田由興

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027）

1 引言

斜井施工技術(shù)在水電站施工中應(yīng)用較多。 水電站附近由于地質(zhì)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(dǎo)孔、擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工參數(shù)，并在施工過程中及時(shí)采用有效的支護(hù)方式對(duì)斜井進(jìn)行支護(hù)，不同地質(zhì)段、不同角度的斜井支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)應(yīng)分別單獨(dú)設(shè)計(jì)。 此外，為確保斜井內(nèi)正常的交通運(yùn)輸，要對(duì)卷揚(yáng)機(jī)受力性能進(jìn)行分析。 基于上述研究，以尼泊爾三金考拉水電站為研究對(duì)象， 提出了適合該水電站斜井的開挖施工技術(shù)和斜井支護(hù)方式以及基本支護(hù)參數(shù)，最后對(duì)用于井內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)木頁P(yáng)機(jī)進(jìn)行受力性能分析。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)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(jìn)水口結(jié)構(gòu)、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(gòu)成。

壓力鋼管段全長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)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(kuò)孔過程中， 采用一次性自上而下的反擴(kuò)施工，3 條斜井?dāng)U孔直徑為2.6 m。

2.2 地質(zhì)情況

壓力管道段的地質(zhì)情況是影響斜井開挖精度的一項(xiàng)重要因素之一。 壓力管道圍巖主要是微風(fēng)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(duì)稱“人”字形組合，主要表現(xiàn)為頂拱部位的局部掉塊。 同時(shí)，壓力管道位于地下水位以下，沿部分結(jié)構(gòu)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(jī)+定向鉆機(jī)”相結(jié)合的施工方法，在開孔30 m 內(nèi)采用反井鉆機(jī)常規(guī)開挖， 然后挪出反井鉆機(jī)，安裝定向鉆，過程中每隔10 m 下探管測(cè)斜、糾偏；當(dāng)鉆進(jìn)至最后80 m 處時(shí)，開啟磁導(dǎo)向；磁接頭安裝在設(shè)計(jì)透孔點(diǎn)處，鉆進(jìn)一定距離后停鉆，下探管偵測(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，計(jì)算偏離距離，然后進(jìn)行糾偏，循環(huán)反復(fù)，最終透孔[1]。

3.2 導(dǎo)孔施工

確認(rèn)機(jī)器安裝、運(yùn)行、校準(zhǔn)、加固無誤后，安裝開孔、導(dǎo)孔鉆頭、扶正器等，開啟循環(huán)水泵后開始導(dǎo)孔鉆進(jìn)。

開孔鉆進(jìn)前30 m 段時(shí)，直接采用反井鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，采用慢轉(zhuǎn)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(dǎo)孔鉆進(jìn)。 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)

3.3 擴(kuò)孔施工

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

擴(kuò)挖完成后，在擴(kuò)挖四周采用掛網(wǎng)噴錨進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)以洞室系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)為準(zhǔn)， 安裝時(shí)在擴(kuò)挖側(cè)墻頂部設(shè)置吊點(diǎn)錨桿，錨桿長(zhǎng)度4.5 m，刀盤采用葫蘆分片吊裝拼接安裝。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)的扭矩、推力和轉(zhuǎn)速控制見表2。

表2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)

表2 數(shù)據(jù)僅為擴(kuò)孔鉆進(jìn)控制的參考值，在實(shí)施過程中，應(yīng)根據(jù)巖性變化和扭矩變化情況，不斷調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，以取得最佳推力和鉆進(jìn)速度。

3.4 井口防護(hù)

1）頂部井口防護(hù)：斜井開挖采用一次反擴(kuò)成型方式，防止人員、材料設(shè)備等發(fā)生墜落，斜井周圍防護(hù)擬采用φ48 mm 鋼管焊接，防護(hù)欄桿高度1.2 m，底部澆筑高18 cm 混凝土結(jié)構(gòu)，防止作業(yè)面積水流入井內(nèi)（見圖1）；井口擬采用φ12 mm 鋼筋焊接而成的鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行防護(hù)， 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(hù)示意圖

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

4 錨噴支護(hù)工程

4.1 錨噴支護(hù)施工流程

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

圖2 錨噴支護(hù)施工流程

4.2 錨桿施工

斜井支護(hù)錨桿為HRB400φ 20mm 的普通砂漿錨桿，長(zhǎng)度均為2 m，錨桿間距為1.5m，梅花形布置，結(jié)合本工程實(shí)際情況，錨桿由YT-28 型手風(fēng)鉆進(jìn)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(jìn)行注漿，水灰比為1∶0.38～1∶0.45，具體以試驗(yàn)室出具的配合比為準(zhǔn)。 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(nèi)，錨桿內(nèi)端部距離孔底不應(yīng)少于10 cm， 且其外露長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙要求。 錨桿安裝結(jié)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(chǎng)綁扎，且與錨桿焊接牢固。 噴射混凝土施工時(shí)，混合料在混凝土拌和站集中拌制，由混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸至豎井頂部平臺(tái)，利用TK-700 型混凝土濕噴機(jī)采用“濕式噴射法”施工工藝進(jìn)行噴射， 噴射時(shí)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(jī)選用TK700 型。噴射混凝土的坍落度控制在18～22 cm?，F(xiàn)場(chǎng)噴射施工時(shí)，按照分片分層自下而上、先凹后凸的順序進(jìn)行，噴射時(shí)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(nèi)交通運(yùn)輸主要包含施工作業(yè)人員、 小型材料設(shè)備的通行與運(yùn)輸?shù)取?其中小型材料設(shè)備擬采用人力進(jìn)行運(yùn)輸，對(duì)于鉆機(jī)、噴錨機(jī)等質(zhì)量較大的設(shè)備，在井壁設(shè)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(yùn)輸均通過卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸， 因此有必要對(duì)卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩和卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行受力分析， 進(jìn)而確保井內(nèi)人員和設(shè)備安全。

5.1 卷揚(yáng)機(jī)選擇及鋼絲繩受力分析

在斜井支護(hù)施工時(shí)， 使用的自制小車平臺(tái)質(zhì)量約1 t，設(shè)計(jì)承載施工人員3 人、 噴錨機(jī)等施工設(shè)備材料質(zhì)量約1 t，總共約2 t，重約20 kN。 考慮摩擦力、動(dòng)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(yáng)機(jī)與水平線夾角。

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

卷揚(yáng)機(jī)安全系數(shù)=100 kN/25.98 kN=3.86，其中“100 kN”是2JM10T 型卷揚(yáng)機(jī)額定拉力； 計(jì)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(jié)論

本項(xiàng)目主要結(jié)論如下：（1）斜井開挖采用“反井鉆機(jī)+定向鉆機(jī)”相結(jié)合的施工方法，同時(shí)對(duì)導(dǎo)孔、擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工參數(shù)進(jìn)行了控制，在斜井施工完畢后，對(duì)井口頂部和底部的防護(hù)提出相關(guān)技術(shù)要求；（2）針對(duì)斜井開挖采用一次性擴(kuò)挖成型工藝，提出了錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土相結(jié)合的錨噴斜井支護(hù)方式，斜井支護(hù)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(jìn)行噴射；（3）對(duì)卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩受力分析表明，卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩最小破斷拉力為296 kN，鋼絲繩安全系數(shù)為22.79。