贊比亞下凱富峽水電站發(fā)電洞豎井開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)

羅悠 李洪濤 馮思敏 梁濤 邵祥

摘要：

為解決贊比亞下凱富峽水電站發(fā)電洞豎井開(kāi)挖支護(hù)施工中存在的導(dǎo)井?dāng)U挖空間有限、豎向交叉作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，對(duì)豎井上彎段進(jìn)行技術(shù)性擴(kuò)挖，搭設(shè)上部承重施工平臺(tái)，安裝配備具有載人罐籠、下掛鋼結(jié)構(gòu)全幅面操作平臺(tái)的門(mén)式起重機(jī)提升系統(tǒng)。該技術(shù)有效解決了小斷面豎井中施工運(yùn)輸和施工平臺(tái)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工程安全高效施工，適應(yīng)了國(guó)際工程要求，可為類(lèi)似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：

豎井； 開(kāi)挖支護(hù)； 提升系統(tǒng)； 施工平臺(tái)； 操作平臺(tái)； 反井法； 下凱富峽水電站； 贊比亞

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.007

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0022-04

0 引 言

在水利水電工程中，發(fā)電洞豎井是引水發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其開(kāi)挖支護(hù)施工大大影響工程整體施工的進(jìn)度和質(zhì)量。許多學(xué)者對(duì)豎井開(kāi)挖支護(hù)施工進(jìn)行了相關(guān)研究和工程實(shí)踐。溪洛渡水電站引水隧洞開(kāi)挖中應(yīng)用了地錨運(yùn)輸系統(tǒng)和導(dǎo)井二次擴(kuò)挖的施工方法，確保了施工質(zhì)量［1］。白鶴灘、烏東德水電站工程中，大型豎井開(kāi)挖支護(hù)施工應(yīng)用龍門(mén)架和大型門(mén)式起重機(jī)搭配載人吊籃，取得了良好的施工效果［2-3］。近年來(lái)，隨著抽水蓄能電站建設(shè)的發(fā)展［4］，豎井開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)在張河灣、洪屏、清遠(yuǎn)、沂蒙、陽(yáng)江等一系列抽水蓄能電站豎井開(kāi)挖中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展［5-10］。在這些工程中，根據(jù)工程實(shí)際采用了小型移動(dòng)式龍門(mén)架系統(tǒng)、天錨固定材料運(yùn)輸提升系統(tǒng)、地錨配合卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼架配合卷?yè)P(yáng)機(jī)以及雙滾筒礦用絞車(chē)配合載人罐籠等施工方式，達(dá)到了較好的施工效果。向前等［11］提出了小斷面豎井正反井結(jié)合法開(kāi)挖施工技術(shù)，并應(yīng)用在小浪底引黃工程出水豎井的開(kāi)挖支護(hù)施工中。

水電站發(fā)電隧洞小斷面豎井開(kāi)挖支護(hù)施工往往面臨施工空間受限、豎向交叉作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，施工困難。本文對(duì)贊比亞下凱富峽水電站（Kafue Gorge Lower Hydropower Station）項(xiàng)目的發(fā)電洞豎井開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行研究，解決了該工程小斷面豎井開(kāi)挖支護(hù)中的施工難題，實(shí)現(xiàn)工程的安全高效施工，可為其他工程提供相關(guān)技術(shù)參考。

1 工程概況

下凱富峽水電站位于非洲贊比亞的贊比西河支流凱富埃河上，是贊比亞最大的單體基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目（截至2023年）［12］。水電站共設(shè)5條發(fā)電洞，發(fā)電洞豎井段均由上彎段、垂直段和下彎段組成，單條發(fā)電洞豎井段深113.35 m，上下彎段軸線長(zhǎng)度均為23.56 m，垂直段長(zhǎng)度為83.35 m，豎井開(kāi)挖直徑為6.0 m，下凱富峽水電站發(fā)電洞豎井剖面見(jiàn)圖1。

2 豎井開(kāi)挖支護(hù)提升系統(tǒng)和施工平臺(tái)

2.1 豎井門(mén)式起重機(jī)提升系統(tǒng)

根據(jù)小斷面豎井反井法施工需求，采用小型門(mén)式起重機(jī)提升系統(tǒng)，額定起重量5 t，跨度6.6 m，起升高度軌道下120 m，滿足發(fā)電洞豎井施工高度要求。豎井門(mén)式起重機(jī)由主梁和支腿及下橫梁組成的門(mén)架、起升機(jī)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備等構(gòu)成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

門(mén)式起重機(jī)系統(tǒng)配備載人罐籠，導(dǎo)井?dāng)U挖期間的人員及材料上下交通均通過(guò)載人罐籠及下掛鋼平臺(tái)進(jìn)行。系統(tǒng)配置超載限制器、力矩限制器、緩沖器、防墜器等安全裝置，在起重機(jī)吊載、力矩等超過(guò)額定值時(shí)，起重機(jī)會(huì)預(yù)警并停止。門(mén)式起重機(jī)安裝完成后，豎井內(nèi)施工材料運(yùn)輸全部通過(guò)門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行。

