引水斜井開挖施工技術(shù)

王勝仙

（吉林市水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林省吉林市 132013）

1 概述

引水壓力管道斜井由上彎段、斜井段和下彎段三部分組成，上、下彎段垂直轉(zhuǎn)彎半徑為25m，轉(zhuǎn)彎角度為55°，開挖斷面呈直徑6.7m的圓形，洞中軸線長度為 23.998m；斜井段是連接上、下彎段的直線段，洞軸線與水平面夾角為55°，開挖斷面同上、下彎段相同，斜井段長度為272.207m。

引水壓力管道斜井地面為斜坡地形，坡度30～35°，地面高程1840～2019m，地表弱風(fēng)化巖裸露，巖性黑云母花崗巖，巖體較完整～完整，屬塊狀～整體狀結(jié)構(gòu)，微透水性，結(jié)構(gòu)面以節(jié)理為主，面多閉合，屬Ⅱ～Ⅲ類圍巖。有 F4斷層通過，走向與洞向交角約50°，帶寬10cm，帶內(nèi)夾泥，厚1～2cm，面平直，沿面有裂隙水出露，其下盤影響帶寬2.0m，上盤影響帶寬1m，斷層帶內(nèi)圍巖為Ⅴ類，影響帶內(nèi)圍巖為Ⅳ類。

2 施工方案比選

水利工程施工中一般將傾角 25°～70°的視為斜井，其施工難度比豎井和平洞大，而且不能象豎井施工那樣可以進行垂直運輸。另外，施工導(dǎo)向控制和斜井體型控制也比豎井和平洞難度要大。施工作業(yè)周期比豎井和平洞要長很多，許多可以節(jié)省人力的開挖設(shè)備也無法用于斜井施工。

通過查閱有關(guān)斜井開挖資料，目前斜井開挖施工較實用的方式有兩大類。第一類是全斷面開挖法、第二類是先開挖導(dǎo)井再擴挖成型法。

全斷面開挖法可全斷面直接由上至下貫通，不需導(dǎo)井施工，且不受下平段施工約束，上部施工具備條件即可施工。但出渣施工由上部吊運，井內(nèi)無法布置效率高的機械設(shè)備，出渣工序的效率非常低，不能保證斜井施工進度，且由于斜井施工高度過大，沒有形成施工通風(fēng)的回路，施工通風(fēng)困難。

先開挖導(dǎo)井再擴挖成型方法包含吊罐、反井鉆機、爬罐等幾種施工方法，導(dǎo)井貫通后形成自然通風(fēng)回路，通風(fēng)條件好，出渣渣料由導(dǎo)井溜下，從下部通道運出，較為方便且施工效率高，施工進度能夠得到保障。但導(dǎo)井偏斜率比較難控制，受下部是施工通道開挖及支護施工制約，在其未貫通之前無法開挖導(dǎo)井，且施工成本較高。

根據(jù)各方法施工特點，結(jié)合工程實際，經(jīng)方案比選本工程采用 ALIMAK爬罐開挖反導(dǎo)井，一次正井?dāng)U挖成型的施工方法。

3 施工方法

斜井開挖應(yīng)首先將上、下彎段進行部分開挖，使之在斜井上部和下部各形成一個便于施工的平臺，然后采用 ALIMAK爬罐自下而上開挖導(dǎo)井，導(dǎo)井全部貫通后，利用手風(fēng)鉆自上而下進行擴挖，將上、下彎段剩余部分及斜井段一次擴挖成型。

3.1 上、下彎段開挖方法

上彎段開挖主要分兩部分進行開挖，第一部分利用引水壓管上平段鉆爆臺車沿上平段方向一直向前開挖，頂拱按設(shè)計要求逐漸降坡，開挖成弧形，底板開挖成與上平段同樣高度的平面，當(dāng)斜井段導(dǎo)洞開挖完成后，利用導(dǎo)洞將上彎段的下部與斜井段擴挖一同挖除。

下彎段開挖同樣需分兩部分挖除，首先沿下平段一直向下彎段方向開挖，使底板超挖一部分，使之形成一個平臺，以便于裝載機出渣，下彎段上部剩余部分隨斜井段擴挖一同挖除。

3.2 斜井導(dǎo)井開挖施工

導(dǎo)井開挖主要采用STH5-DD型ALIMAK爬罐作為施工上下交通工具，人工利用氣腿鉆進行開挖施工，導(dǎo)井開挖斷面呈 2m×2m的方形斷面。ALIMAK爬罐工作示意圖見圖1。

圖1 斜井導(dǎo)井開挖ALIMAK爬罐工作示意圖

（1）導(dǎo)井施工工藝流程

導(dǎo)井施工工藝流程如圖2所示。

圖2 導(dǎo)井施工工藝流程圖

（2）導(dǎo)井開挖施工布置

供風(fēng)、供水、供電：斜井反導(dǎo)井開挖所需風(fēng)、水、電均由 4＃施工支洞的主管線延伸至下彎段，再通過支管線與 ALIMAK爬罐軌道所設(shè)置的管線相連接，將風(fēng)、水、電供至施工作業(yè)面。

