一种岩体破碎条件下的出线竖井施工工艺的制作方法

1.本发明涉及水利水电建设工程技术领域，更具体地说，涉及一种岩体破碎条件下的出线竖井施工工艺。


背景技术：

2.西部水电开发受地形、地貌等条件限制，水电站厂房多采用地下结构型式。高压电缆从地下厂房发电机引出后需经过出线竖井转出地面，完成地下厂房发电的输出。
3.当地下厂房埋深较大时，出线竖井高度相应较高，受地形地质条件影响较大，根据以往工程经验，地下厂房和出线竖井需要布置在围岩条件好的位置，这样对水电站的建设选点限制较大，特别是在高地震烈度区域，同时受断裂带的影响，围岩条件均不好，无法进行出线竖井施工，对我国的水利水电发展产生了巨大的阻碍。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种岩体破碎条件下的出线竖井施工工艺，它可以实现在岩体破碎、围岩条件不好的情况下，权衡安全、经济和功效的前提下，完成出线竖井的施工。
5.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
6.一种岩体破碎条件下的出线竖井施工工艺，包括以下几个步骤：
7.s1、施工前准备：包括根据出线竖井现场实际施工需求情况进行现场临建工程的布置、对相关人员进行安全教育培训和对现井筒底部进行基础处理；
8.s2、地质钻机导孔施工；
9.s3、现井筒已开挖部分回填支护；
10.s4、反井钻机导井施工；
11.s5、竖井掘进机导井施工；
12.s6、竖井掘进机拆除及井口系统拆除；
13.s7、井口锁口段全断面开挖、支护和衬砌；
14.s8、井口布置龙门吊机卷扬机安装和试车；
15.s9、井身段开挖和支护；
16.s10、自检及验收。
17.作为本发明的一种优选方案，所述的s2中的地质钻机导孔施工包括以下几步：
18.(1)现井筒开挖支护深度12m，中心位置开挖2m后可以到达地质钻机施工条件；
19.(2)在井筒底部浇筑2米深混凝土与现有井壁相连，形成地质钻施工基础；
20.(3)将地质钻机放到井筒内进行施工，施工工序为先在井底基础位置开挖泥浆池和水池，再将地质钻机及泥浆泵下放到井底位置，调试试运转后钻进至终孔，最后扫孔至施工要求大小，完成地质钻机导孔施工。
21.作为本发明的一种优选方案，所述s3的施工程序中考虑井筒内安装竖井掘进机空间狭小，井筒内安装不便利，竖井掘进机自重大等，为保证安装作业人员的安全和后期导
井、竖井掘进机施工，需将已开挖的井筒进行回填至 el1128m，高出自然地坪50cm，与地面形成充足的作业空间，同时井筒中心预留6m直径井筒以作为竖井掘进机的始发井。
22.作为本发明的一种优选方案，所述s4中的反井钻机导井施工，包括以下几步：
23.(1)钻机选型和安装，反井钻机除需要完成1.4m导井外，还需承担提吊竖井掘进机的任务，包括钻杆重量，需要满足需求必要的提吊能力，采用h 型钢加工并安装井口井字梁，预留吊笼提升位置后用钢板进行封闭，形成井口封口盘及反井钻机作业工作盘，将反井钻机固定在井字梁上；
24.(2)在地质钻机施工的基础上进行扫孔施工，导孔钻头与稳定钻杆以丝扣连接在一起进行开孔作业，采用低钻压、低扭矩稳步开孔，进一步保证开孔垂直度，直至扫孔至下水平；
