引水斜井开挖施工技术

王胜仙

（吉林市水利水电勘测设计研究院 吉林省吉林市 132013）

1 概述

引水压力管道斜井由上弯段、斜井段和下弯段三部分组成，上、下弯段垂直转弯半径为25m，转弯角度为55°，开挖断面呈直径6.7m的圆形，洞中轴线长度为 23.998m；斜井段是连接上、下弯段的直线段，洞轴线与水平面夹角为55°，开挖断面同上、下弯段相同，斜井段长度为272.207m。

引水压力管道斜井地面为斜坡地形，坡度30～35°，地面高程1840～2019m，地表弱风化岩裸露，岩性黑云母花岗岩，岩体较完整～完整，属块状～整体状结构，微透水性，结构面以节理为主，面多闭合，属Ⅱ～Ⅲ类围岩。有 F4断层通过，走向与洞向交角约50°，带宽10cm，带内夹泥，厚1～2cm，面平直，沿面有裂隙水出露，其下盘影响带宽2.0m，上盘影响带宽1m，断层带内围岩为Ⅴ类，影响带内围岩为Ⅳ类。

2 施工方案比选

水利工程施工中一般将倾角 25°～70°的视为斜井，其施工难度比竖井和平洞大，而且不能象竖井施工那样可以进行垂直运输。另外，施工导向控制和斜井体型控制也比竖井和平洞难度要大。施工作业周期比竖井和平洞要长很多，许多可以节省人力的开挖设备也无法用于斜井施工。

通过查阅有关斜井开挖资料，目前斜井开挖施工较实用的方式有两大类。第一类是全断面开挖法、第二类是先开挖导井再扩挖成型法。

全断面开挖法可全断面直接由上至下贯通，不需导井施工，且不受下平段施工约束，上部施工具备条件即可施工。但出渣施工由上部吊运，井内无法布置效率高的机械设备，出渣工序的效率非常低，不能保证斜井施工进度，且由于斜井施工高度过大，没有形成施工通风的回路，施工通风困难。

先开挖导井再扩挖成型方法包含吊罐、反井钻机、爬罐等几种施工方法，导井贯通后形成自然通风回路，通风条件好，出渣渣料由导井溜下，从下部通道运出，较为方便且施工效率高，施工进度能够得到保障。但导井偏斜率比较难控制，受下部是施工通道开挖及支护施工制约，在其未贯通之前无法开挖导井，且施工成本较高。

根据各方法施工特点，结合工程实际，经方案比选本工程采用 ALIMAK爬罐开挖反导井，一次正井扩挖成型的施工方法。

3 施工方法

斜井开挖应首先将上、下弯段进行部分开挖，使之在斜井上部和下部各形成一个便于施工的平台，然后采用 ALIMAK爬罐自下而上开挖导井，导井全部贯通后，利用手风钻自上而下进行扩挖，将上、下弯段剩余部分及斜井段一次扩挖成型。

3.1 上、下弯段开挖方法

上弯段开挖主要分两部分进行开挖，第一部分利用引水压管上平段钻爆台车沿上平段方向一直向前开挖，顶拱按设计要求逐渐降坡，开挖成弧形，底板开挖成与上平段同样高度的平面，当斜井段导洞开挖完成后，利用导洞将上弯段的下部与斜井段扩挖一同挖除。

下弯段开挖同样需分两部分挖除，首先沿下平段一直向下弯段方向开挖，使底板超挖一部分，使之形成一个平台，以便于装载机出渣，下弯段上部剩余部分随斜井段扩挖一同挖除。

3.2 斜井导井开挖施工

导井开挖主要采用STH5-DD型ALIMAK爬罐作为施工上下交通工具，人工利用气腿钻进行开挖施工，导井开挖断面呈 2m×2m的方形断面。ALIMAK爬罐工作示意图见图1。

图1 斜井导井开挖ALIMAK爬罐工作示意图

（1）导井施工工艺流程

导井施工工艺流程如图2所示。

图2 导井施工工艺流程图

（2）导井开挖施工布置

供风、供水、供电：斜井反导井开挖所需风、水、电均由 4＃施工支洞的主管线延伸至下弯段，再通过支管线与 ALIMAK爬罐轨道所设置的管线相连接，将风、水、电供至施工作业面。