通風(fēng)：采用空壓機風(fēng)帶水管在開挖面形成雨霧，將作業(yè)面煙塵排至下平洞后由下平洞通風(fēng)系統(tǒng)排出洞外。

排水：施工排水系統(tǒng)利用下平洞開挖時已形成的排水系統(tǒng)。

施工通訊：導(dǎo)井施工時，配備2臺高頻對講機，主要用于斜井下部和爬罐的通訊聯(lián)系，同時，在爬罐上備有有線對講電話，做為備用對講方式。

（3）爬罐安裝運行

①爬罐平臺：在下平洞搭設(shè)爬罐平臺，平臺由頂拱錨桿懸吊加固，錨桿采用?22鋼筋，間距1.5m，與水平面呈60°角錨入巖體3.0m，外露2.8m，平臺距頂拱約3m，寬4m，長20m。

②軌道安裝：安裝高程距洞頂約 50cm，反導(dǎo)井口與下平段間安裝弧形軌道，繼而向兩端延伸。

③爬罐安裝：爬罐組件由5噸手拉葫蘆吊至搭設(shè)好的平臺，組件安裝在平臺和軌道上進行。

④爬罐安全性能試驗：在爬罐的運行當(dāng)中，安全問題是最重要的問題。如果主罐在運行過程中出現(xiàn)故障，則可利用副罐進行救援及維修工作。

主、副罐制動系統(tǒng)均由一個手動制動器、兩個離心式制動器組成。在正常情況下，采用手動制動器及電源對爬罐進行制動控制。在手動制動器受到損壞的情況下，若爬罐失去控制，則當(dāng)爬罐速度達到0.9m/s時，兩個離心式制動器自動啟動，直到爬罐緩慢停下來為止。為了確保萬無一失，要對主罐及副罐的安全裝置進行空載及負(fù)載試驗。

（4）導(dǎo)井開挖施工方法

①領(lǐng)先導(dǎo)井開挖。領(lǐng)先導(dǎo)井采用人工開挖，開挖深度為4～5m，斷面尺寸同反導(dǎo)井相同。

②導(dǎo)井鉆孔爆破：爆破鉆孔采用YT28氣腿鉆在爬罐上進行，鉆孔孔徑Φ42mm，孔深1.8m，循環(huán)進尺1.5m。

③出渣：反導(dǎo)井開挖石渣順導(dǎo)井溜至下平洞，由WA380裝載機裝20t自卸車運至渣場。為便于反導(dǎo)井出渣及斜井?dāng)U挖出渣，需在下彎段進行局部超挖，以使底部形成一個較好的出渣平臺。

3.3 斜井?dāng)U挖施工

斜井?dāng)U挖由上至下進行，在擴挖施工中為混凝土施工作必要的準(zhǔn)備。擴挖按深度不同分兩種施工方法，在擴挖30m范圍內(nèi)，由于作業(yè)面距井口距離較短，不能滿足擴挖臺車運行系統(tǒng)安全運行范圍，故采用巖壁爬梯作為施工人員的交通及材料、工具的運輸通道，當(dāng)擴挖深度大于30m以后采用擴挖臺車施工。

（1）擴挖施工工藝

擴挖施工工藝流程如圖3所示。

圖3 擴挖施工工藝流程

（2）擴挖施工布置

①供風(fēng)、供水：擴挖所需風(fēng)、水管線均從 3-2＃施工支洞和上平洞施工形成的系統(tǒng)接引布置，在擴挖臺車的兩軌之間分別安裝Φ108mm和Φ50mm鋼管分別做為供風(fēng)和供水管線，管線的長度可根據(jù)開挖進尺情況逐漸延伸，管線采用錨筋固定在巖壁上，作業(yè)面前30m采用膠皮管，以便在放炮時隨擴挖臺車一起撤離作業(yè)面。

②供電：動力線、照明線和通訊線布置在井壁高處。在井筒內(nèi)每20m設(shè)一盞220V白熾燈，在擴挖臺車上安放一臺BJZ行燈變壓器，臺車上使用電壓36V的安全照明。另外，臺車上布置一臺單相電焊機，用于隨時對管線進行加長。

③排水：擴挖施工用水全部通過導(dǎo)洞排入下平洞排水系統(tǒng)進行集中排放。

④擴挖交通：斜井?dāng)U挖施工前30m主要利用爬梯作為人員和設(shè)備的施工通道，當(dāng)擴挖超過 30m后，在斜井安裝一臺運輸臺車，主要運送開挖設(shè)備及材料，同時臺車停留后還可做為管線、爬梯等設(shè)施安裝及錨噴支護的施工平臺。

⑤施工通訊：斜井?dāng)U挖時，配備四臺高頻對講機，主要用于斜井頂部、卷揚控制、臺車及開挖作業(yè)面之間的聯(lián)系。

（3）井口平臺

為方便材料和設(shè)備在井口處裝卸及人員上、下車安全，在井口布設(shè)一個型鋼制作的施工平臺，鋼結(jié)構(gòu)架底部與錨桿相連，上部利用3cm厚木跳板搭設(shè)成平臺，木板與鋼結(jié)構(gòu)之間采用鐵線綁扎連接。

