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乌东德水电站大型竖井快速安全开挖技术研究与应用

文档作者：董少正齐界夷文档来源：中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司		点击数：	更新时间： 2025年08月29日
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上一篇：浙东沿海城市洪水预报模型建设研究

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１ ００
施 工 技 术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１７ 年７ 月下
第４６ 卷 第１４ 期
ＤＯＩ：１０. ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１７１４０１００
乌东德水电站大型竖井快速安全开挖
技术研究与应用
董少正，齐界夷
（中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 ４４３００２）
［摘要］ 介绍了金沙江乌东德水电站大型竖井工程开挖新技术，分析了主要技术创新点。该施工技术程序简单，工
效高，使施工安全更有保障。
［关键词］ 地下工程；竖井；开挖；施工技术
［中图分类号］ Ｕ４５５. ８ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１７）１４⁃０１００⁃０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆａｓｔ ａｎｄ Ｓａｆｅ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｆｏｒ Ｗｕｄｏｎｇｄｅ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ Ｓｈａｆｔ
ＤＯＮＧ Ｓｈａｏｚｈｅｎｇ， ＱI Ｊｉｅｙｉ
（Ｃｈｉｎａ Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｇｒｏｕｐ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． ， Ｌｔｄ． ， Ｙｉｃｈａｎｇ，Ｈｕｂｅｉ ４４３００２， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｈａｆｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｊｉｎｓｈａ Ｒｉｖｅｒ
Ｗｕｄｏｎｇｄｅ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ， ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔｓ． Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，
ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｈｉｇｈ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ ｉｓ ｍｏｒｅ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｓｈａｆｔ； ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ； ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
［作者简介］ 董少正，高级工程师， Ｅ⁃ｍａｉｌ：３９４２５２０３３＠ ｑｑ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１６⁃１１⁃２８
０ 引言
目前，随着水电事业的不断发展，我国开阔地
带水利枢纽工程逐步饱和，大型水电开发逐步转移
至西南地区。西南地区多为窄束河谷地形，坝型多
采用拱坝，地下电站布置于两侧山体内，由不同功
能的平洞、竖井等地下洞室组成，竖井为应用普遍
