斜井施工技术在水利水电工程中的应用

王有庆

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

1 水利水电工程斜井施工技术概述

1.1 斜井施工技术现状

斜井的作用非常多，包括饮水，作为出线井以及施工支洞等作用，一般情况下斜井的倾斜角度需要控制在45～60°，有一些通风斜井的倾斜角度在61～75°。从目前斜井施工技术的发展情况来看，很多的水利水电工程大多是一些惠民工程，具有供水、供电、蓄能的作用，受到引水斜井长、水头比较高等方面的影响，斜井施工技术在水利水电工程施工过程中的应用并不容易把控。因此，对斜井施工技术的研究还需要不断地优化，以更好地促进斜井施工技术的发展。

1.2 斜井的类型

斜井类型的划分原则主要是根据水利水电不同的施工要求来划分，斜井一般分四种类型：（1）施工斜井。该类斜井主要应用于施工过程中的临时通道中，是为了满足现场施工要求布置的斜井，例如交通洞等。该类型斜井的主要特点是在对施工斜井进行挖掘的过程中，其斜度最大不能超过25°，同时需对断面直径进行控制，断面不应过大，且按照自上而下的施工顺序施工。（2）高压管道斜井。该类斜井主要应用于坝后引水发电厂、引水隧洞靠近发电厂房侧。高压管道斜井施工工艺中，斜井施工的倾斜角度通常设定在40～60°，有时也会根据施工项目的现场情况进行调整，施工的斜度小于40°，另外在断面直径方面一般要求小于7.5m，有时也会出现7.5～9m的情况。在施工的过程中斜井的周围需要设置通道，这样可以便于施工过程中的运输等工作。（3）泄洪洞斜井。该类斜井主要应用于大型水库或者水电站，主要用于水库泄洪。该类斜井一般倾斜的角度在30°以下，断面的尺寸和其他类型的斜井相比是最大的，并且泄洪洞斜井也需要配备相应的通道。（4）通风斜井和电缆斜井。这种类型的斜井断面比较小，但是施工难度较大。

2 水利水电工程斜井主要施工技术要点

2.1 斜井的开挖

（1）斜井开挖前应对施工环境及地质情况进行勘察与分析。针对不同类型、不同断面、不同地质条件的斜井采取的开挖方式也不一样。在斜井开挖前，应该对斜井布置的位置进行详细的地质勘察，全面准确地掌握斜井开挖位置的情况。在斜井开挖施工过程中出现最多的问题是由于地质原因不明造成的斜井坍塌，只有在全面准确地掌握了斜井的地质情况后，才能采取更加科学有效的施工方法，实现预期的效果。在施工过程中，水文地质包括地温情况、易熔岩区情况、地质构造情况、水文地质条件情况、地层岩性情况、岩体应力情况、有害气体或放射性元素的性质变化情况、含量分布范围情况以及井口周围的稳定性情况等。这些都是斜井开挖施工需要考虑的问题。另外，在确定斜井开挖的方案后，应该针对方案中的地质条件情况和实际地质情况进行综合对比分析，以实际地质条件为主，进行方案的调整，确定最为科学合理的施工方案。如果实际的地质情况和目前掌握的地质情况出入比较大时，应立即召开相应的专题会，必要时要对斜井进行进一步的地质勘探。在施工的过程中如果遇到岩爆、涌水、大面积的坍塌和大围岩层变形等问题，需要进行记录并把这些资料信息及时地反映给参建管理方，找原因、定方案，及时地进行处理。

（2）斜井的开挖施工。针对不同类型、不同断面以及具有一定斜度的斜井，开挖方式及采用的开挖设备均有不同。①开挖准备阶段。目前的斜井开挖分为从上往下开挖、从下往上开挖以及导洞扩张开挖法等几种开挖方式。当斜井倾斜度小于30°时，可采用从下往上的方式开挖；当斜井斜度在30～45°时，可采用从上往下全断面开挖的方式开挖。采用从上往下全断面开挖时，应先对斜井的进口进行支护，确保斜井井口的稳定；当斜井倾斜度大于45°时，则可以采用导洞扩张法开挖，先根据斜井断面确定导洞的断面直径从上往下开挖导洞，然后从上往下扩挖。②设备选择。现阶段，在斜井导井施工的过程中，采用爬罐和反井钻机的时候比较多。这两种设备都有各自施工的条件，爬罐通常情况下不能超过400m，反井钻机不能大于300m。因此，如果遇到斜井的长度比较长，超过400m时就需要采取支洞的方式。在施工的过程中对同一个斜井进行上下两段同时施工时，需要保留上段和下段之间的岩塞，并且岩塞的长度要大于2倍的斜井直径，一般大于10m，其最大的作用是保障斜井上段和下段的安全隔离。施工支洞和斜井相交的位置要保障大于25m长的平段，同时平段和斜井需要保持在一个铅锤面上，不能出现空间错位，其最大的作用是方便斜井工作人员的行动和材料的运输。此外，斜井和平洞连接的位置还需要进行支护加固，之后再进行斜井后段的施工，保障围岩的稳固性。