（4）擴挖臺車結(jié)構(gòu)形式

擴挖臺車大致呈三角形結(jié)構(gòu)，共兩層平臺，上層平臺主要用于錨噴支護施工和輸送風(fēng)管、鉆具等用處，下層平臺用于放置電焊機和輸送風(fēng)、水管線、鋼爬梯、臺車軌道等材料，作為施工輔助設(shè)施跟進施工之用。

（5）擴挖施工方法

為確保開挖施工有一個良好的作業(yè)面，擴挖掌子面始終保持呈水平面，以便于人員施工。

其開挖工序為：施工準(zhǔn)備→測量放樣→布孔→鉆孔→驗孔→裝藥堵塞→聯(lián)網(wǎng)→起爆→安全檢查→掌子面清理→出渣→下一循環(huán)開挖。

3.4 支護施工

引水壓管斜井在開挖過程中錨噴支護采用跟進施工的方式進行，施工時依據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場圍巖狀況，采取必要的安全支護方式。在壓管上平段儲備一定數(shù)量的錨桿、噴射混凝土材料以及有關(guān)設(shè)備，以應(yīng)急需，錨桿施工采用先注漿后安插錨桿的施工方式進行。支護錨桿孔采用手風(fēng)鉆造孔，注漿機注漿，人工安插錨桿。

（1）錨桿支護施工方法

斜井砂漿錨桿采用“先注漿，后插錨桿”的施工方法。其施工工序為：施工準(zhǔn)備→布孔→鉆孔→清孔→驗孔→砂漿拌制→注漿→安插錨桿→錨桿待強→錨桿拉拔試驗。

（2）掛鋼筋網(wǎng)施工方法

掛鋼筋網(wǎng)施工在噴混凝土以前、錨桿安插完畢以后進行，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時，可先素噴一層后，再進行掛網(wǎng)鋼筋的施工。

施工時利用擴挖臺車作為施工平臺，掛網(wǎng)鋼筋利用已完成的錨桿進行焊接固定，鋼筋網(wǎng)應(yīng)盡可能貼近巖石，避免與巖石之間出現(xiàn)較大縫隙。

（3）噴混凝土施工方法

本工程噴射混凝土施工工藝流程為：

施工準(zhǔn)備→施工面清理→設(shè)置標(biāo)尺→混凝土拌制→初噴試驗→分層噴混凝土→場地清理→灑水養(yǎng)護。

①噴混凝土應(yīng)在相應(yīng)部位的錨桿和掛網(wǎng)施工全部完成后進行。

噴射混凝土前，采用高壓風(fēng)或高壓水將巖面清洗干凈，包括清除所有松動巖塊及其它影響噴混凝土粘結(jié)的污物、贓物等。

對遇水易于崩解、膨脹的松軟破碎圍巖，不得用高壓水沖洗巖面，以防止圍巖產(chǎn)生塌方，可用高壓風(fēng)清除巖粉和浮渣。

②圍巖中內(nèi)泥、礦物雜質(zhì)及明顯的松軟破碎帶，應(yīng)將表面挖掉一部分（其深度約等于所處洞室的噴混凝土的厚度），再進行施工，且應(yīng)適當(dāng)增大噴層厚度。

③現(xiàn)場采用混凝土噴射機按設(shè)計配比進行混凝土攪拌噴射?；炷恋呐浜媳缺仨毥?jīng)過實驗室確定給出，在現(xiàn)場氣溫相同條件下，進行水泥凈漿凝結(jié)試驗，確定速凝劑摻量。配合比和水灰比在施工過程中進行合理調(diào)整，盡量減少水泥和水的用量，取得最優(yōu)配合比。

④噴射作業(yè)開始，先在受噴面上噴2cm厚1∶3的水泥砂漿，以減少回彈量，然后再分層噴射。一次噴厚一般應(yīng)大于最粗骨料粒徑的1.5倍。

局部凸處噴混凝土厚度不得小于設(shè)計厚度的三分之二。

⑤噴頭噴射方向盡量與受噴面垂直，并稍向剛剛噴完部位傾斜。

⑥噴頭和受噴面之間的距離一般在 0.5～1.0m左右。

⑦噴射順序應(yīng)遵循自上而下、先凹后凸的原則。對深度為20cm左右的局部小凹坑，應(yīng)分層噴射。

⑧噴混凝土結(jié)束4～8h后，及時進行表面灑水養(yǎng)護，并保持表面濕潤。

4 結(jié)語

采用爬罐開挖斜井在實際施工中取得了較好效果。

通過工程施工應(yīng)用，采用爬罐自下而上開挖反導(dǎo)井，人工一次正井?dāng)U挖的施工方法適應(yīng)于中等洞徑，傾角大于45°的斜井開挖施工，具有通風(fēng)良好、出渣方便、施工效率高、施工進度有保障、安全性好等優(yōu)點，是一種安全實用的斜井施工技術(shù)。