斜井施工技術在三金考拉水電站中的應用

田由興

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

1 引言

斜井施工技術在水電站施工中應用較多。 水電站附近由于地質情況以及地下水位的影響，斜井在開挖施工過程中，要明確導孔、擴孔鉆進施工參數(shù)，并在施工過程中及時采用有效的支護方式對斜井進行支護，不同地質段、不同角度的斜井支護方式和支護參數(shù)應分別單獨設計。 此外，為確保斜井內正常的交通運輸，要對卷揚機受力性能進行分析。 基于上述研究，以尼泊爾三金考拉水電站為研究對象， 提出了適合該水電站斜井的開挖施工技術和斜井支護方式以及基本支護參數(shù)，最后對用于井內交通運輸?shù)木頁P機進行受力性能分析。

2 工程概況

2.1 項目概況

三金考拉水電站位于尼泊爾中北部，由混凝土重力壩、進水口結構、地下沉砂池、引水隧洞、壓力鋼管、地下發(fā)電廠房系統(tǒng)及尾水系統(tǒng)等建筑物構成。

壓力鋼管段全長2 313 m， 共分為4 段水平洞及3 條斜井，壓力管道由3#、4#、5#、6#施工支洞進入，分別連接4 段水平段，施工支洞開挖尺寸為3.0 m×3.0 m，城門洞型，水平洞段開挖尺寸為2.7 m×2.7 m 或2.8 m×2.8 m。 3 條斜井夾角均為60°，其中3 條斜井高差及長度分別為斜井1：H=215 m、L=248 m；斜井2：H=240 m、L=277 m；斜井3：H=234.5 m、L=271 m。 因在擴孔過程中， 采用一次性自上而下的反擴施工，3 條斜井擴孔直徑為2.6 m。

2.2 地質情況

壓力管道段的地質情況是影響斜井開挖精度的一項重要因素之一。 壓力管道圍巖主要是微風化～新鮮的塊狀～整體狀片麻巖，巖體較完整～完整，可初步判定圍巖以穩(wěn)定性較好的Ⅱ類（約占30%）和穩(wěn)定性一般的Ⅲ類（約占55%）為主，少量穩(wěn)定性較差的Ⅵ類（約占10%），局部穩(wěn)定性差的Ⅴ類圍巖（約占5%）； 圍巖破壞形式主要是片麻理與陡傾節(jié)理形成的不對稱“人”字形組合，主要表現(xiàn)為頂拱部位的局部掉塊。 同時，壓力管道位于地下水位以下，沿部分結構面有滲水或滴水現(xiàn)象。

3 斜井開挖施工

3.1 斜井施工工藝

斜井開挖采用“反井鉆機+定向鉆機”相結合的施工方法，在開孔30 m 內采用反井鉆機常規(guī)開挖， 然后挪出反井鉆機，安裝定向鉆，過程中每隔10 m 下探管測斜、糾偏；當鉆進至最后80 m 處時，開啟磁導向；磁接頭安裝在設計透孔點處，鉆進一定距離后停鉆，下探管偵測旋轉磁場，計算偏離距離，然后進行糾偏，循環(huán)反復，最終透孔[1]。

3.2 導孔施工

確認機器安裝、運行、校準、加固無誤后，安裝開孔、導孔鉆頭、扶正器等，開啟循環(huán)水泵后開始導孔鉆進。

開孔鉆進前30 m 段時，直接采用反井鉆機進行鉆進，采用慢轉速（10～15 r/min），低鉆壓（1～3 MPa），開孔速度一般控制在0.5～0.8 m/h，開孔深度一般為5～8 m，開孔完成后，可以取下開孔器，安裝鉆桿開始正常導孔鉆進。 導孔鉆進參數(shù)見表1。

表1 導孔鉆進參數(shù)

3.3 擴孔施工

導孔貫通后，在下水平拆卸導孔鉆頭，根據(jù)斜井孔徑按上部擴挖直徑安裝合適的擴孔刀盤進行擴孔施工， 通過在刀盤上施加拉力、旋轉力，滾刀積壓巖石破碎，石渣靠自重掉落下水平洞， 由鏟運機或其他施工設備運出， 直至完成擴孔施工后，在上井口拆卸鉆機提取出刀盤[2]。

擴挖完成后，在擴挖四周采用掛網(wǎng)噴錨進行支護，支護參數(shù)以洞室系統(tǒng)支護參數(shù)為準， 安裝時在擴挖側墻頂部設置吊點錨桿，錨桿長度4.5 m，刀盤采用葫蘆分片吊裝拼接安裝。擴孔鉆進時的扭矩、推力和轉速控制見表2。

表2 擴孔鉆進參數(shù)

表2 數(shù)據(jù)僅為擴孔鉆進控制的參考值，在實施過程中，應根據(jù)巖性變化和扭矩變化情況，不斷調整鉆進參數(shù)，以取得最佳推力和鉆進速度。

3.4 井口防護

1）頂部井口防護：斜井開挖采用一次反擴成型方式，防止人員、材料設備等發(fā)生墜落，斜井周圍防護擬采用φ48 mm 鋼管焊接，防護欄桿高度1.2 m，底部澆筑高18 cm 混凝土結構，防止作業(yè)面積水流入井內（見圖1）；井口擬采用φ12 mm 鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)片進行防護， 并固定牢固， 鋼筋網(wǎng)片為圓形，其直徑大于斜井井口直徑，鋼筋網(wǎng)格尺寸為10 cm×10 cm。

