劉 杰

（中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310000）

0 前 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，采用豎井型式的主體結(jié)構(gòu)涵蓋了從引水、尾水及地下廠房系統(tǒng)等主體結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位。根據(jù)功能、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及地質(zhì)情況不同，其采用的施工方法也有一定的差異。直徑3 m左右的豎井采用反井鉆機(jī)一次反拉成型的施工工藝已較為成熟，最具代表性的就是山東文登抽水蓄能電站，其Φ3.1 m、深度280 m的通風(fēng)豎井就是采用反井鉆機(jī)一次反拉成型，云南以禮河水電站曾也是實(shí)現(xiàn)由Φ4.5 m、深度240 m的豎井采用反井鉆機(jī)一次成型的成功案例，但是其屬于軟巖施工。行業(yè)內(nèi)對(duì)于直徑大于5 m的豎井開(kāi)挖，仍是以反井鉆機(jī)先施工1.4 m、2.0 m或2.4 m的導(dǎo)井，再利用人工鉆爆法自上而下分層擴(kuò)挖的方式進(jìn)行。

雖然導(dǎo)井的機(jī)械化施工徹底解決了人工鉆爆開(kāi)挖正反導(dǎo)井的施工困難和安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，但自上而下鉆爆法擴(kuò)挖，仍未擺脫井下人員密集作業(yè)帶來(lái)的安全管理風(fēng)險(xiǎn)和職業(yè)健康危害，也無(wú)法避免井壁爆破松動(dòng)圈對(duì)豎井開(kāi)挖期間圍巖穩(wěn)定造成的潛在施工隱患。同時(shí)伴隨我國(guó)人口增速放緩，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員短缺，老齡化嚴(yán)重等問(wèn)題日益突出，“機(jī)械化換人、智能化減人”成為水電站工程施工的大勢(shì)所趨。

1 工程概況

寧海抽水蓄能電站位于浙江省寧?？h城東北面大佳何鎮(zhèn)境內(nèi)，主要由上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房、地面開(kāi)關(guān)站及下水庫(kù)等建筑物組成。地下發(fā)電廠房安裝4臺(tái)單機(jī)容量為350 MW 的混流可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 400 MW。電站排風(fēng)豎井位于發(fā)電廠房的左側(cè)，開(kāi)挖斷面為圓形，直徑Φ7.8 m、深度198 m。除井口10 m段混凝土襯砌外，井身全部采用掛網(wǎng)噴混凝土和系統(tǒng)錨桿進(jìn)行支護(hù)。該豎井上井口露天，下井口通過(guò)平洞與主廠房通風(fēng)兼安全洞相連，井身巖體多位于地下水位以下，以上部強(qiáng)風(fēng)化層Ⅴ類圍巖和中下部弱風(fēng)化Ⅳ～Ⅲ類圍巖為主。巖石強(qiáng)度為80～120 MPa，局部可達(dá)到140 MPa。

在綜合考慮該豎井地質(zhì)條件和上下井口布置條件，以及“以人為本、實(shí)現(xiàn)機(jī)械換人”的原則，通過(guò)裝備市場(chǎng)和豎井現(xiàn)行工藝工法的充分調(diào)研和多方評(píng)估，最終采用國(guó)內(nèi)首臺(tái)大直徑全斷面上排渣型硬巖豎井掘進(jìn)機(jī)（Shaft Boring Machine，以下簡(jiǎn)稱SBM）進(jìn)行該豎井的開(kāi)挖施工。

2 SBM設(shè)備簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)組成

該套SBM設(shè)備是國(guó)內(nèi)首臺(tái)集機(jī)、電、液于一體的大型綜合設(shè)備，具備大直徑深豎井一次性全斷面開(kāi)挖成型功能。設(shè)備采用刀盤(pán)開(kāi)挖、刮板輸送機(jī)刮渣、斗式提升機(jī)提渣、儲(chǔ)渣倉(cāng)儲(chǔ)渣，最終由吊桶提渣經(jīng)地面提升系統(tǒng)提吊出井卸渣運(yùn)走。SBM整機(jī)系統(tǒng)如圖1［1］所示。井下設(shè)備主要由刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)定器、設(shè)備立柱、撐靴推進(jìn)系統(tǒng)、井壁支護(hù)系統(tǒng)（選裝）、出渣系統(tǒng)、后配套多層吊盤(pán)系統(tǒng)構(gòu)成，多層吊盤(pán)用于放置設(shè)備動(dòng)力裝置；地面配套設(shè)備主要由井架、穩(wěn)車、礦用絞車等組成，實(shí)現(xiàn)吊盤(pán)下放提升和物料運(yùn)輸。