25.(3)反井钻机扩孔施工，缓将扩孔钻头运输至下水平，与钻杆进行连接，当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速旋转，并慢慢给进保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，当滚刀把凸出的岩石破碎掉，再继续给进，缓慢向上进行扩孔，直至钻头露出地面；
26.(4)扩孔完成后，将扩孔钻头固定在井口井字梁上，将主机的辅助设备拆下，并把除主推缸外的所有油缸和马达油管拆除，安装钻机起架拉杆，操作主推缸片阀控制手柄，使主推缸慢慢向上运动，带动动力水龙头上行，慢慢放倒主机，放倒后拆掉主推缸油管及电机电缆，把主泵站、油箱副泵站、操作台和主机推离工作位置，然后将扩孔钻头吊离井口，把扩孔钻头慢慢下放至平板车上推离井口至安全地带，封闭井口，清理现场，全部反井钻机导井工作结束。
27.作为本发明的一种优选方案，所述s5中竖井掘进机导井施工，包括以下几步：
28.(1)定位：根据井筒方位测量结果，计算确定各支撑油缸的伸出量和支撑力，并在钻进过程中随时调整，确保钻进方向和精度要求，防止靴板相对井帮滑动；
29.(2)钻进：启动电机带动钻头旋转，滚刀开始破岩，根据岩石物理力学性质和可钻性，推力油缸施加相应的钻压，达到滚刀体积破岩状态，直到主推油缸伸到最大行程，岩石条件差或纠偏时可慢速伸缩推进油缸进行扫孔；
30.(3)支撑结构移步：主推油缸达到最大设置行程位置时，转动钻头平稳接触岩石，然后锁紧主推油缸，逐渐松开8个支撑油缸，各支撑油缸支撑力为零时，逐渐收缩4个推进油缸，使支撑框架下移，同时地面提绞设备下放钻杆和推进油缸保持同步，推进油缸全部到位后，开始定位进行下一钻进循环。
31.作为本发明的一种优选方案，所述s6中的拆除方法为竖井掘进机完成全井筒掘进施工后，由反井钻机将全部设备提升至井口位置，将井下装备固定在井口井字梁上，拆除钻头后，采用吊车将反井钻机吊离井口，最后采用吊车将工作吊盘、掘进机动力头装置、钻头等依次吊出井筒，在地面对控制系统等进行拆除。
32.作为本发明的一种优选方案，所述s7和s9中的扩挖采用手风钻钻垂直孔装药爆破，钻孔孔径为φ42mm，中间直接钻设崩落孔，周边采用光面爆破，崩落孔等间距布置，最小抵抗线与孔距之比控制在1.0～1.2m之间，堵塞材料选用黄泥和砂子的均匀混合料，爆破采用非电毫秒塑料导爆管串、并联形成爆破网络实现微差爆破，电磁雷管起爆，为了减小石渣粒径，减小堵井事故的发生，采用多打孔，少装药的方式进行爆破，在实际施工过程中，严格
控制炮孔的间排距，出线竖井扩挖施工钻孔爆破。
33.作为本发明的一种优选方案，所述s2至s9中的施工过程中均采用开挖一层支护一层的方式循环施工进尺，支护施工时，均采用下一层作为施工平台，支护完成后才能进行下一循环开挖。
34.作为本发明的一种优选方案，所述支护施工的主要形式为系统锚杆、钢筋网、龙骨筋和喷混凝土。
35.作为本发明的一种优选方案，所述s2到s5的施工过程中采用防治孔斜管理措施，以预防为主纠偏为辅，采用弯螺杆加无磁钻铤纠斜。
36.相比于现有技术，本发明的优点在于：
37.本方案在岩体破碎条件下，使用反井钻机导井开挖、竖井掘进机导井开挖以及全断面开挖配合施工，逐步完成对出线竖井的施工，通过在施工过程中开挖一层支护一层的及时支护方式，通过开挖后的及时支护，有效利用了岩体破碎条件下围岩较短的自稳时间，避免出线竖井施工过程中可能发生规模较大的变形和破坏，保证了出线竖井的局部自稳性，减少出线竖井遭受的变形破坏，保证了出线竖井施工的正常进行。
