篮提升或下放的全过程对称受力，使吊篮不会平向转动，从而保证升降钢丝绳不发生缠绕。

1）当吊篮在井底准备起吊时，井下人员检查拉线的钢球要镶嵌在滑轨内、活动式挡板已挡在滑轨下口。

2）当吊篮提升至井口时，拉线的钢球到达钢轨井口转弯处，此时井口两侧工作人员使用铁钩将拉线上的软绳勾起，一手拉近软绳，一手将拉线的钢球自滑轨内取出。之后，开动平移卷扬机使吊篮向上室1 方向平移，上室2 的人员松开拉线，随吊篮的远离缓慢松放软绳，此时拉线随吊篮远离自己，但软绳控制在自己手里；同时上室1 的人员松开拉线，随吊篮的靠近缓慢收紧软绳，直至吊篮平移至上室1 井口处，两侧的人员固定软绳，之后离开。

3）当吊篮准备下放时，将工作人员将钢球镶嵌在滑轨转弯处，程序与2）相反。

6.竖井井筒扩挖支护

调压井溜渣导井扩挖完成后，导井直径达到3.0m，将井筒自上而下扩挖成型，井筒扩挖面要呈漏斗状，方便溜渣，对于无法自然溜渣的石渣由人工扒除。每开挖完成一个循环及时按设计图纸进行支护。

四、结语

深竖井施工相对一般竖井施工难度更大、安全风险更高、存在问题更多，为满足深竖井施工安全、施工进度，本文提出“正反向结合法”开挖深竖井的施工管理思路，能够对类似工程提供有益的经验。