圖1 SBM整機(jī)系統(tǒng)

2.2 工法原理［2］

該套SBM設(shè)備是通過(guò)井下豎井掘進(jìn)機(jī)完成機(jī)械破巖、刮渣和集渣，并通過(guò)地面井架配合礦用絞車吊渣卸渣至地面完成豎井掘進(jìn)和出渣工作，地面提升系統(tǒng)中的穩(wěn)車還負(fù)責(zé)SBM設(shè)備后配套多層吊盤(pán)的牽引和提升。

（1）破巖系統(tǒng)。SBM 設(shè)備在每循環(huán)破巖過(guò)程中，通過(guò)井下主機(jī)采用與平洞硬巖盾構(gòu)機(jī)類似的刀盤(pán)破巖，穩(wěn)定器穩(wěn)定刀盤(pán)并降低掘進(jìn)過(guò)程中的刀盤(pán)振動(dòng)并控制掘進(jìn)方向，利用撐靴撐緊井壁產(chǎn)生摩擦力并提供推進(jìn)反力。掘進(jìn)行程結(jié)束后，撐靴換步進(jìn)行下一循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)。

（2）出渣系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括刀盤(pán)刮渣裝置、垂直提升裝置和儲(chǔ)渣倉(cāng)三部分，最終將儲(chǔ)渣倉(cāng)內(nèi)的石渣卸放至礦用吊桶，通過(guò)地面礦用絞車提升出井接力，完成渣料出井工作。

（3）支護(hù)系統(tǒng)。井壁支護(hù)系統(tǒng)可完成井初期錨噴支護(hù)和混凝土襯砌施工，此系統(tǒng)需單獨(dú)設(shè)計(jì)、選配安裝。

（4）導(dǎo)向系統(tǒng)。豎井掘進(jìn)過(guò)程中，利用傳統(tǒng)豎井測(cè)井方法并結(jié)合電子傳感技術(shù)設(shè)計(jì)而成，即在井筒中心設(shè)計(jì)一套垂線裝置，用于提供井筒中心設(shè)備的標(biāo)定基準(zhǔn)，在設(shè)備中心設(shè)置傳感器，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備同垂線的相對(duì)位置，計(jì)算設(shè)備掘進(jìn)方向及姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)為設(shè)備提供導(dǎo)向的功能。

（5）糾偏系統(tǒng)。整機(jī)設(shè)計(jì)有穩(wěn)定器和撐靴推進(jìn)系統(tǒng)，穩(wěn)定器的伸縮油缸和可分區(qū)獨(dú)立控制，當(dāng)掘進(jìn)主機(jī)相對(duì)井筒軸線發(fā)生傾斜時(shí)，可通過(guò)控制不同區(qū)域的油缸油壓，使油缸產(chǎn)生位移行程差，從而不斷調(diào)整主機(jī)姿態(tài)并最終使主機(jī)軸線回正。當(dāng)掘進(jìn)主機(jī)圓周滾轉(zhuǎn)時(shí)，讓穩(wěn)定器和撐靴脫離井壁，反轉(zhuǎn)主機(jī)回正即可。

2.3 設(shè)備性能參數(shù)

該設(shè)備研發(fā)制造的初衷是解決千米級(jí)礦山盲井機(jī)械化施工難題，適合在圍巖條件較好的穩(wěn)定地層施工，且以露天豎井工作面為宜。SBM設(shè)備具體性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SBM設(shè)備性能參數(shù)

3 施工條件及過(guò)程

3.1 施工條件

3.1.1 場(chǎng)地要求及井口條件

根據(jù)SBM設(shè)備安裝及運(yùn)行工況的需要，上井口需以井口為中心軸線提供長(zhǎng)80 m、寬27 m的平坦場(chǎng)地并硬化，用于布置1座井架、6臺(tái)穩(wěn)車、1個(gè)礦用絞車房、SBM設(shè)備操控室及便于自卸汽車、裝載機(jī)的裝運(yùn)等，并根據(jù)地面提升系統(tǒng)設(shè)備布置的需要，提前進(jìn)行井架基礎(chǔ)、穩(wěn)車基礎(chǔ)、絞車基礎(chǔ)和絞車房的開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)混凝土施工。另外，采用人工鉆爆法提前開(kāi)挖10 m井身段并進(jìn)行襯砌，使之作為SBM主機(jī)設(shè)備下井，為撐靴提供支撐著力點(diǎn)。