（3）开挖爆破技术分析。通常情况下在进行斜井开挖时使用的都是防水性的炸药，如乳化炸药，这种炸药爆破后产生的有害性气体比较少，比较适合斜井开挖施工。起爆雷管一般都是使用的非电雷管，不会受到散电流的影响，因此在地下使用的安全性比较高。导洞的扩挖采用爆破施工，爆破一般采用光面爆破。爆破之前还应该对施工现场的地质进行勘测，如对爆破过程中的震动情况，以及地质岩土中的含水量情况、节理裂缝发育情况等进行勘测；还要对光面爆破以及缓坡位置的爆破参数进行设计，根据需要爆破现场的实际情况来设计，这样才可以保障爆破工作的质量和安全，同时也可以节约爆破的药量，减少爆破过程中不正常的问题出现。一般情况下爆破药量的计算公式如下：

式中：Q为每排炮进尺总装药量，kg；q为单位内所消耗的药量，kg/m3；V为每进尺爆破下岩石的体积，m3；L为实际钻孔的深度，m；S为开挖断面的面积，m2；μ为炮孔利用率，μ=l’÷L，l’为爆破后的实际深度，m。

斜井中的渣土需要使用卷扬机来运输，此时需要在斜坡上铺设轨道并保障轨道和岩石保持紧密的贴合，防止出现轨道下滑的情况。轨道的斜坡段和平段进行连接时需以曲线的方式连接，再选择合适的位置进行挡车控制装置的设置。此外，斜坡段的轨道中心和牵引线还需要保持一致，并以地滑轮为承托。限制车辆运行的速度，使车速不超过1m/s。斜坡段上还应该安装人行道和安全扶手，人行道边缘地方和车辆外边的距离不能小于3m，而井内每100m就需要设置一个避车洞。

（4）开挖方法。在斜井开挖的过程中需要先开挖断面面积比较大的斜井中的导井，之后再进行下一步的挖掘工作。导井的位置需要根据导井的施工方法、钻井精度情况和断面面积来选择。采用人工挖掘或爬罐法挖掘导井时，导井的位置需设在断面的下部，和斜井的底边线距离应该保持在70～100cm，这样方便爆破后渣土的运输。此外，导井的底部还应该设置保护层。在使用反井钻机进行导井挖掘时，反井钻机的精度有限，导井在斜井端面中心之外，会让导井的导孔位置不在端面之内。长斜井的导井挖掘一般采取反井钻机法或爬罐法，需要根据两种方法的性能来选择。如果导井的长度在250m以下，倾斜角大于45°，选择反井钻机比较合适，此时也可以使用爬罐法；但是如果长度大于250m，选择爬罐法更为合适；而如果导井长度大于300m时，就需要采用爬罐法和人工自上往下挖掘法相结合的方式，一般来说，正导井的长度最好不要大于150m。导井直径在1.4m左右时可以采取反井钻机方式，并且还可以进行全断面的挖掘。导井的直径比较小，渣土比较容易堵塞井口，而自下往上先开挖3m导井直径，再进行自上往下的开挖，就不会出现堵塞井口的问题。在自下往上扩挖时可以选择吊笼法来挖掘，施工人员在吊笼内进行自下往上的挖掘，让井口形成辐射形的炮孔，之后从下往上地进行爆破工作，这种施工方式不仅速度快，而且还可以保障安全。采用反井钻机开挖的施工流程如下：施工准备—设备调试—定向钻进—定向钻反拉—反井钻机扩挖钻杆就位—反井钻机扩挖（形成导洞）—人工手风钻钻爆扩挖—支护。具体如图1所示。爬罐法采取ALIMAK爬罐，有电动和内燃区分。一般爬罐法的施工流程如下：安装爬罐—安装爬罐轨道—安装爬罐—爬罐就位—放样测量—钻孔—装药—爬罐到检修台处—爆破—排烟—爬罐上行—安全处理工作—接连爬罐轨道—爬罐上行就位—放样测量。

（5）斜井扩挖。在导井施工完成之后，开始进行从上到下的井口扩挖工作，之后进行材料的上下运输，一般采用卷扬机牵引轨道车，因为其拆卸安装不便，所以要一次性扩挖到变线位置。针对短斜井的运输可以使用爬梯。大断面的斜井可以分上下两部分进行，减少施工复杂性。