的洞型。
我国竖井开挖技术自１９９２ 年引入反井钻机后，
机械化施工水平有了较大提高，但往往受施工成本
制约，对于大型竖井开挖，一般采用小型反井钻机
施工导井，直径通常为１. ４ｍ，为降低堵井几率，在反
井钻机施工ϕ１. ４ｍ 导井后再采取人工扩挖方式将
导井断面扩大，考虑扩挖断面不进行支护，为保证
施工安全，扩挖采取自下而上人工手风钻钻孔爆
破；受导井直径限制，手风钻钻杆长度一般为１. ０ｍ，
则扩挖后形成的溜渣井断面直径为３. ４ｍ。溜渣井
扩挖形成后，再进行自上而下的扩挖施工，扩挖采
用手风钻钻孔、人工装药爆破、人工扒渣方式进行。
上述施工方法虽然应用较广，但仍存在较大问
题，如在进行溜渣井反向扩挖时，人员通过上部布
置的卷扬机提升系统挂吊笼方式上下作业，安全风
险很大；人工扩挖形成的溜渣井井壁凹凸不平，甚
至轴线扭曲，在溜渣过程中反而更容易堵井，而一
旦堵井，其处理不仅费工费时且较危险；正向扩挖
时采用手风钻钻孔，效率较低，人工扒渣不仅效率
低下，且安全风险极大，扒渣人员坠井事故案例不
在少数。
在当前安全生产要求越来越高、越来越规范，
越来越重视以人为本的大趋势下，传统的施工方法
显然已不能满足需要。为此，依托乌东德水电站大
型竖井工程，对大型竖井开挖技术进行研究和探索
创新，实现大型竖井快速安全开挖。
１ 工程概况
乌东德水电站是金沙江下游河段（攀枝花市至
宜宾市）４ 个水电梯级———乌东德、白鹤滩、溪洛渡、
向家坝中的最上游梯级，工程枢纽建筑物主要由挡
水建筑物混凝土双曲拱坝、泄水建筑物、引水发电
建筑物等组成，为我国在建第三大水电站。其中左
岸地下水电站布置６ 条引水隧洞和１ 条出线竖井，
引水隧洞由上平段、上弯段、竖井段、下弯段和下平
段组成，开挖直径为１６. １ｍ，其中竖井段最大开挖深
度约９２. ０ｍ；出线竖井开挖直径为１４. ２ｍ，分为２ 万方数据
２０１７ Ｎｏ． １４ 董少正等：乌东德水电站大型竖井快速安全开挖技术研究与应用 １ ０１
段：第１ 段开挖深度为１３４ｍ，第２ 段开挖深度为
１４６ｍ。该竖井规模居世界前列。投标阶段采用“引
言”所述传统开挖方法进行开挖，施工阶段由于乌
东德工程建设对安全生产的要求更加严格，更加注
重以人为本，同时对生产效率也有更高要求。为
此，工程技术人员经认真研究和现场实践，并根据
现场实际情况优化调整，最终研发出一套大型竖井
开挖新技术。该项施工技术简化了施工程序，降低
了安全风险，同时进一步提高机械化施工水平，并
通过研发配备辅助设施，在提高工效的同时保证安
全；另外，应用先进的测量仪器对开挖质量进行
控制。
图１ 小直径溜渣井式竖井开挖工艺流程
Ｆｉｇ． １ Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｍｕｃｋｉｎｇ ｓｈａｆｔ
２ 主要技术难点
针对传统施工方法存在的不足和问题，在研究
大型竖井开挖新技术初期，分析总结主要需解决以
下技术难点。
１）大型竖井开挖传统施工方法为：反井钻机施
工ϕ１. ４ｍ 导井→自下而上人工反扩形成ϕ３. ４ｍ 溜
渣井→自上而下二次扩挖至设计断面，该方法的主
要不足或问题：①人工反扩溜渣井时，人员须站在
吊笼内进行钻孔、装药等作业，工作面狭小，工作环
境恶劣，并且井壁没有任何支护，受爆破震动及不
良地质情况的影响极易出现掉块或者垮塌，威胁吊
笼内人员安全。②由人工钻爆开挖形成的溜渣井
井壁凹凸不平，轴线扭曲变形，溜渣时极易发生堵
井。堵井发生后，处理困难，安全风险大，且耽误工
期。③由于溜渣井直径较大，井口防护困难，人工
扒渣或井内钻孔时安全风险高。如何降低或避免
反扩溜渣井过程中的安全风险，同时降低堵井几
率、加快进度，是主要技术难点之一。
２）传统施工技术为井内采用人工扒渣，需配置
较多数量的人工，但工效不高；更为重要的是人工
扒渣过程中为便于溜渣，作业面基本处于漏斗形，
而井口直径较大，往往会出现爆渣垮塌而造成扒渣
人员坠井，导致群死群伤事故。如何解决人工扒渣
施工工效低、安全风险大的问题是另一个技术难点。
３）尽可能多地使用大型设备是提高工效的有
效途径，但如何使大型设备的进出井吊运达到既高
效经济，又安全方便，是又一技术难点。
３ 主要施工技术
３. １ 小直径溜渣井式竖井开挖技术
本施工技术采用反井钻机施工的ϕ１. ４ｍ 导井
直接作为溜渣井，自上而下全断面爆破一次开挖至
设计断面（见图１）。首先该方法省去了传统方法中