3.1.2 道路交通條件

由于SBM設(shè)備最大尺寸的單件為不可分體的刀盤(pán)，總重量近85 t，因此對(duì)通往井口安裝始發(fā)的道路運(yùn)輸條件要求較高，表2為SBM設(shè)備運(yùn)輸?shù)缆废嚓P(guān)指標(biāo)。

表2 SBM設(shè)備部件運(yùn)輸?shù)缆分笜?biāo)

3.1.3 風(fēng)、水、電布置條件

（1）施工通風(fēng)。SBM 設(shè)備掘進(jìn)施工中井下無(wú)人，但部分人員要負(fù)責(zé)下井進(jìn)行機(jī)組檢修、更換滾刀或井下維保等工作，井下通風(fēng)通過(guò)布置在井口的軸流風(fēng)機(jī)接風(fēng)管隨掘進(jìn)面向下延伸即可。

（2）施工供水。SBM設(shè)備掘進(jìn)過(guò)程中的設(shè)備清理、刀盤(pán)降溫和抑塵需要用水，在井口平臺(tái)場(chǎng)地布置一個(gè)不小于10 m3的水箱接水管沿井壁延伸至井下用水部位。

（3）施工供電。電是SBM設(shè)備掘進(jìn)和地面提升系統(tǒng)運(yùn)行的主要?jiǎng)恿υ?，井下掘進(jìn)設(shè)備需單獨(dú)配置1根容量不小于2 500 kW 的10 kV高壓電纜延伸至井下吊盤(pán)上的變壓器，地面提升系統(tǒng)及操作室、照面等配備380 V、容量不小于1 200 kW 配電箱即可。

3.2 施工過(guò)程

3.2.1 總體施工程序

寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井SBM設(shè)備掘進(jìn)的主要施工程序?yàn)榫趫?chǎng)地平整及地面提升系統(tǒng)安裝（不含井架安裝）→主機(jī)段拼裝下井→后配套吊盤(pán)井口地面就位并與主機(jī)段連接→機(jī)組調(diào)試→主機(jī)段始發(fā)掘進(jìn)20 m→后配套吊盤(pán)下井懸吊→井架安裝就位→提升系統(tǒng)形成并與后配套吊盤(pán)連接→SBM正式掘進(jìn)并直至貫通→井下拆解逐層出井撤場(chǎng)→地面提升系統(tǒng)拆除及場(chǎng)地恢復(fù)→全部結(jié)束。

3.2.2 施工過(guò)程中的問(wèn)題

（1）設(shè)備運(yùn)輸就位。寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井口位于引水中平洞施工支洞口附近，從場(chǎng)外進(jìn)入到井口工作面必須經(jīng)過(guò)井口平臺(tái)外側(cè)的棄渣場(chǎng)，呈“S”型布置的棄渣場(chǎng)后邊坡臨時(shí)道路坡陡彎急，在SBM進(jìn)場(chǎng)前根據(jù)運(yùn)輸?shù)缆芬筮M(jìn)行了修整，最大件的運(yùn)輸過(guò)程中還動(dòng)用了裝載機(jī)和推土機(jī)進(jìn)行輔助。

設(shè)備分塊運(yùn)輸、分塊下井就位。自下而上的幾大主要部件分別為刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)、撐靴、后配套吊盤(pán)，均需要大噸位汽車吊抬吊卸車及下井就位，因此井口周邊場(chǎng)地的規(guī)劃要合理，除必須滿足地面提升系統(tǒng)安裝場(chǎng)地外，還要充分考慮大件運(yùn)輸平板車和2臺(tái)大噸位汽車吊的作業(yè)場(chǎng)地。

