永嘉抽蓄引水竖井SBE（竖井掘进机）掘进及支护施工技术

1 前言

永嘉抽水蓄能电站位于浙江省温州市永嘉县境内，地处浙江省东南部，站点距永嘉县城约 6km，枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统和地面开关站等建筑物组成。其中引水 1# 及 2# 上竖井开挖直径 7.23m，竖井深度 488 米。围岩类别以 II ～ III 类为主，局部断层破碎带及沉凝灰岩夹层段为Ⅳ类。主要为晶屑熔结凝灰岩、球泡流纹岩平均抗压强度 119-190Mpa，局部可达 223Mpa。井身主要置于地下水位以下，岩体属弱～微透水，透水性总体较弱。

2 工程特点及难点

特点：永嘉抽水蓄能电站 1#、2# 引水竖井深度达到 488 米，岩石为凝灰岩，岩石存在局部裂隙、节理及地下水等情况。难点：竖井深度深，采取传统导井+ 人工扩挖的方式，安全风险大、施工效率慢。

3 技术原理

SBE 竖井扩孔掘进机以反井施工工法为前提，融合隧道掘进机（TBM）施工理念进行针对性设计，以“反井钻机导井 + 扩孔掘进机扩井”工法替代“反井钻机导井 + 钻爆法扩刷”工法，全机械化施工。设备采用 V 型刀盘开挖，利用前期反井施工成型的导井进行自溜下排渣；设备集成了刀盘开挖系统、主驱动系统、撑靴推进系统、井壁支护系统、物料运输系统、通风系统、液压流体系统、电气系统等。正常掘进主要施工工序包括掘进、出渣、井壁支护、换步、物料运输、管线延伸等。

4 SBE 竖井掘进机装置构造

SBE 竖井扩孔掘进机刀盘直径为 7230mm，主机总长约 11m，总机长度约 27m。主机主要由刀盘、主驱动、推进系统、撑靴系统等组成。上部配套部分包含 5 节平台，其上安装有支护、配套电柜等设备。地面配备一套提升系统，包括凿井井架、天轮、天轮平台、稳车、提升绞车、配套相应设备基础组成，以满足现场人员、物料、SBE 设备掘进辅助、检查维修及SBE 设备拆机等工序施工。

SBE 竖井掘进机井下设备主要由刀盘、主驱动、撑靴推进系统、液压系统、水系统、电气系统构成 ， 采用开挖、出渣、井壁支护同步施工。

图 4-1 SBE 整机布置示意图

5 SBE 竖井掘进机掘进施工方案

5.1 工艺流程

竖井施工共为七个阶段：导井施工→ SBE 始发工作井施工→ SBE 设备组装调试→ SBE 设备始发和掘进→SBE 设备到达和掘进→SBE 接收拆机→竖井贯通段施工。

5.2 始发井施工

根据 SBE 安装施工工艺要求，SBE 始发井深度为 18.5m，始发井直径为 φ7500mm，始发井为钻爆施工，始发井钻爆开挖支护后，支护面应平整、密室，不得有空鼓、空洞，始发井各断面同心度≤ 50mm，支护面平整度≤ 20mm。为确保刀盘及撑靴安装平整度要求，SBE 始发井底部环形平台位置（直径 5m ～ 7.5m 范围）需进行混凝土浇筑，待平台开挖完成后，清除平台浮渣，采用 C30 混凝土进行平台浇筑，浇筑厚度为 20cm，平整度要求≤±5mm。

5.3 SBE 试掘进

在试掘进时确定掘进参数是施工的关键，SBE 推进过程中，根据不同地质、埋深判断围岩的稳定性、可掘性，调整掘进参数。SBE 试掘进期间，主要检验SBE 的协调情况、液压系统、电器系统和辅助设备及溜渣的工作情况，对各设备进行磨合，进一步调整各设备系统使其达到最佳状态，具备正式快速掘进的能力。