人工反扩溜渣井工序，因此直接避免了人工反扩溜
渣井所带来的一系列问题；其次，由反井钻机反拉
形成的溜渣井具有井壁光滑、轴线顺直的特点，再
通过优化爆破参数，完全满足溜渣需要。较传统施
工技术具有速度快、安全风险低、节约成本等优点，
提高了施工工效，且降低了堵井几率。
溜渣结束后采用载物吊篮或井盖对溜渣井井
口进行封闭防护，与传统施工方法中大直径的溜渣
井相比，本技术中溜渣井井口防护更简单、方便，无
论是在溜渣还是其他作业过程中安全均更有保障。
３. ２ 大型提升系统综合应用及机械化作业
针对竖井施工通道布置困难的特点，采用门式
起重机、大型卷扬机等提升设备作为人员、材料、设
备运输的主要手段。
１）对于有足够宽度平台的出线竖井，在井口布
置门式起重机（见图１），可满足吊运大型设备的需
万方数据
１ ０２ 施工技术 第４６ 卷
要，小型机具及材料的吊运自然解决，井内进行扒
渣、钻孔、支护等作业。
出线竖井井口布置门式起重机作为设备、材料
垂直吊运手段，实现了井内大型钻机钻孔、机械化
（中小型反铲）扒渣，使大型竖井开挖达到了全面机
械化施工水平，施工工效和安全性大大提高；该方
法不仅解决了开挖支护期设备、材料的垂直运输，
满足开挖支护施工需要，且可沿用至混凝土施工期。
２）对于井口无足够宽度岩台的引水竖井，以卷
扬机作为主要提升设备，在引水洞上弯段布置２ 组
天锚作为吊点。上部设置弯段的竖井开挖方法示
意如图２ 所示。
图２ 上部设置弯段的竖井开挖方法
Ｆｉｇ． ２ Ｓｈａｆｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｐａｒｔ
ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｎｄ ｓｅｃｔｉｏｎ
另外为满足设备、材料垂直吊运的要求，在井
口设置“竖井施工可滑动井盖”（见图２，图３）。“竖
井施工可滑动井盖”主要由主梁（含轨道）和上部滑
动井盖２ 部分组成。施工时，先关闭滑动井盖→设
备、材料停放在平台上→将设备、材料吊起→打开
滑动井盖→设备、材料运送下井。
图３ 竖井施工可滑动井盖使用影像
Ｆｉｇ． ３ Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｌｉｄｉｎｇ ｃｏｖｅｒ ｆｏｒ
ｓｈａｆｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
引水竖井采用“竖井施工可滑动井盖” ＋ 卷扬
系统进行设备材料的提升，实现了井内大型钻机钻
孔、机械化（反铲）扒渣，使大型竖井开挖达到全面
机械化施工水平，施工工效和安全性大大提高；该
方法不仅解决了开挖支护期设备、材料的垂直运
输，满足开挖支护施工需要，且可沿用至混凝土施
工期。
３）沿竖井井壁布置载人吊篮，吊篮采用成品建
筑吊篮，自带小型提升机，配备安全绳、安全锁、防
坠器等安全设施。实现载人、载物系统的分离，方
便现场施工及建设“四方”对竖井施工安全质量的
管理。与传统沿井壁布置爬梯相比，载人吊篮运行
速度更快，安全可靠性更高，也避免了人员上下井
过程中因疲劳或脚下失稳而引发安全事故。
４）井内机械化作业
传统的竖井井内由于施工通道布置困难，大型
设备难以入井，作业主要以人工方式为主，机械化
程度低，施工速度慢。本项目中布置门式起重机、
卷扬机提升系统及相应的提升辅助设施，使得大型
竖井施工全面机械化成为可能。利用提升系统及
提升辅助设施将ＣＭ３５８ 型液压钻机吊运至工作面
进行主爆孔钻孔，爆破完成后采用反铲吊进行扒渣。
采用上述方式进行施工，机械化水平达到了国
内领先，施工速度快，安全可靠性高。
３. ３ 其他辅助措施
１）优化爆破参数
本项目采用ϕ１. ４ｍ 溜渣井进行溜渣，对爆破块
石粒径要求较严格（Ｄｍａｘ ≤１００ｃｍ），为避免发生堵
井事故，需对爆破设计进行深入研究。
由于采用液压钻机进行主爆孔钻孔，炮孔直径
为９０ｃｍ，装药直径７０ｃｍ。井圈采用密孔，溜渣井井
口一圈采用密孔，间距约１. ４ｍ，其余间距为１. ６ ～
３. ０ｍ。缓冲孔和周边孔采用手风钻钻孔， 孔径
４２ｍｍ，装药直径为３２ｍｍ 和２５ｍｍ，间距为９０ｃｍ 和
５０ｃｍ。典型爆破设计如图４ 所示。
图４ 竖井开挖典型爆破设计
Ｆｉｇ． ４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｙｐｉｃａｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ
ｆｏｒ ｓｈａｆｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
本项目采用上述优化的爆破设计后，自开工以
万方数据 来未出现堵井事故，爆破块石粒径、爆破单响、质量
２０１７ Ｎｏ． １４ 董少正等：乌东德水电站大型竖井快速安全开挖技术研究与应用 １ ０３
均满足设计要求。与传统手风钻（孔径４２ｍｍ） 相
比，主爆孔数量由原设计的９３ 个减少为４６ 个，每个
循环进尺也由原设计的３. ０ｍ 提高至３. ５ ～ ４. ０ｍ，
单个循环节约人员投入６ 人，节约工期１２ｈ。
２）竖井开挖精度控制技术
目前工程测量中经纬仪、全站仪这些先进测量
仪器应用已十分广泛，竖井开挖也不例外，通常仪
器一般架设在井口周边，但对于深度较大竖井，开
挖至一定深度后，会出现视线受阻，需采用布置激
光梁等措施满足测量需要，测量方法较繁琐，且需
经常校核激光梁，影响开挖质量。为控制竖井垂直
度满足设计要求，一般采用垂球法或激光投点仪法
在竖井开挖过程中每隔一定距离进行测量标记，这
些方法虽然能满足施工需要，但操作相对复杂。本
技术利用在门式起重机或“竖井施工可滑动井盖”
安装天底仪（垂准仪），利用天底仪发出的一条与竖
井轴线重合的可见激光产生一条向上或向下的铅
垂线，该激光线可在竖井开挖掌子面井盖投影出一
激光点，只要保证开挖每一循环这一投影点、激光
的发出点与竖井设计轴线重合，即可利用该点进行
掌子面的测量放样，从而保证开挖钻孔的精度，进
而控制超欠挖和垂直度，其精度可达到１／４０ ０００，１／
５０ ０００，１／１００ ０００ 等多个等级，可满足不同要求的
竖井开挖，使用操作简便，对保证开挖质量十分有
利，优良的开挖质量是后期混凝土浇筑体型、整体
垂直度以及电梯等设备安装满足要求的基础。
４ 主要技术创新点
１）小直径溜渣井式竖井开挖技术 传统竖井
开挖在反井钻机反拉形成ϕ１. ４ｍ 导井后，还需反扩
成ϕ３. ４ｍ 溜渣井。本项技术直接利用ϕ１. ４ｍ 导井
进行溜渣，省去了反扩ϕ３. ４ｍ 溜渣井工序，即避免
了反扩溜渣井带来的安全风险，加快了施工进度，
降低了施工成本；利用反井钻机施工小导井轴线竖
直、壁面光滑特点，并优化爆破设计，降低堵井几率。
２）大型提升系统综合应用及机械化作业 竖井
井口布置门式起重机、“竖井施工可滑动井盖”作为
设备、材料垂直吊运手段，实现了井内大型钻机钻孔、
机械化（反铲）扒渣的施工方法，使大型竖井开挖达
到了全面机械化施工的水平，大大提高施工工效，加
快了施工进度，降低了施工风险。门式起重机亦可作
为后期混凝土、金属结构施工垂直吊运手段。
３）研制了一种“竖井施工可滑动井盖”（专利
号：ＺＬ２０１５２０３８０７１４． Ｘ），为采用卷扬机提升系统的
大型竖井开挖、使用机械设备扒渣提供了安全保障。
５ 结语
大型竖井开挖新技术在乌东德水电站左岸引
水竖井和出线竖井开挖支护工程中得到了成功应
用，由于直接采用ϕ１. ４ｍ 导井进行溜渣，避免了导
井人工反扩带来的安全风险，简化了施工程序，加
快了施工进度。布置大型可综合利用的提升系
统，使井内机械化作业得以实现，原计划每个循环
进尺３. ０ｍ，现增加至３. ５ ～ ４. ０ｍ；原计划每个循
环开挖支护需２０ 人（２ 班），时间４ｄ，现只需工人
１４ 人，时间３ｄ，综合节约工期约５５ｄ／１００ｍ。使用
优化的大孔径（９０ｍｍ）主爆孔进行爆破，钻孔、装
药速度快，联网简单，爆渣粒径满足设计要求，根
据相关单位监测数据结果，未出现过爆破震动超
标现象。
参考文献：
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工技术，２０１５，４４（１１）：１１３⁃１１６．
（上接第３０ 页）
根据专家论证过的方案，项目部在施工现场根
据施工方案进行了模型试验，为最终优化方案做出
了有利保障。小模型面积约２００ｍ２。
３ 结语
采用十字盘脚手架＋ 造型木施工异形薄壳混
凝土结构是切实可行的，该技术可明显缩短施工工
期，保证工程的整体性。目前国内尚无异形薄壳混
凝土结构施工案例可供借鉴，大同大剧院工程的顺
利施工为以后同类型的建筑物施工起到一定的指
导作用。
参考文献：
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