（2）掘進(jìn)面渣料含水量控制。該套SBM設(shè)備掘進(jìn)適用于無(wú)水或少水的井下工況，而寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井井身段多為地下水位以下，隨著掘進(jìn)深度的增加，不同高程的井壁均出現(xiàn)了裂隙滲水的情況，特別是井口段的25 m巖石較為破碎，滲水沿井壁流至掘進(jìn)工作面，與刀盤(pán)破碎后的石粉摻雜在一起形成泥漿，給掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)底部的刮渣集渣帶來(lái)了很大困難并嚴(yán)重影響了掘進(jìn)效率。為解決渣料含水問(wèn)題，根據(jù)井壁滲水點(diǎn)的分布，利用后配套吊盤(pán)的操作平臺(tái)對(duì)滲水點(diǎn)集中的井壁安裝了截水槽，截水槽里的水通過(guò)塑料軟管接至后配套吊盤(pán)內(nèi)布置的水箱抽排至井外。通過(guò)此舉，較好控制了渣料的含水量，保證了掘進(jìn)出渣的效率。

（3）井內(nèi)降塵。在解決了大井壁滲水問(wèn)題后，掘進(jìn)面破碎的石渣基本不受水的濕度影響，從而使刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)掘進(jìn)、刮渣提渣至儲(chǔ)渣倉(cāng)、儲(chǔ)渣倉(cāng)卸渣至吊桶的過(guò)程產(chǎn)生的粉塵彌漫在整個(gè)主機(jī)段，導(dǎo)致工作面粉塵聚集，從而進(jìn)一步影響豎井掘進(jìn)機(jī)的激光導(dǎo)向控制，和激光束打靶的準(zhǔn)確性［3］，最終嚴(yán)重影響設(shè)備中心配備的電子傳感器對(duì)設(shè)備掘進(jìn)方向和姿態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。為了解決此問(wèn)題，通過(guò)管路向掘進(jìn)面主動(dòng)噴淋潤(rùn)渣、加大壓入供風(fēng)量等多種方法均無(wú)法很好降塵，最后根據(jù)粉塵的起因和粉塵分布的區(qū)域，發(fā)明了一種利用風(fēng)機(jī)配合帶骨架風(fēng)筒將井下粉塵通過(guò)風(fēng)筒抽出井外，同時(shí)利用風(fēng)機(jī)口安裝的除塵機(jī)構(gòu)收集灰塵的裝置，實(shí)現(xiàn)了凈化井下空氣、主動(dòng)收集抽出粉塵，最終確保掘進(jìn)過(guò)程中的電子傳感導(dǎo)向裝置正常工作。

3.2.3 施工效果

2020年12月10 日，SBM豎井掘進(jìn)機(jī)在寧海抽水蓄能電站排風(fēng)豎井井口完成了主機(jī)段組裝調(diào)試并正式始發(fā)，施工過(guò)程中克服了運(yùn)輸就位、井壁滲水、粉塵濃度過(guò)高等一系列實(shí)際問(wèn)題后，最終于2021年12月26日與排風(fēng)豎井下平洞精確貫通，歷時(shí)12個(gè)月。除去地面系統(tǒng)組裝聯(lián)調(diào)時(shí)間、井壁截水、粉塵超標(biāo)研究處理方案的停機(jī)時(shí)間、井壁系統(tǒng)支護(hù)時(shí)間以及其他因素造成的停機(jī)時(shí)間外，SBM實(shí)際有效掘進(jìn)為121 d，總掘進(jìn)時(shí)間為583 h，累計(jì)掘進(jìn)188 m，平均進(jìn)尺0.32 m/h。在始發(fā)后、地面提升系統(tǒng)未形成前的20 m井身掘進(jìn)采用汽車吊出渣施工，實(shí)際有效掘進(jìn)為24 d，平均進(jìn)尺0.71 m/d，最快進(jìn)尺1.5 m/d；剩余168 m采用地面提升機(jī)出渣，實(shí)際有效掘進(jìn)為97 d，平均進(jìn)尺1.73 m/d，最快進(jìn)尺4.82 m/d。

4 工程應(yīng)用試驗(yàn)的思考

從寧海抽水蓄能電站采用的國(guó)內(nèi)首臺(tái)大直徑全斷面豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)豎井開(kāi)挖的實(shí)際施工效果來(lái)看，作為國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用性試驗(yàn)項(xiàng)目，采用此設(shè)備施工，實(shí)現(xiàn)了井身掘進(jìn)過(guò)程中井下無(wú)人的施工工況；也實(shí)現(xiàn)了自上而下全斷面機(jī)械法開(kāi)挖大直徑豎井在行業(yè)內(nèi)零的突破；從抽水蓄能電站豎井新設(shè)備新工法應(yīng)用的角度，還是有很多地方值得進(jìn)一步思考。