圖1 井口防護示意圖

2）斜井底口防護：斜井開挖及井身支護過程中，在斜井底部平洞段離井口10 m 處設置警示標志，并拉警戒線，配置上、下井口傳呼設備，在出渣及支護作業(yè)時，安排人員警戒，待上、下信息確認后，下部方可出渣，完成后恢復警戒線。

4 錨噴支護工程

4.1 錨噴支護施工流程

針對斜井開挖一次性擴挖成型， 斜井錨噴支護在斜井貫通成型后進行，每條斜井錨噴支護從上而下分段進行，錨噴施工根據(jù)斜井成型及巖壁揭露的地質條件進行分段， 分段長度5～10 m，圍巖條件較差區(qū)域按最小值進行分段支護[3]，施工過程中，上一段噴射混凝土封閉后再進行下一段錨噴支護施工[4]。具體的施工流程如圖2 所示。

圖2 錨噴支護施工流程

4.2 錨桿施工

斜井支護錨桿為HRB400φ 20mm 的普通砂漿錨桿，長度均為2 m，錨桿間距為1.5m，梅花形布置，結合本工程實際情況，錨桿由YT-28 型手風鉆進行鉆孔，采用“先注漿、后插錨桿”的施工工藝。錨桿注漿選用LGS200 型注漿泵進行注漿，水灰比為1∶0.38～1∶0.45，具體以試驗室出具的配合比為準。 錨桿施工工藝流程如圖3 所示（圖中“下一道工序”指下一道循環(huán)工序）。

圖3 錨桿施工工藝流程

在砂漿注滿后，采用人工輔以大錘快速將錨桿插入孔內，錨桿內端部距離孔底不應少于10 cm， 且其外露長度應符合設計圖紙要求。 錨桿安裝結束后，在砂漿終凝前不得敲擊、碰撞或拉拔。

4.3 噴射混凝土施工

該水電站為掛網(wǎng)噴混凝土斜井， 鋼筋網(wǎng)片由人工現(xiàn)場綁扎，且與錨桿焊接牢固。 噴射混凝土施工時，混合料在混凝土拌和站集中拌制，由混凝土攪拌運輸車運輸至豎井頂部平臺，利用TK-700 型混凝土濕噴機采用“濕式噴射法”施工工藝進行噴射， 噴射時遵循“自下而上、分段分區(qū)”的施工原則，其施工流程如圖4 所示。

圖4 噴射混凝土施工流程

噴射混凝土采用濕式噴法，混凝土噴射機選用TK700 型。噴射混凝土的坍落度控制在18～22 cm?，F(xiàn)場噴射施工時，按照分片分層自下而上、先凹后凸的順序進行，噴射時噴嘴與巖面大致垂直，距離巖面控制在60～120 cm。

5 受力性能分析

井內交通運輸主要包含施工作業(yè)人員、 小型材料設備的通行與運輸?shù)取?其中小型材料設備擬采用人力進行運輸，對于鉆機、噴錨機等質量較大的設備，在井壁設置滑移軌道，軌道采用18 kg/m 輕型軌道，間距為1.2 m，并采用φ25 mm 錨桿固定，錨固深度為1.5 m。

所有運輸均通過卷揚機進行運輸， 因此有必要對卷揚機的鋼絲繩和卷揚機進行受力分析， 進而確保井內人員和設備安全。

5.1 卷揚機選擇及鋼絲繩受力分析

在斜井支護施工時， 使用的自制小車平臺質量約1 t，設計承載施工人員3 人、 噴錨機等施工設備材料質量約1 t，總共約2 t，重約20 kN。 考慮摩擦力、動荷載等需要的最大提升拉力為20×1.5×sin60°=30×0.866=25.98 kN，其中，“1.5”為錨固深度，“60°”為斜井卷揚機與水平線夾角。

從斜井支護及壓力管道安裝綜合考慮，配置采用一臺繩速12 m/min、2JM10T 型卷揚機（鋼絲繩直徑為φ21.5 mm，雙股）進行升降，卷揚機的鋼絲繩繞過提升架定滑輪后與小車牽引[5]。

卷揚機安全系數(shù)=100 kN/25.98 kN=3.86，其中“100 kN”是2JM10T 型卷揚機額定拉力； 計算得到的最大提升拉力為25.98 kN；φ21.5 mm 鋼絲繩最小破斷拉力為296 kN， 鋼絲繩安全系數(shù)=（296 kN/25.98 kN）×2=22.79。

6 結論

本項目主要結論如下：（1）斜井開挖采用“反井鉆機+定向鉆機”相結合的施工方法，同時對導孔、擴孔鉆進施工參數(shù)進行了控制，在斜井施工完畢后，對井口頂部和底部的防護提出相關技術要求；（2）針對斜井開挖采用一次性擴挖成型工藝，提出了錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土相結合的錨噴斜井支護方式，斜井支護錨桿為HRB400φ20mm 的普通砂漿錨桿， 噴射混凝土采用“濕式噴射法”施工工藝進行噴射；（3）對卷揚機的鋼絲繩受力分析表明，卷揚機鋼絲繩最小破斷拉力為296 kN，鋼絲繩安全系數(shù)為22.79。