新疆JH一級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)工程長斜井開挖施工技術(shù)

孔德謙，柴 韜，何 陶

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610000)

1 工程概況

新疆JH項目一級發(fā)電引水系統(tǒng)引水隧洞斜井全長258m，與水平夾角60°，開挖洞徑7.9m，石方開挖方量約1.5萬m3。巖性以灰黑色中厚層夾薄層狀凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)硅質(zhì)砂巖為主，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖塊間膠結(jié)程度差，存在裂隙不利組合，圍巖穩(wěn)定性差。斜井大部分洞段位于地下水位以下，存在外水壓力及涌水問題，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。對比分析我國已建和在建的大型水電引水隧洞開挖洞徑與圍巖等別(見表1)[1-6]，JH項目一級發(fā)電引水系統(tǒng)引水隧洞雖洞徑較小，但圍巖以Ⅳ類為主，局部有Ⅴ類，與類似工程相較，施工難度較大。

表1 國內(nèi)近期已建和在建大型水電工程引水隧洞洞徑

2 斜井開挖施工方法

2.1 斜井開挖施工方法

斜井開挖施工方法于20世紀(jì)50年代最早出現(xiàn)在美國與德國的采礦工程領(lǐng)域，該方法將隧道掘進(jìn)機(jī)和鉆井法鑿井機(jī)結(jié)合形成的井筒施工設(shè)備，用于施工礦山地下暗井、溜井、礦倉等導(dǎo)井工程。我國在80年代將反井鉆機(jī)斜井開挖技術(shù)應(yīng)用于煤礦地下工程中，煤炭科學(xué)研究總院研制出LM系列反井鉆機(jī)，其中LM-120型反井鉆機(jī)1986年第一次應(yīng)用在開灤趙各莊礦，LM-200型反井鉆機(jī)在1992年4月首次應(yīng)用于十三陵抽水蓄能電站，完成直徑1.4m、深度158m出線豎井導(dǎo)井施工。斜井開挖施工技術(shù)先后在國內(nèi)大多數(shù)水電站和抽水蓄能電站等工程應(yīng)用，最大豎井深度316m，最大斜井長度236m(傾角50°)，由于斜井施工技術(shù)具有安全、快速、高質(zhì)量等優(yōu)勢，在地下工程建設(shè)具有良好應(yīng)用與推廣價值。

2.2 正、反井鉆法

根據(jù)《水工建筑物地下工程開挖施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5099-2011)[7]及類似施工經(jīng)驗，斜井開挖方式一般為正井法和反井鉆法。正井法使用范圍較廣，不受地質(zhì)條件影響，但安全隱患較多、施工進(jìn)度較緩；反井鉆法更高效、安全、使用更為廣泛，一般用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖中，對地質(zhì)條件要求較高。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖地質(zhì)條件下，長斜井若采用反井鉆施工，可采用預(yù)固結(jié)灌漿先加固圍巖進(jìn)行解決，但一般情況下，這類圍巖中不用反井法，而用正井開挖一次到位，邊開挖邊支護(hù)成型。

考慮到正井法施工安全隱患、工期制約、施工成本等因素影響，本工程決定采用反井鉆法施工。因圍巖破碎，自穩(wěn)能力差，成孔、成井困難，必須對斜井圍巖進(jìn)行加固處理。通過查閱規(guī)范，灌漿孔頂角垂直或小于5°的鉆孔在100m時的偏差達(dá)到2.5m；大于5°的斜孔和深度大于100m的斜孔的偏差將更大，超過2.5%。如果對250m的斜井直接進(jìn)行固結(jié)灌漿，其偏差將超過10m，根據(jù)相鄰建筑物豎井深孔預(yù)固結(jié)灌漿擴(kuò)散范圍，灌漿布孔數(shù)量將達(dá)到10個以上，且在250m深斜孔(與水平面夾角60°)灌漿中，很難保證固結(jié)灌漿有效范圍控制在導(dǎo)井周邊圍巖內(nèi)，具有較大的風(fēng)險性。因此，本工程需增加一條施工支洞，既可保證預(yù)固結(jié)灌漿效果，也可優(yōu)化預(yù)固結(jié)灌漿孔數(shù)。為了保證斜井?dāng)U挖溜渣過程中導(dǎo)井井壁不發(fā)生坍塌，導(dǎo)井形成后及時安裝鋼護(hù)筒進(jìn)行護(hù)壁。

新疆JH項目引水隧道斜井開挖工程采取預(yù)固結(jié)灌漿、施工支洞、鋼護(hù)筒護(hù)壁等施工措施，有效地保證了反井鉆法在特殊地質(zhì)條件下長斜井中的應(yīng)用。

3 斜井施工難點

(1)從安全、工期、成本等影響因素對比分析特殊地質(zhì)條件下長斜井開挖施工方法；

(2)若采用反井鉆法，需改善地質(zhì)條件，對圍巖進(jìn)行預(yù)加固處理；

(3)通過查閱規(guī)范，大于100m的孔斜偏差很難控制，如果對250m的斜井直接進(jìn)行固結(jié)灌漿，其偏差將超過10m，很難保證固結(jié)灌漿有效范圍控制在導(dǎo)井周邊圍巖內(nèi)，具有較大的風(fēng)險性；

