新疆JH一級水電站引水發電系統工程長斜井開挖施工技術

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項目一級發電引水系統引水隧洞斜井全長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砂巖、凝灰質硅質砂巖為主，裂隙發育，巖體破碎，巖塊間膠結程度差，存在裂隙不利組合，圍巖穩定性差。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，地質條件較為復雜。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項目一級發電引水系統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50年代最早出現在美國與德國的采礦工程領域，該方法將隧道掘進機和鉆井法鑿井機結合形成的井筒施工設備，用于施工礦山地下暗井、溜井、礦倉等導井工程。我國在80年代將反井鉆機斜井開挖技術應用于煤礦地下工程中，煤炭科學研究總院研制出LM系列反井鉆機，其中LM-120型反井鉆機1986年第一次應用在開灤趙各莊礦，LM-200型反井鉆機在1992年4月首次應用于十三陵抽水蓄能電站，完成直徑1.4m、深度158m出線豎井導井施工。斜井開挖施工技術先后在國內大多數水電站和抽水蓄能電站等工程應用，最大豎井深度316m，最大斜井長度236m(傾角50°)，由于斜井施工技術具有安全、快速、高質量等優勢，在地下工程建設具有良好應用與推廣價值。

2.2 正、反井鉆法

根據《水工建筑物地下工程開挖施工技術規范》(DL/T 5099-2011)[7]及類似施工經驗，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，不受地質條件影響，但安全隱患較多、施工進度較緩；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，對地質條件要求較高。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖地質條件下，長斜井若采用反井鉆施工，可采用預固結灌漿先加固圍巖進行解決，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，自穩能力差，成孔、成井困難，必須對斜井圍巖進行加固處理。通過查閱規范，灌漿孔頂角垂直或小于5°的鉆孔在100m時的偏差達到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的斜井直接進行固結灌漿，其偏差將超過10m，根據相鄰建筑物豎井深孔預固結灌漿擴散范圍，灌漿布孔數量將達到10個以上，且在250m深斜孔(與水平面夾角60°)灌漿中，很難保證固結灌漿有效范圍控制在導井周邊圍巖內，具有較大的風險性。因此，本工程需增加一條施工支洞，既可保證預固結灌漿效果，也可優化預固結灌漿孔數。為了保證斜井擴挖溜渣過程中導井井壁不發生坍塌，導井形成后及時安裝鋼護筒進行護壁。

新疆JH項目引水隧道斜井開挖工程采取預固結灌漿、施工支洞、鋼護筒護壁等施工措施，有效地保證了反井鉆法在特殊地質條件下長斜井中的應用。

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，需改善地質條件，對圍巖進行預加固處理；

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

(4)是否增加施工支洞，控制孔斜、保證預固結灌漿效果，優化灌漿孔數；

(5)固結灌漿只是預加固導井周邊圍巖，導井形成后是否安裝鋼護筒進行護壁。

4 斜井施工方法比選

4.1 正井法

施工機械布置：全斷面自上而下施工。鉆爆法配合機械進行開挖，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)的側卸式礦車，其尺寸為2m×3.7m×1.2m(長×寬×高)。考慮到豎井擴挖、引水隧洞澆筑等施工干擾，需增加一條交通洞，進口位于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：根據施工設備配置和施工經驗，經計算，斜井開挖統一按Ⅴ類圍巖考慮，每一循環進尺1m，每個循環為27h，斜井總長250m，共計250個循環進尺，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試計劃60d。交通洞開挖、支護不占總工期。正井法施工總周期398d，見表2。經計算分析，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循環時間估算

安全管理：渣料提升過程中易發生飛石、落渣、飄車等，斜井內作業環境存在重大安全隱患，安全管理大度極大。

4.2 反井法

(1)施工機械布置：采用在斜井中部管0+173.21處開設施工支洞，利用施工支洞將斜井分成上、下兩段進行施工，上段斜井長104m，下段斜井長146m。每段仍采用LM-300反井鉆機造孔，形成導井，斜井擴挖時，利用導井出渣。

(2)施工總周期：灌漿平臺布置兩臺300型地質鉆機，斜井預固結灌漿每天鉆灌約10m，上段斜井預固結灌漿總量321m，施工工期約33d。根據施工設備配置和施工經驗，新支洞開挖每個循環進尺平均按1.5m計算，每個循環為11h，新支洞總長220m，共計147個循環進尺，1617h，每天按20h的有效工作時間，計算施工工期約81d。新支洞開挖期間進行上段斜井預固結灌漿，不占用總工期。經計算，斜井開挖統一按Ⅴ類圍巖考慮，每一循環進尺1m，每個循環為12h，斜井總長250m，共計250個循環進尺，3000h，每天按20h的有效工作時間，計算施工工期約150d。下段斜井預固結灌漿總量438m，每天鉆灌10m，計劃工期約44d。反井鉆機施工斜井上半段時，可同時進行下半段灌漿，反井鉆施工計劃約20d。導井內安裝鋼管安裝計劃約10d。本方案總施工工期約301d，見表3。經計算，反井鉆法共增加工程投資352萬元。

表3 開挖排炮作業循環時間估算

(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)新增支洞輔以固結灌漿可有效改善導井周邊圍巖狀況。

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性、經濟性、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 結語

本文以新疆JH一級發電引水系統工程引水隧洞斜井開挖為研究對象，以地質條件較差條件下長斜井反井鉆法開挖施工為主要研究內容，從安全生產、提高生產效率、優化投資的角度出發，采取預固結灌漿、新增支洞、鋼護筒護壁等施工措施，有效地保證了反井鉆法在特殊地質條件下長斜井中的應用，不僅能優化資金投入，還降低了施工過程中的安全風險。形成一套完整施工工藝，對推動行業技術進步與發展具有重要意義。