2.2 豎井上部施工平臺(tái)

2.2.1 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)電洞豎井結(jié)構(gòu)尺寸、豎井及彎段開(kāi)挖支護(hù)施工所需承受的荷載、拆除難易程度以及豎井門(mén)式起重機(jī)的應(yīng)用方式，搭建豎井上部施工平臺(tái)。施工平臺(tái)包括兩層I18工字鋼、10 mm鋼板和直徑25 mm、長(zhǎng)4.5 m錨桿錨固的基礎(chǔ)混凝土平臺(tái)。施工平臺(tái)下層主梁I18工字鋼共14根（其中11根長(zhǎng)度為6.8 m，3根長(zhǎng)度5.5 m），上層次梁I18工字鋼共8根（長(zhǎng)度為8.6 m），主梁下部支撐為高1 m的基礎(chǔ)混凝土，混凝土采用錨桿錨固，次梁上部鋪設(shè)10 mm厚的鋼板，豎井上部施工平臺(tái)布置形式見(jiàn)圖3。

2.2.2 施工平臺(tái)穩(wěn)定分析

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，豎井上部施工平臺(tái)荷載由固定荷載、活荷載和施工動(dòng)荷載組成，固定荷載和施工動(dòng)荷載為鋼筋運(yùn)輸車(chē)輛及起重機(jī)吊運(yùn)時(shí)沖擊荷載（最大值20 t），活荷載為施工人員（10人，800 kg）。采用ANSYS建立豎井上部施工平臺(tái)的整體模型并進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，得到工字鋼、鋼板等結(jié)構(gòu)單元的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布特征。豎井上部平臺(tái)實(shí)體模型見(jiàn)圖4（a）；各部分形狀采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，模型劃分網(wǎng)格以后共有節(jié)點(diǎn)90 628個(gè)，單元306 038個(gè)，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖4（b）所示。模型材料參數(shù)情況如表1所示。

應(yīng)用ANSYS有限元軟件分析上彎段施工平臺(tái)穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。上彎段施工平臺(tái)工字鋼最大應(yīng)力105 MPa，鋼板應(yīng)力最大值45.2 MPa，整體應(yīng)力最大值為122 MPa，應(yīng)力水平在13～27 MPa范圍變化，應(yīng)力值均小于GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)范值（215 MPa）。工字鋼最大撓度2.63 mm，鋼板最大位移4.97 mm，變形量最大處位于荷載直接作用的鋼板上，工字鋼撓度最大值位于豎井洞口上方跨中，整體模型變形水平較低且未出現(xiàn)不利的變形部位，整體變形控制良好。模型整體的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果表明，該平臺(tái)承載力滿足規(guī)范要求和工程建設(shè)需求。

3 豎井開(kāi)挖支護(hù)施工

3.1 施工程序

發(fā)電洞豎井開(kāi)挖需要考慮反井鉆機(jī)、門(mén)式起重機(jī)的安裝及運(yùn)行空間需求，在施工中對(duì)上彎段頂拱部分和下彎段底弧部分進(jìn)行技術(shù)性擴(kuò)挖。豎井段使用反井鉆機(jī)開(kāi)挖導(dǎo)孔（直徑216 mm），再進(jìn)行導(dǎo)井（直徑1.4 m）開(kāi)挖；導(dǎo)井開(kāi)挖完成后，拆除反井鉆

機(jī)，搭設(shè)上彎段施工平臺(tái)，安裝豎井門(mén)式起重機(jī)，之后進(jìn)行豎井的一擴(kuò)、二擴(kuò)開(kāi)挖。一擴(kuò)開(kāi)挖溜渣井直徑3 m，二擴(kuò)開(kāi)挖直徑6 m。豎井施工流程如圖6所示。

3.2 彎段技術(shù)性擴(kuò)挖

豎井上、下彎段均為軸線半徑15 m的直角彎弧。為滿足反井鉆機(jī)、門(mén)式起重機(jī)的安裝及運(yùn)行空間需求、改善底部出渣條件，對(duì)豎井的上、下彎段采用技術(shù)性擴(kuò)挖。上、下彎段擴(kuò)挖部分分兩部分進(jìn)行：與上、下平洞段相接的部位與平洞段一起施工，與豎井段相接的部分和豎井段一起施工。豎井彎段擴(kuò)挖示意見(jiàn)圖7。

反井鉆機(jī)尺寸較小，下彎段超挖部分開(kāi)挖體型斷面參數(shù)和發(fā)電洞下平段一致。本文中采用的門(mén)式起重機(jī)尺寸為7.22 m×5.69 m×5.71 m（長(zhǎng)×寬×高），考慮到其安裝及運(yùn)行空間需求以及頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求，上彎段擴(kuò)挖部分開(kāi)挖斷面形狀采用城門(mén)洞形。上彎段技術(shù)擴(kuò)挖尺寸見(jiàn)圖8。