（1）從設(shè)備本身結(jié)構(gòu)看，該套一體化掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)龐大、光主機(jī)的總重量就達(dá)到420 t，不可拆解的刀盤(pán)單件重量達(dá)到了85 t，無(wú)論是在煤礦還是在抽水蓄能電站上使用，對(duì)運(yùn)輸?shù)缆窏l件和安裝場(chǎng)地條件都十分苛刻，如能實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，其應(yīng)用的空間才能更廣。

（2）從井下環(huán)境看，目前這套豎井掘進(jìn)機(jī)工法適用于無(wú)水或少水的井下作業(yè)，而抽水蓄能電站的豎井多數(shù)位于地下水位以下，滲水情況十分普遍。從首次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)情況來(lái)看，需要進(jìn)一步研究其他工法，對(duì)圍巖提前進(jìn)行滲水處理才能保證工效進(jìn)尺。

（3）從工期角度看，若采用反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井、再人工擴(kuò)挖的工藝進(jìn)行施工，先導(dǎo)孔和反拉導(dǎo)井施工工期（含準(zhǔn)備工作）約50 d，人工鉆爆擴(kuò)挖支護(hù)施工工期約100 d（進(jìn)尺2.5 m/d、工序轉(zhuǎn)換及施工準(zhǔn)備20 d），總工期合計(jì)約150 d；而采用SBM設(shè)備施工，扣除支護(hù)和非常規(guī)停機(jī)耽誤工期后的掘進(jìn)工期為121 d（含正常的維保時(shí)間），SBM設(shè)備機(jī)械法的工效沒(méi)有體現(xiàn)出先進(jìn)性。

（4）從應(yīng)用工況看，所有的抽水蓄能電站的豎井結(jié)構(gòu)均非盲井且深度遠(yuǎn)小于煤礦行業(yè)，SBM設(shè)備的全斷面工法主要適用于礦山深豎井盲井工況，且使用條件適合露天井口，抽水蓄能電站的露天豎井口較少，大多位于地下洞室群中，全斷面自上而下機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備工法很難應(yīng)用普及。對(duì)于抽水蓄能電站的非盲井條件的大直徑深豎井施工可有以下兩方面研究方向：

①掘進(jìn)機(jī)輕量化：通過(guò)反井鉆機(jī)先施工導(dǎo)井，本著輕量化設(shè)計(jì)理念采取簡(jiǎn)單的后配套動(dòng)力裝置，再結(jié)合錐形刀盤(pán)自上而下沿著導(dǎo)井中心向下掘進(jìn)，破碎石渣靠重力沿著導(dǎo)井下溜，就能很好避開(kāi)上出渣方式帶來(lái)的渣料收集困難和龐大的地面提升系統(tǒng)；

②大型反井鉆機(jī)：在已有的施工導(dǎo)井的反井鉆機(jī)設(shè)備上繼續(xù)深入研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)常規(guī)抽水蓄能電站豎井布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從鉆機(jī)功率、鉆桿連接技術(shù)和母材強(qiáng)度、反拉鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面入手，研究制造出能適用于直徑6～9 m、深度400 m以內(nèi)的一次反拉成型的國(guó)產(chǎn)大型反井鉆機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，國(guó)內(nèi)首臺(tái)大直徑全斷面上排渣型豎井硬巖掘進(jìn)機(jī)在寧海抽水蓄能電站的應(yīng)用試驗(yàn)總體是成功的，可以算是抽水蓄能電站豎井機(jī)械化施工應(yīng)用的重要里程碑。雖然整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中暴露出設(shè)備本身和工藝工法上的缺陷和不足，但是給抽水蓄能電站建造行業(yè)在豎井施工“機(jī)械換人”提供了寶貴的應(yīng)用實(shí)踐案例。隨著“雙碳”目標(biāo)國(guó)家戰(zhàn)略的提出，國(guó)內(nèi)加大了抽水蓄能電站的規(guī)劃建設(shè)，豎井結(jié)構(gòu)又是抽水蓄能電站地下洞室群中不可缺少的結(jié)構(gòu)，豎井施工的“機(jī)械化換人”為大勢(shì)所趨。隨著越來(lái)越多抽水蓄能電站的核準(zhǔn)開(kāi)工，豎井機(jī)械化施工的步伐將會(huì)越來(lái)越快。