5.3.1 试掘进的目的

（1）通过 SBE 试掘进段施工，施工作业人员可基本熟悉设备性能 ， 掌握设备操作、保养的技术要点，并初步总结出本工程掘进参数的选择及控制措施。

（2）通过本段施工，加强对地层的适应，根据不同的围岩情况选择不同的掘进模式，掌握 SBE 掘进参数调整方法，为后续SBE 掘进提供参考依据。

（3）理顺整个施工组织，在 SBE 连续掘进的管理体系中抓住关键线路的控制工序，为后续正常掘进期间的稳产高产奠定基础。

5.3.2 试掘进参数选择

SBE 设备根据转速可分为高速模式和低速模式掘进两种。SBE 始发时掘进参数：刀盘转速1rpm-2rpm，贯入度 1-3mm/r ，推进速度 1mm/min-6mm/min。试掘进过程中，若围岩整体性较好，采用推力控制掘进，总推力控制在2000 ～3000KN。若围岩破碎，采用扭矩控制掘进，扭矩控制在额定扭矩（1905KNm）的75%。

（1）节理不发育的硬岩（Ⅱ类、Ⅲ类）情况下作业：围岩本身的干抗压强度较大，不易破碎，若掘进速度太低，将造成刀具刀圈的大量磨损；若掘进速度太高，会造成刀具的超负荷，产生漏油或弦磨现象，因此，必须选择合理的掘进参数。

（2）节理发育的Ⅲ类围岩状况下作业：掘进推力较小，应选择自动扭矩控制模式，并密切观察扭矩变化，调整最佳掘进参数。

（3）节理发育且硬度变化较大的Ⅳ类围岩状况的作业：因围岩分布不均匀，硬度变化大，有时会出现较大的振动，所以推力和扭矩的变化范围大，必须选手动控制模式，并密切观察扭矩变化。

5.3.3 试掘进段长度确定

结合SBE 刀盘组装施工工艺，SBE 始发井底部设置与刀盘面贴合V 型开挖面，两侧并设置1.25m 宽作业平台，导致 SBE 始发期间，刀具无法全部 受力， 均不能作为参考依据，应在刀盘所有刀具受力后（掘进3 米），方可进行试掘进 日关新 进相关数据参数的准确性及指导性，便于施工作业人员可基本熟悉设备性能， 掌握设备操作、保养的技术要点，试掘进试验段长度确定为50m。

5.4 SBE 掘进

5.5.1 SBE 掘进作业流程

SBE 施工主要是掘进、支护、出渣三大作业，通风、供电、照明、供水等延伸及其他辅助作业，以确保掘进为核心。在掘进作业的同时进行其他作业并行或连续作业，以提高掘进工效为一般原则。在遇到软弱破碎带、涌水等区域时，根据实际情况，进行锚杆安装作业、挂网作业、治水等。

5.5.2 施工准备

（1）接通SBE 主机变压器的电源，使变压器投入使用。待变压器工作平稳后，接通二次侧的电源输出开关，检查 SBE 所需的各种电压，并接通 SBE 及后配套上的照明系统（此项工作在初始掘进施工时进行，除高压电缆接续施工外，一般保持 SBE 变压器连续工作）。同时检查 SBE 上的漏电监测系统，确定接地的绝缘值可以满足各个设备的工作要求。

（2）检查气体、火灾监测系统监测的数据、结果。确定 SBE 可以进行掘进作业。确认所有灯光、声音指示元件工作正常。所有调速旋钮均在零位；检查液压系统的液压油油位、润滑系统的润滑油位，并确认给水、通风正常。

（3）接通 SBE 的控制电源，启动液压动力站、SBE 自身的给水（加压）水泵；确定风、水、电管线延伸等各种辅助施工进入掘进工况；检查测量导向的仪器工作正常，并提供正确的位置参数和导向参数。根据测量导向系统提供SBE 位置参数调整姿态，确保偏斜率在允许误差范围内。