3.3 豎井導(dǎo)井?dāng)U挖

發(fā)電洞豎井洞身采用光面爆破開(kāi)挖、錨噴構(gòu)筑法施工。豎井施工經(jīng)過(guò)反井鉆機(jī)導(dǎo)孔及反拉鉆孔施工結(jié)束后形成直徑1.4 m的導(dǎo)井，第一次擴(kuò)挖將1.4 m的導(dǎo)井?dāng)U挖成直徑3.0 m的溜渣井。溜渣井?dāng)U挖方法：人工乘坐1.3 m直徑的圓形吊籠，通過(guò)門(mén)式起重機(jī)提升系統(tǒng)下放到導(dǎo)井底部，YT-28手風(fēng)鉆鉆鑿斜向下傘形布置的輻射孔，全部爆破孔一次性鉆設(shè)、自下而上逐次分段崩落爆破、自然溜渣。

3.4 豎井二次擴(kuò)挖

發(fā)電洞豎井二次擴(kuò)挖施工操作平臺(tái)采用I18工字鋼作為骨架，呈正八邊形，外切圓直徑4.5 m，其上焊接滿鋪Φ12 mm螺紋鋼鋼筋網(wǎng)片，縱橫間距最大10 cm。豎井二擴(kuò)開(kāi)挖時(shí)，鋼平臺(tái)下掛于載人罐籠下，在鉆孔及裝藥階段，直接坐落在掌子面上，封堵溜渣井，作為鉆孔及裝藥的操作平臺(tái)；在扒渣階段，通過(guò)豎井起重機(jī)吊離掌子面20～30 cm，吊離區(qū)域作為溜槽通道。鋼平臺(tái)覆蓋大部分豎井開(kāi)挖掌子面，作為開(kāi)挖鉆孔、扒渣施工的人員操作平臺(tái)和溜渣井防護(hù)井蓋，爆破鉆孔、扒渣操作均由施工人員在工作平臺(tái)上完成，無(wú)需登臨掌子面，大大提高了二次擴(kuò)挖施工的安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

在下凱富峽水電站發(fā)電洞豎井開(kāi)挖支護(hù)施工中，采用了豎井門(mén)式起重機(jī)提升系統(tǒng)、豎井上部施工平臺(tái)及二次擴(kuò)挖全幅面操作平臺(tái)等技術(shù)，有效解決了小斷面豎井中施工運(yùn)輸和施工平臺(tái)問(wèn)題，保證了工程的安全高效施工。下凱富峽水電站豎井在確保

工程施工質(zhì)量和安全的同時(shí)提前完成開(kāi)挖，節(jié)省施工成本235萬(wàn)元。該施工技術(shù)可在類(lèi)似的發(fā)電洞豎井和地下工程施工中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 胡興龍，歐陽(yáng)水芽.溪洛渡水電站引水隧洞開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.廣東水利水電，2010（12）：28-30.

［2］ 羅平，彭濤，陳兵，等.烏東德水電站左岸地下廠房出線豎井開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2016（增2）：75-78.

［3］ 楊繼承，張本鐸，郭亮，等.白鶴灘水電站調(diào)壓室豎井開(kāi)挖施工技術(shù)研究［J］.水利水電技術(shù)，2017（增2）：54-58.

［4］ 徐婉琛.世界若干國(guó)家擬建及在建抽水蓄能項(xiàng)目綜述［J］.水利水電快報(bào)，2017，38（10）：1-4.

［5］ 胡兆東，馬洪波，馬靜波.張河灣抽水蓄能電站386 m深豎井開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2008，39（12）：61-63.

［6］ 劉旭剛，楊曉輝.洪屏抽水蓄能電站引水豎井開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.水力發(fā)電，2016，42（8）：48-51.

［7］ 崔恩博.廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站下水庫(kù)泄洪豎井開(kāi)挖方法及施工工藝［J］.中國(guó)西部科技，2012，11（7）：24-25，2.

［8］ 郝熠熠，程守業(yè)，韓博.抽水蓄能電站隧洞全深花崗巖導(dǎo)井反井施工技術(shù)［J］.建井技術(shù)，2021，42（2）：62-66，32.

［9］ 王智，賀沖，胡偉成.淺談超深豎井開(kāi)挖支護(hù)施工技術(shù)［J］.湖南水利水電，2020（5）：23-25，48.

［10］ 鄧鵬.陽(yáng)蓄電站超深豎井開(kāi)挖支護(hù)施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2021（5）：83-85.

［11］ 向前，梁劍，蔡暢，等.300m級(jí)小斷面深豎井正反井結(jié)合法開(kāi)挖施工技術(shù)［J］.四川水利，2020，41（5）：25-29，43.

［12］ 高元博，靳俊杰.下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩層、縫間處理工藝［J］.西北水電，2021（4）：52-55.