具体实施方式
38.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.实施例：
41.一种岩体破碎条件下的出线竖井施工工艺，包括以下几个步骤：
42.s1、施工前准备：包括根据出线竖井现场实际施工需求情况进行现场临建工程的布置、对相关人员进行安全教育培训和对现井筒底部进行基础处理；
43.根据出线竖井现场实际施工需求情况，进行现场临建工程的布置，主要包括：施工道路、施工生产生活辅助设施及施工场地布置，施工风水电供应系统，施工通风、施工排水、施工通讯系统，井内交通运输等，施工道路中场内运输道路沿途路线满足大型设备运输要求。
44.s2、地质钻机导孔施工，包括以下几步：
45.(1)现井筒开挖支护深度12m，中心位置开挖2m后可以到达地质钻机施工条件；
46.(2)在井筒底部浇筑2米深混凝土与现有井壁相连，形成地质钻施工基础；
47.(3)将地质钻机放到井筒内进行施工，施工工序为先在井底基础位置开挖泥浆池和水池，再将地质钻机及泥浆泵下放到井底位置，调试试运转后钻进至终孔，最后扫孔至施工要求大小，完成地质钻机导孔施工。
48.地质钻机导孔钻进时采用塔式钻具组合结构，可有效缓解钻具应力集中，增加钻具回转的稳定性，能有效地预防孔斜，并能提供足够的钻进压力，不同规格的钻头采用的钻具组合见下表：
49.钻具组合
[0050][0051]
备注：根据实际情况可对钻具组合进行适当调整。
[0052]
施工过程中的测斜采用无线随钻测斜工艺，测斜仪为蒙德纳mdn-48kz泥浆脉冲随钻测斜仪，无线随钻测量系统能够做到适时监测，在任意一点上我们皆可进行停泵测量井眼轨迹的参数。即节省了钻井时间又保证了井眼轨迹的测量精度，并减少狗腿度的产生。发现钻孔弯曲超限时，及时分析，找出原因，采取下一步措施，并立即用螺杆钻具纠斜，确保导向孔斜不超限。同时利用单点测斜技术对孔斜度进行验证。
[0053]
在施工过程中，为了使钻孔能按设计方向延深，虽然执行了“预防为主”的方针，但由于产生钻孔弯曲的因素错综复杂，某些钻孔或孔段仍然会偏离原设计方向，当发现钻孔偏斜，将采取的措施：及时调整测量间距，增加测点，搞清钻孔弯曲部位及变化值，以便采取必要的措施进行纠正，使钻孔弯曲保持在允许的范围内；mdn-48kz泥浆脉冲随钻测斜仪监测井斜，一旦有偏斜超标趋势，采用弯螺杆加无磁钻铤纠斜，这是最有效的纠斜方法。
[0054]
s3、现井筒已开挖部分回填支护；
[0055]
考虑井筒内安装竖井掘进机空间狭小，井筒内安装不便利，竖井掘进机自重大等，为保证安装作业人员的安全和后期导井、竖井掘进机施工，需将已开挖的井筒进行回填至el1128m，高出自然地坪50cm，与地面形成充足的作业空间，同时井筒中心预留6m直径井筒以作为竖井掘进机的始发井。
[0056]
具体施工方法为：在回填混凝土时，井筒中心留6m直径不进行回填，作为竖井掘进机安装完成后进入井筒内通道，回填混凝土宽度为2.1m，井筒每米回填混凝土量为53.4m3。为保证回填混凝土与已施工的混凝土井壁充分分离，在回填混凝土前，在原浇筑的井壁表面安装一层三合板，使其保证充分隔离，以免在后期井筒刷大时破坏已施工完成井壁混凝土的结构及美观。