2.2 斜井的支护

图1 导洞扩挖示意图

一般情况下在斜井开始挖掘之前，要对斜井井壁周围的环境进行检测，检查是否存在一些危险性的因素，如井壁上的裂痕等，而针对井壁上的裂痕需要采取提高斜井支护强度的措施来保障支护的稳定性。在斜井施工的过程中，支护施工还需要根据现场的地质情况和分布情况进行。如果斜井的直径比较小，就需要通过运输台车来实现支护工作。而对于斜井内部的工作，也要根据现场的实际情况来进行。在进行混凝土施工的过程中，需要通过施工机械设备来辅助施工。同时还需要对施工的材料等进行重组准备工作，连接输料管和斜井下端的作业面，这样可以为斜井施工提供所需要的施工物资。在进行支护设计时，也要根据施工现场的情况来规划施工方案。一般情况下在设计深基坑支护结构时，可以采取悬臂式支护结构、内撑式支护结构以及拉锚式支护结构等。而具体的支护施工工艺流程可以参考以下流程：清理基层—砼初喷—搭设脚手架—钻孔—锚杆安装—钢筋网安装—喷砼。

2.3 斜井的衬砌

斜井的衬砌一般分两种类型，第一种类型是混凝土衬砌，第二种类型是钢管衬砌。

（1）混凝土衬砌。斜井混凝土衬砌一般包括承重排架组合模板施工工艺、滑模施工作业等方式。而在混凝土衬砌时主要采用滑模施工作业法。滑模施工作业法通常会应用在斜井倾斜角度比较大的（大于45°）施工中，在陡斜倾角的情况下滑模施工作业法的施工效果比较好。滑模的构成包括操作平台、抹面平台、模板、提升装置、框架结构和行走装置等。滑模作为斜井的施工方法，其模体为框架结构，稳定性好，可保证模体安全滑升，同时模体结构简单轻便、滑升速度较快。在滑模模体运行之前，需要把模板混凝土浇筑到模板2/3的位置，并在模板的上沿预留30～50cm的浇筑层。在混凝土达到脱模的强度之后，进行6cm左右的滑升，在完全脱模后进行正常滑升，而此时滑升的高度需控制在30cm以下，隔1.5h再继续滑升，滑模施工应尽量保持连续施工。为保证混凝土施工整体外观质量，在滑模施工过程中，应根据现场实际情况与滑升质量及时采取纠偏措施来纠偏。在检查结果达到相关的标准之后才可以继续施工。

（2）钢管衬砌。如果斜井是由钢管衬砌起来的，也就是把钢管当做混凝土进行模板衬砌，这时钢管混凝土模板衬砌需要从上往下进行施工，并且其中的钢管混凝土在浇筑时需要交替施工，以确保钢管的稳定性。另外，在水利水电工程施工过程中，周围环境比较复杂，周围的环境变化也会对现场的布置等产生影响。一般情况下，为了保障施工质量，需要对钢管的长度进行选择，钢管的长度在20～30m最为合适。钢管安装完成后，应立即进行混凝土回填浇筑。当混凝土强度达到设计强度的75%时就可以对相连接的钢管进行施工。如果混凝土的强度高于5MPa时，即可继续安装下一节钢管。具体施工如图2所示。

3 斜井施工工作中应注意的安全问题

3.1 钻爆前进行加固处理

在进行斜井开挖钻爆前，应对斜井周边的环境做详细的了解。同时，根据设计提供的地层岩性和围岩情况进行仔细研究分析（必要时可进行进一步的勘察），确定各项爆破参数及施工工艺。在保证安全的同时，还需要确保施工质量及施工进度。另外，还需要对斜井进口进行加固和防护处理，常采用对井口周边的围岩进行支护加固或者混凝土加固的措施。

图2 钢管衬砌及混凝土回填施工示意图

3.2 注意操作安全问题

在实际的操作过程中，斜井作业人员要严格按照相关的施工流程和标准来施工，并佩戴好安全绳和安全帽，以保护保护自身的生命安全。在出渣或混凝土浇筑过程中，卷扬机操作不当也会影响施工质量安全。因此，卷扬机施工人员需要提高自身的专业操作技术水平，并在操作之前进行好岗前的培训工作，保障卷扬机使用的安全性。

3.3 对境内残渣进行安全处理

在施工过程中，注意各种运输车的运输安全问题，固定运输材料，并且不能在施工现场堆放各种材料和杂物。参与爆破工作的各种材料向井下运输时，不能同时运送雷管和炸药，同时还需要注意监控运输设备的运行情况。另外，在斜井爆破之后，还需及时清除爆破的石渣垃圾，以免造成井口堵塞，使氧气无法进入井下，从而威胁施工人员的安全。

4 结束语

通过文章的分析和讨论可以发现，在水利水电工程的施工过程中，应用斜井施工技术是非常重要的，且斜井施工技术的每个环节和流程都需要引起足够的重视。因此，在施工时要充分掌握斜井施工技术及工艺要点，同时还要注意施工过程中的注意事项，从而保障斜井施工技术的施工质量，以及水利水电工程的质量。