通风：采用空压机风带水管在开挖面形成雨雾，将作业面烟尘排至下平洞后由下平洞通风系统排出洞外。

排水：施工排水系统利用下平洞开挖时已形成的排水系统。

施工通讯：导井施工时，配备2台高频对讲机，主要用于斜井下部和爬罐的通讯联系，同时，在爬罐上备有有线对讲电话，做为备用对讲方式。

（3）爬罐安装运行

①爬罐平台：在下平洞搭设爬罐平台，平台由顶拱锚杆悬吊加固，锚杆采用ϕ22钢筋，间距1.5m，与水平面呈60°角锚入岩体3.0m，外露2.8m，平台距顶拱约3m，宽4m，长20m。

②轨道安装：安装高程距洞顶约 50cm，反导井口与下平段间安装弧形轨道，继而向两端延伸。

③爬罐安装：爬罐组件由5吨手拉葫芦吊至搭设好的平台，组件安装在平台和轨道上进行。

④爬罐安全性能试验：在爬罐的运行当中，安全问题是最重要的问题。如果主罐在运行过程中出现故障，则可利用副罐进行救援及维修工作。

主、副罐制动系统均由一个手动制动器、两个离心式制动器组成。在正常情况下，采用手动制动器及电源对爬罐进行制动控制。在手动制动器受到损坏的情况下，若爬罐失去控制，则当爬罐速度达到0.9m/s时，两个离心式制动器自动启动，直到爬罐缓慢停下来为止。为了确保万无一失，要对主罐及副罐的安全装置进行空载及负载试验。

（4）导井开挖施工方法

①领先导井开挖。领先导井采用人工开挖，开挖深度为4～5m，断面尺寸同反导井相同。

②导井钻孔爆破：爆破钻孔采用YT28气腿钻在爬罐上进行，钻孔孔径Φ42mm，孔深1.8m，循环进尺1.5m。

③出渣：反导井开挖石渣顺导井溜至下平洞，由WA380装载机装20t自卸车运至渣场。为便于反导井出渣及斜井扩挖出渣，需在下弯段进行局部超挖，以使底部形成一个较好的出渣平台。

3.3 斜井扩挖施工

斜井扩挖由上至下进行，在扩挖施工中为混凝土施工作必要的准备。扩挖按深度不同分两种施工方法，在扩挖30m范围内，由于作业面距井口距离较短，不能满足扩挖台车运行系统安全运行范围，故采用岩壁爬梯作为施工人员的交通及材料、工具的运输通道，当扩挖深度大于30m以后采用扩挖台车施工。

（1）扩挖施工工艺

扩挖施工工艺流程如图3所示。

图3 扩挖施工工艺流程

（2）扩挖施工布置

①供风、供水：扩挖所需风、水管线均从 3-2＃施工支洞和上平洞施工形成的系统接引布置，在扩挖台车的两轨之间分别安装Φ108mm和Φ50mm钢管分别做为供风和供水管线，管线的长度可根据开挖进尺情况逐渐延伸，管线采用锚筋固定在岩壁上，作业面前30m采用胶皮管，以便在放炮时随扩挖台车一起撤离作业面。

②供电：动力线、照明线和通讯线布置在井壁高处。在井筒内每20m设一盏220V白炽灯，在扩挖台车上安放一台BJZ行灯变压器，台车上使用电压36V的安全照明。另外，台车上布置一台单相电焊机，用于随时对管线进行加长。

③排水：扩挖施工用水全部通过导洞排入下平洞排水系统进行集中排放。

④扩挖交通：斜井扩挖施工前30m主要利用爬梯作为人员和设备的施工通道，当扩挖超过 30m后，在斜井安装一台运输台车，主要运送开挖设备及材料，同时台车停留后还可做为管线、爬梯等设施安装及锚喷支护的施工平台。

⑤施工通讯：斜井扩挖时，配备四台高频对讲机，主要用于斜井顶部、卷扬控制、台车及开挖作业面之间的联系。

（3）井口平台

为方便材料和设备在井口处装卸及人员上、下车安全，在井口布设一个型钢制作的施工平台，钢结构架底部与锚杆相连，上部利用3cm厚木跳板搭设成平台，木板与钢结构之间采用铁线绑扎连接。