5.5.3 SBE 掘进

确认SBE 具备掘进条件的情况下，首先启动刀盘，刀盘在主推进油缸的推力作用下，刀盘转动并向前推进，撑靴撑紧在洞壁上为掘进机提供主推油缸反作用力，后配套台车通过缓冲装置及稳车提升系统停在隧洞中，刀盘破岩切削下来的渣土由刀仓内溜入先导井完成出渣。与此同时，在后配套支护平台上，完成支护作业。

SBE 在进行掘进作业时，操作手要根据远程监控系统对围岩实时观察，确定掘进模式和掘进参数范围，合理调整掘进推力、刀盘转速、刀盘扭矩实现快速掘进。同时根据导向系统显示的主机位置数据进行 SBE 姿态调整，完成对主机的掘进方向和主机滚动值的调整，使SBE 以合理的姿态工作。

SBE 正常掘进时，刀盘转速控制在 4～8r/min ，贯入度控制在1-3mm/r，掘进速度控制在 4～24mm

5.5.4 SBE 换步及调向

SBE 换步作业：当主推进油缸达到最大掘进行程时，SBE 需要停机换步。此时刀盘停止转动，根据撑靴系统周边围岩情况，将对撑靴慢慢收回，靴板脱离岩壁后，收回推进油缸，再对撑靴撑紧，撑靴撑紧后，后配套吊盘通过稳车提升系统下放0.6m，开始下一个循环掘进，换步完成。

SBE 调向作业：SBE 方向的调节 进调向油缸分区压力，来调节分区油缸不同行程，达到调整设备掘进方向。 般的调节 中心线方向。调节SBE 推进调向油缸每组行程对设备掘进方向的影响 侧行程大于右侧时，TBM 姿态自左向右摆；当前侧行程大于后侧行程时，SBE 姿态 向后摆；依次类推即可调整SBE 的姿态。

5.5.5 刀具检查、更换

SBE 竖井掘进施工主要以岩层为主，掘进过程中对刀具磨损较大，掘进施工中的刀具管理的是很重要的一个内容，如果施工中刀具管理不到位会 加换刀次数，影响施 进度，同时具有一定的风险性。SBE 根据围岩情况，每掘进 3 ～ 5 个行程对刀具进行检查，对松动的螺栓进行紧固，如发现刀具偏磨，查找原因，并更换刀具。SBE 每天固定时间维护，刀具班的人员对刀具进行全面的检查，对发现问题及时处理。

5.5.6 SBE 操作控制程序

主控室是SBE 的心脏，设备上90% 的指令在主控室内操作，其内部安装有操作台，显示仪（包括参数显示、仪表显示、故障显示、状态显示及指示等），PLC 系统、导向系统等。操作台上的操作按钮，控制不同部位设备的运转，必须全面了解设备状态，掌握正确操作的人才能担当主司机。

5.5.7 SBE 设备关键操作要点

上机前操作要点：上机前操作要点是指当班主司机接班后，操作机器前的作业要点：详细了解上一班运转情况及遗留问题，观察各仪表是否正常；检查风、水、电、润滑系统供给是否正常；观察分析围岩类别，选择合理掘进参数；了解上一班开挖偏斜率及支护情况。

掘进时的操作要点：启动内外循环水系统、启动空压机、起动液压润滑泵站；启动刀盘转动，选择刀盘的转速。缓慢推进刀盘靠紧掌子面，待刀盘完全贴合掌子面开始破岩；选择合理的掘进参数进行掘进。掘进期间开始锚杆支护、喷锚、风水电延伸等作业；及时监控掘进机掘进时各种参数变化、出渣情况。掘进时根据掘进机性能参数和地质围岩情况选择该地段掘进的合理参数。