(4)是否增加施工支洞，控制孔斜、保證預(yù)固結(jié)灌漿效果，優(yōu)化灌漿孔數(shù)；

(5)固結(jié)灌漿只是預(yù)加固導(dǎo)井周邊圍巖，導(dǎo)井形成后是否安裝鋼護(hù)筒進(jìn)行護(hù)壁。

4 斜井施工方法比選

4.1 正井法

施工機(jī)械布置：全斷面自上而下施工。鉆爆法配合機(jī)械進(jìn)行開挖，采用雙卷揚礦用絞車牽引提升斗車出渣?？傮w布置為：在壓力管道管0+019處布置雙卷揚礦用絞車一臺，軌道采用30kg/m鋼軌、錨桿固定，軌距3.5m，沿斜井布置；提升斗車為容積為8.88m3(實際裝料虛方4m3)的側(cè)卸式礦車，其尺寸為2m×3.7m×1.2m(長×寬×高)?？紤]到豎井?dāng)U挖、引水隧洞澆筑等施工干擾，需增加一條交通洞，進(jìn)口位于3#支洞0+233處，出口位于壓力管道管0+035出，交通洞尺寸為4m×4.5m，長度約70m。開挖渣料通過提升斗車運輸至壓力管道與交通洞交匯處卸料，通過交通洞、3#支洞出渣。礦用絞車布置見圖1。

圖1 礦用絞車平面布置

施工總周期：根據(jù)施工設(shè)備配置和施工經(jīng)驗，經(jīng)計算，斜井開挖統(tǒng)一按Ⅴ類圍巖考慮，每一循環(huán)進(jìn)尺1m，每個循環(huán)為27h，斜井總長250m，共計250個循環(huán)進(jìn)尺，6750h，每天按20h的有效工作時間，計算施工工期為338d。雙卷揚礦用絞車安裝調(diào)試計劃60d。交通洞開挖、支護(hù)不占總工期。正井法施工總周期398d，見表2。經(jīng)計算分析，正井法共增加工程投資382萬元。

表2 壓力管道開挖排炮作業(yè)循環(huán)時間估算

安全管理：渣料提升過程中易發(fā)生飛石、落渣、飄車等，斜井內(nèi)作業(yè)環(huán)境存在重大安全隱患，安全管理大度極大。

4.2 反井法

(1)施工機(jī)械布置：采用在斜井中部管0+173.21處開設(shè)施工支洞，利用施工支洞將斜井分成上、下兩段進(jìn)行施工，上段斜井長104m，下段斜井長146m。每段仍采用LM-300反井鉆機(jī)造孔，形成導(dǎo)井，斜井?dāng)U挖時，利用導(dǎo)井出渣。

(2)施工總周期：灌漿平臺布置兩臺300型地質(zhì)鉆機(jī)，斜井預(yù)固結(jié)灌漿每天鉆灌約10m，上段斜井預(yù)固結(jié)灌漿總量321m，施工工期約33d。根據(jù)施工設(shè)備配置和施工經(jīng)驗，新支洞開挖每個循環(huán)進(jìn)尺平均按1.5m計算，每個循環(huán)為11h，新支洞總長220m，共計147個循環(huán)進(jìn)尺，1617h，每天按20h的有效工作時間，計算施工工期約81d。新支洞開挖期間進(jìn)行上段斜井預(yù)固結(jié)灌漿，不占用總工期。經(jīng)計算，斜井開挖統(tǒng)一按Ⅴ類圍巖考慮，每一循環(huán)進(jìn)尺1m，每個循環(huán)為12h，斜井總長250m，共計250個循環(huán)進(jìn)尺，3000h，每天按20h的有效工作時間，計算施工工期約150d。下段斜井預(yù)固結(jié)灌漿總量438m，每天鉆灌10m，計劃工期約44d。反井鉆機(jī)施工斜井上半段時，可同時進(jìn)行下半段灌漿，反井鉆施工計劃約20d。導(dǎo)井內(nèi)安裝鋼管安裝計劃約10d。本方案總施工工期約301d，見表3。經(jīng)計算，反井鉆法共增加工程投資352萬元。

表3 開挖排炮作業(yè)循環(huán)時間估算

(3)安全管理：無重大安全隱患，主要為正常安全管理。

4.3 斜井開挖施工方法選取

(1)施工總周期：反井鉆法較正井法提前工期97d；

(2)工程投資：反井鉆法較正井法提節(jié)約工程投資30萬元；

(3)安全管理：反井鉆法更高效、安全；

(4)新增支洞輔以固結(jié)灌漿可有效改善導(dǎo)井周邊圍巖狀況。

通過上述對比分析，綜合比較本工程引水隧洞開挖過程的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性與可操作性，選取反井鉆的斜井施工方法是可行的。

5 結(jié)語

本文以新疆JH一級發(fā)電引水系統(tǒng)工程引水隧洞斜井開挖為研究對象，以地質(zhì)條件較差條件下長斜井反井鉆法開挖施工為主要研究內(nèi)容，從安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化投資的角度出發(fā)，采取預(yù)固結(jié)灌漿、新增支洞、鋼護(hù)筒護(hù)壁等施工措施，有效地保證了反井鉆法在特殊地質(zhì)條件下長斜井中的應(yīng)用，不僅能優(yōu)化資金投入，還降低了施工過程中的安全風(fēng)險。形成一套完整施工工藝，對推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展具有重要意義。