（4）扩挖台车结构形式

扩挖台车大致呈三角形结构，共两层平台，上层平台主要用于锚喷支护施工和输送风管、钻具等用处，下层平台用于放置电焊机和输送风、水管线、钢爬梯、台车轨道等材料，作为施工辅助设施跟进施工之用。

（5）扩挖施工方法

为确保开挖施工有一个良好的作业面，扩挖掌子面始终保持呈水平面，以便于人员施工。

其开挖工序为：施工准备→测量放样→布孔→钻孔→验孔→装药堵塞→联网→起爆→安全检查→掌子面清理→出渣→下一循环开挖。

3.4 支护施工

引水压管斜井在开挖过程中锚喷支护采用跟进施工的方式进行，施工时依据设计图纸及现场围岩状况，采取必要的安全支护方式。在压管上平段储备一定数量的锚杆、喷射混凝土材料以及有关设备，以应急需，锚杆施工采用先注浆后安插锚杆的施工方式进行。支护锚杆孔采用手风钻造孔，注浆机注浆，人工安插锚杆。

（1）锚杆支护施工方法

斜井砂浆锚杆采用“先注浆，后插锚杆”的施工方法。其施工工序为：施工准备→布孔→钻孔→清孔→验孔→砂浆拌制→注浆→安插锚杆→锚杆待强→锚杆拉拔试验。

（2）挂钢筋网施工方法

挂钢筋网施工在喷混凝土以前、锚杆安插完毕以后进行，当地质条件较差时，可先素喷一层后，再进行挂网钢筋的施工。

施工时利用扩挖台车作为施工平台，挂网钢筋利用已完成的锚杆进行焊接固定，钢筋网应尽可能贴近岩石，避免与岩石之间出现较大缝隙。

（3）喷混凝土施工方法

本工程喷射混凝土施工工艺流程为：

施工准备→施工面清理→设置标尺→混凝土拌制→初喷试验→分层喷混凝土→场地清理→洒水养护。

①喷混凝土应在相应部位的锚杆和挂网施工全部完成后进行。

喷射混凝土前，采用高压风或高压水将岩面清洗干净，包括清除所有松动岩块及其它影响喷混凝土粘结的污物、赃物等。

对遇水易于崩解、膨胀的松软破碎围岩，不得用高压水冲洗岩面，以防止围岩产生塌方，可用高压风清除岩粉和浮渣。

②围岩中内泥、矿物杂质及明显的松软破碎带，应将表面挖掉一部分（其深度约等于所处洞室的喷混凝土的厚度），再进行施工，且应适当增大喷层厚度。

③现场采用混凝土喷射机按设计配比进行混凝土搅拌喷射。混凝土的配合比必须经过实验室确定给出，在现场气温相同条件下，进行水泥净浆凝结试验，确定速凝剂掺量。配合比和水灰比在施工过程中进行合理调整，尽量减少水泥和水的用量，取得最优配合比。

④喷射作业开始，先在受喷面上喷2cm厚1∶3的水泥砂浆，以减少回弹量，然后再分层喷射。一次喷厚一般应大于最粗骨料粒径的1.5倍。

局部凸处喷混凝土厚度不得小于设计厚度的三分之二。

⑤喷头喷射方向尽量与受喷面垂直，并稍向刚刚喷完部位倾斜。

⑥喷头和受喷面之间的距离一般在 0.5～1.0m左右。

⑦喷射顺序应遵循自上而下、先凹后凸的原则。对深度为20cm左右的局部小凹坑，应分层喷射。

⑧喷混凝土结束4～8h后，及时进行表面洒水养护，并保持表面湿润。

4 结语

采用爬罐开挖斜井在实际施工中取得了较好效果。

通过工程施工应用，采用爬罐自下而上开挖反导井，人工一次正井扩挖的施工方法适应于中等洞径，倾角大于45°的斜井开挖施工，具有通风良好、出渣方便、施工效率高、施工进度有保障、安全性好等优点，是一种安全实用的斜井施工技术。