[0057]
回填混凝土采用c20，由搅拌站拌制，6m3混凝土搅拌车运送到井口，分层进行回填，每层高度1500mm，井筒内混凝土采用ф219
×
6无缝钢管运输运送到井下，井下采用串联竹节筒加溜槽进行浇筑，以免混凝土产生离析，采用变频器进行振捣。
[0058]
模板采用3015钢模板进行支模，段高为1500mm，在模板外侧用12槽钢做围圈骨架，保证模板的整体性和稳定性，支撑采用双排脚手架沿骨架环形架设，并加剪刀撑和斜撑进行可靠连接。靠混凝土侧采用ф12拉杆与原混凝土壁进行拉接，保证模板可靠的强度，以防模板移位和跑模，保证回填混凝土质量。
[0059]
s4、反井钻机导井施工，包括以下几步：
[0060]
(1)钻机选型和安装，反井钻机除需要完成1.4m导井外，还需承担提吊竖井掘进机的任务，包括钻杆重量，需要满足需求必要的提吊能力，采用h 型钢加工并安装井口井字梁，预留吊笼提升位置后用钢板进行封闭，形成井口封口盘及反井钻机作业工作盘，将反井钻机固定在井字梁上；
[0061]
(2)在地质钻机施工的基础上进行扫孔施工，导孔钻头与稳定钻杆以丝扣连接在一起进行开孔作业，采用低钻压、低扭矩稳步开孔，进一步保证开孔垂直度，直至扫孔至下水平；
[0062]
(3)反井钻机扩孔施工，缓将扩孔钻头运输至下水平，与钻杆进行连接，当扩孔钻头接好后，慢速上提钻具，直到滚刀开始接触岩石，然后停止上提，用最低转速旋转，并慢慢给进保证钻头滚刀不受过大的冲击而破坏，当滚刀把凸出的岩石破碎掉，再继续给进，缓慢向上进行扩孔，直至钻头露出地面；
[0063]
(4)扩孔完成后，将扩孔钻头固定在井口井字梁上，将主机的辅助设备拆下，并把除主推缸外的所有油缸和马达油管拆除，安装钻机起架拉杆，操作主推缸片阀控制手柄，使主推缸慢慢向上运动，带动动力水龙头上行，慢慢放倒主机，放倒后拆掉主推缸油管及电机电缆，把主泵站、油箱副泵站、操作台和主机推离工作位置，然后将扩孔钻头吊离井口，把扩孔钻头慢慢下放至平板车上推离井口至安全地带，封闭井口，清理现场，全部反井钻机导井工作结束。
[0064]
开始扩孔时，下边有专人观察，将情况及时通知操作人员，等钻头全部均匀接触岩石，才能正常扩孔钻进。为保证钻机和滚刀的使用寿命，一般将系统压力限制在16mpa之内。在扩孔过程中，当岩石硬度较大，可适当增加钻压，反之可以减少钻压。扩孔时，要及时出渣，防止堵孔。扩孔过程，也是拆钻杆的过程，拆下的钻杆要进行必要的清理，上油带好保护帽。
[0065]
当钻头扩孔至距基础2.5m时，降低钻压慢速钻进，认真观察，如果基础周围出现异常现象，要及时采取措施处理，继续缓慢进行扩孔，直至钻头露出地面。
[0066]
s5、竖井掘进机导井施工，包括以下几步：
[0067]
(1)定位：根据井筒方位测量结果，计算确定各支撑油缸的伸出量和支撑力，并在钻进过程中随时调整，确保钻进方向和精度要求，防止靴板相对井帮滑动；
[0068]
(2)钻进：启动电机带动钻头旋转，滚刀开始破岩，根据岩石物理力学性质和可钻性，推力油缸施加相应的钻压，达到滚刀体积破岩状态，直到主推油缸伸到最大行程，岩石条件差或纠偏时可慢速伸缩推进油缸进行扫孔；
[0069]