掘进模式的选择及操作控制：若围岩较硬，掘进推力先达到额定值，此时应以推力变化为参照，选择掘进参数，控制推进压力不超过额定值；若围岩节理发育、裂隙较多或遭遇破碎带、断层带等情况时，主要以扭矩变化并结合推进力参数选择掘进参数。

正常停机时的操作要点：SBE 设备维护保养、10kV 高压电缆接引延伸、供排水管的延伸、刀具的检查更换、处理不良地质等情况需要 SBE 掘进停止。掘进施工正常停机，必须按操作的规程顺序停止推进刀盘、停止刀盘喷水、停止刀盘旋转、停止驱动电机；在此情况下一定注意将所有刀盘内的石渣空转完毕后才能停止转动刀盘。

非正常停机时的操作要点：SBE 施工过程中，遇到高压突然断电、停风等不可控情况时，需立即停止各工作面施工。联系洞外调度，确认恢复供电或供风时间，根据实际情况选择待命或撤离；启动应急发电机，保证SBE 通风、照明需求。

5.5.8 SBE 掘进方向控制

SBE 姿态监测是控制 SBE 掘进方向的唯一有效方法和手段。用于本工程的 SBE 姿态监测系统拟配备一套自动导向系统。该系统配置了导向、自动定位、掘进计算程序软件和显示器等，能够全天候地动态显示 SBE 当前位置与设计轴线的偏差以及预测在当前状态下一定距离的偏差趋势。始发测量→掘进阶段的施工测量→贯通测量。

6 SBE 掘进支护进度指标分析

SBE 竖井掘进机是用于竖井开凿施工的专业化设备，设备自身集成施工过程中所有功能，将竖井施工推向工厂化施工时代。SBE 竖井钻机开挖直径 7.23m，支护平台位置配 1 台喷浆机，配 6 台 YT28 锚杆风钻，1 台灌浆泵，开挖支护同步施工。

（1）掘进能力分析：设备纯掘进速度为：0.0085 米 / 分，推进行程为 0.8m，换步考虑 10min/ 循环，同时考虑过程管线延伸、安装及设备检修、刀具更换等因素，综合考虑，掘进速度为 0.4m/h，按照每日 SBE 纯掘进20h 计算，本设备理论掘进效率8m/ 天。

（2）支护能力分析：采用风钻施工，同时施工人员6 人，考虑空间问题，配置6 把风钻（2 台备用），平均每人 3 根锚杆耗时约 1h ；注浆、锚杆同步进行，考虑 0.5h ；挂网 1h ；喷浆采用 1 台 10m3/h 的喷浆机，喷浆1h。综合计算，每掘进1.5m 支护循环共耗时2.5h，平均支护进度0.6m/h。

（3）综合进度能力分析：根据以上SBE 竖井掘进开挖、支护施工效率分析，掘进效率主要制约因素为支护施工，同时考虑过程管线延伸、安装、支护材料运输及设备检修、刀具更换等因素，每日进尺 5m/ 天，每月综合月进尺150m 以上。

7 结论

永嘉抽蓄引水竖井 SBE 掘进及支护施工技术，通过研制“一套 SBE 竖井掘进机成套工装”，应用于深大竖井掘进及支护，达到了“三提高和一减少”的技术效果，即提高了竖井开挖效率、提高了经济效益、提高了施工安全性、减少了人工作业。该技术通过在永嘉抽水蓄能电站 1#、2# 引水竖井开挖支护的实验及应用，效果显著，技术成熟、可靠、适用性强、投入成本低，作业人员容易掌握，为深大竖井施工提供了宝贵经验，值得同类工程推广应用。

参考文献：

[1] 丁张飞， 等. 全断面竖井掘进机关键技术[J]. 建筑施工机械和设备.2022，11（5）

作者简介：

陈小锐（1988.01），男，籍贯四川遂宁，中国水电五局，本科，高级工程师，从事工程技术管理。

王冬冬（1990.02），男，籍贯四川成都，中国水电五局，本科，高级工程师，从事工程技术管理。