(3)支撑结构移步：主推油缸达到最大设置行程位置时，转动钻头平稳接触岩石，然后锁紧主推油缸，逐渐松开8个支撑油缸，各支撑油缸支撑力为零时，逐渐收缩4个推进油缸，使支撑框架下移，同时地面提绞设备下放钻杆和推进油缸保持同步，推进油缸全部到位后，开始定位进行下一钻进循环。
[0070]
利用反井钻机钻成的导井，采用竖井掘进机由上向下钻进φ5.8m二级导井，破碎岩渣依靠自重经一级溜渣导井下落至井底，由井下运输设备经出线竖井交通洞排出。采用bmc600型反井钻机、专用多功能吊盘进行辅助作业，实现凿井破岩、出渣、临时支护及凿井辅助工作。
[0071]
在地面采用50吨及160吨吊车配合，对动力头、支撑装置等进行组装，安装控制平台并对系统进行调试。采用300吨吊车将5.8m钻头、动力头支撑装置依次吊装至井筒内，将钻头及动力头支撑装置连接在一起，启动系统使靴板支撑到合适位置，保证掘进机设备整体姿态居中稳定。依次对支护吊盘、吊笼、井口井字梁等进行安装，最后将反井钻机固定在井字梁上，启动系统，下放钻杆与竖井掘进机连接，完成对掘进机的安全提吊。
[0072]
竖井掘进机采用镶齿滚刀进行破岩。竖井掘进机包括支撑、推进、旋转和控制系统，主要作用是破碎岩石，滚刀按照一定规律布置在竖井掘进机钻头上，滚刀破岩以挤压、剪切和刮削等综合作用将岩石破碎，从岩体上分离出来。电机带动齿轮箱齿轮减速实现钻头旋转，推进油缸通过推进驱动装置沿掘进机支撑立柱上下滑动，向钻头传递推进力，主框架结构通过油缸支撑在井帮岩壁上，上、下支撑系统承受破岩反推力、反扭矩，推进油缸完成一个行程后，主框架结构沿竖井轴线向下移动一段距离，然后支撑油缸推动支撑板继续支撑在井帮上，经找正后，继续形成下一个破岩循环，在钻进过程中，支撑油缸伸出，将支撑靴板撑紧在岩壁上，完成主机固定，同时将推进油缸推动刀盘前进所需的反作用力和刀盘旋转所需的回转反扭矩传递给岩体。每个支撑靴板可以单独动作，进行调整，实现主机姿态和方向控制，按照设计轴线钻进。根据岩体条件，适时调整竖井掘进机参数，以免撑靴下岩体发生破坏，造成撑靴失稳。每个掘进段高为1m，竖井掘进机的钻头为锥形结构，破碎的岩渣沿井底锥形面滑动，进入一级导井，落到竖井底部，由出线竖井交通洞运输系统装运。
[0073]
s6、竖井掘进机拆除及井口系统拆除；
[0074]
竖井掘进机完成全井筒掘进施工后，由bmc600型反井钻机将全部设备提升至井口位置，将井下装备固定在井口井字梁上，拆除钻头后，采用吊车将反井钻机吊离井口。最后采用300t吊车将工作吊盘、掘进机动力头装置、钻头等依次吊出井筒，在地面对控制系统等进行拆除。
[0075]
s7、井口锁口段全断面开挖、支护和衬砌；
[0076]
竖井开挖采用自上而下开挖成井。竖井扩挖时井口需布置提升系统，采用煤矿ф1200提升机缠绕钢丝绳提升吊笼，人员上下通过吊笼上下，设备、材料及工器具上下利用20t龙门吊进行井内运输，人员和材料器具不能同时运输，吊笼及龙门吊在投入使用前，必须进行荷载试验合格后才能投入使用。在井口布置井口施工安全平台，安全采用16#工字钢架设在锁扣混凝土面上，并铺δ3.5mm防滑钢板，安排专人把守井口接送出入井人员。
[0077]
s8、井口布置龙门吊机卷扬机安装和试车；
[0078]
卷扬机基础清理到基岩面，混凝土基础高出地面20cm，以利于施工排水。混凝土上平面要平，凸凹变化不能超过1.5cm，安装卷扬机及其辅助设备安装，卷扬机钢丝绳要和滑轮成直线，夹角要符合规程要求；地锚采用钢筋，入岩2m，安装卷扬机安全装置，安全装置一般包括荷载限制器、行程限制器等，卷扬式的容许超载值一般定为不得大于额定起重容量的10％。因此，在实际负荷达到额定起重量的110％时，荷载限制器应自动切断电源，使电动机停止转动。上、下行程限位一般采用行程开关控制器，当卷扬机起吊或下降超过规定时，行程开关制器会自动切断电源，使电动机停止转动。卷扬机安装完成后要通过验收方可使用。
[0079]
s9、井身段开挖和支护；
[0080]
出线竖井井口段和井口布置完成后，按照“一排炮、一支护”的方法进行竖井扩挖
施工，炮孔采用人工持yt-28型手风钻钻设，钻孔方向大致与出线竖井中心线平行，开挖循环钻孔深度为2.5m，爆破采用光面爆破形式，爆破后采用人工进行扒渣、清面，石渣通过导井溜至竖井底部出线平洞内，采用3.0m3装载机装20t自卸车运至指定弃渣场。主要施工措施如下：
[0081]
(1)测量放线：控制测量采用全站仪做导线控制网，施工测量采用激光指向仪和重垂线进行控制，激光指向仪布置井口桁架梁上。测量作业由专业人员认真进行，每次钻孔前均用红油漆在掌子面上标示各孔位置，另外每班还进行一次测量检查，确保测量工序质量。
[0082]
(2)钻孔作业：选派熟练的钻工，严格按照设计进行钻孔作业。各钻工分区、分部定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济责任制。每排炮由值班技术员按爆破图的要求进行检查。周边孔偏差不得大于5cm，爆破孔偏差不得大于10cm。扒渣结束之后，采用提升操作盘提升机牵引直径7m防护盘将导井封闭。
[0083]
(3)装药爆破：炮工按钻爆设计参数认真进行作业，炸药选用岩石乳化炸药。崩落孔、掏槽孔药卷直径ф32mm，连续装药，周边孔选用ф25mm药卷，间隔装药。装药完成后，由技术员和专业炮工分区分片检查，联结爆破网络，撤退工作设备、材料至安全区域后进行引爆。
[0084]
(4)通风散烟：爆破后采用自然风进行通风，爆破渣堆进行人工洒水除尘。
[0085]
(5)扒渣：扒渣采用人工扒渣，人员扒渣时要做好安全防护，系好安全带，并与盘下安全绳连接牢固，严格执行操作规程。
[0086]
(6)安全处理：爆破后由安全员和熟练工人处理井壁浮渣和活石，出渣后再次进行安全检查及支护，为下一循环钻孔作业做好准备。
[0087]
支护施工紧随开挖作业进行，即开挖一层、支护一层。锚杆采用yt-28 手风钻钻孔，人工插杆，mz1注浆泵注浆。喷砼采用pz-6混凝土喷射机施工，人工手持喷头喷射作业，即初喷5cm混凝土，然后打锚杆、挂网，最后复喷混凝土到设计厚度。支护施工时，直接利用开挖完成的工作面作为作业平台，上层支护完成后方可进行下一层开挖，绝不允许上层没有支护完毕即进行下一循环开挖。喷砼料由拌合站运输至井口，采用井内布置的溜管溜至作业面。
[0088]
开挖支护程序依次为开挖、出渣、初喷5cm混凝土、钻孔、注浆安装锚杆、挂钢筋网、复喷5cm混凝土至设计厚度。
[0089]
s10、自检及验收，在施工过程中全程对安全措施和施工质量进行检验，完成验收后才能进行下一步施工，保证出线竖井的施工质量。
[0090]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。