新疆JH一级水电站引水发电系统工程长斜井开挖施工技术

孔德谦，柴 韬，何 陶

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610000)

1 工程概况

新疆JH项目一级发电引水系统引水隧洞斜井全长258m，与水平夹角60°，开挖洞径7.9m，石方开挖方量约1.5万m3。岩性以灰黑色中厚层夹薄层状凝灰质砂岩、凝灰质硅质砂岩为主，裂隙发育，岩体破碎，岩块间胶结程度差，存在裂隙不利组合，围岩稳定性差。斜井大部分洞段位于地下水位以下，存在外水压力及涌水问题，地质条件较为复杂。对比分析我国已建和在建的大型水电引水隧洞开挖洞径与围岩等别(见表1)[1-6]，JH项目一级发电引水系统引水隧洞虽洞径较小，但围岩以Ⅳ类为主，局部有Ⅴ类，与类似工程相较，施工难度较大。

表1 国内近期已建和在建大型水电工程引水隧洞洞径

2 斜井开挖施工方法

2.1 斜井开挖施工方法

斜井开挖施工方法于20世纪50年代最早出现在美国与德国的采矿工程领域，该方法将隧道掘进机和钻井法凿井机结合形成的井筒施工设备，用于施工矿山地下暗井、溜井、矿仓等导井工程。我国在80年代将反井钻机斜井开挖技术应用于煤矿地下工程中，煤炭科学研究总院研制出LM系列反井钻机，其中LM-120型反井钻机1986年第一次应用在开滦赵各庄矿，LM-200型反井钻机在1992年4月首次应用于十三陵抽水蓄能电站，完成直径1.4m、深度158m出线竖井导井施工。斜井开挖施工技术先后在国内大多数水电站和抽水蓄能电站等工程应用，最大竖井深度316m，最大斜井长度236m(倾角50°)，由于斜井施工技术具有安全、快速、高质量等优势，在地下工程建设具有良好应用与推广价值。

2.2 正、反井钻法

根据《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》(DL/T 5099-2011)[7]及类似施工经验，斜井开挖方式一般为正井法和反井钻法。正井法使用范围较广，不受地质条件影响，但安全隐患较多、施工进度较缓；反井钻法更高效、安全、使用更为广泛，一般用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩中，对地质条件要求较高。对于Ⅳ、Ⅴ类围岩地质条件下，长斜井若采用反井钻施工，可采用预固结灌浆先加固围岩进行解决，但一般情况下，这类围岩中不用反井法，而用正井开挖一次到位，边开挖边支护成型。

考虑到正井法施工安全隐患、工期制约、施工成本等因素影响，本工程决定采用反井钻法施工。因围岩破碎，自稳能力差，成孔、成井困难，必须对斜井围岩进行加固处理。通过查阅规范，灌浆孔顶角垂直或小于5°的钻孔在100m时的偏差达到2.5m；大于5°的斜孔和深度大于100m的斜孔的偏差将更大，超过2.5%。如果对250m的斜井直接进行固结灌浆，其偏差将超过10m，根据相邻建筑物竖井深孔预固结灌浆扩散范围，灌浆布孔数量将达到10个以上，且在250m深斜孔(与水平面夹角60°)灌浆中，很难保证固结灌浆有效范围控制在导井周边围岩内，具有较大的风险性。因此，本工程需增加一条施工支洞，既可保证预固结灌浆效果，也可优化预固结灌浆孔数。为了保证斜井扩挖溜渣过程中导井井壁不发生坍塌，导井形成后及时安装钢护筒进行护壁。

新疆JH项目引水隧道斜井开挖工程采取预固结灌浆、施工支洞、钢护筒护壁等施工措施，有效地保证了反井钻法在特殊地质条件下长斜井中的应用。

3 斜井施工难点

(1)从安全、工期、成本等影响因素对比分析特殊地质条件下长斜井开挖施工方法；

(2)若采用反井钻法，需改善地质条件，对围岩进行预加固处理；

(3)通过查阅规范，大于100m的孔斜偏差很难控制，如果对250m的斜井直接进行固结灌浆，其偏差将超过10m，很难保证固结灌浆有效范围控制在导井周边围岩内，具有较大的风险性；

(4)是否增加施工支洞，控制孔斜、保证预固结灌浆效果，优化灌浆孔数；

(5)固结灌浆只是预加固导井周边围岩，导井形成后是否安装钢护筒进行护壁。

4 斜井施工方法比选

4.1 正井法

施工机械布置：全断面自上而下施工。钻爆法配合机械进行开挖，采用双卷扬矿用绞车牵引提升斗车出渣。总体布置为：在压力管道管0+019处布置双卷扬矿用绞车一台，轨道采用30kg/m钢轨、锚杆固定，轨距3.5m，沿斜井布置；提升斗车为容积为8.88m3(实际装料虚方4m3)的侧卸式矿车，其尺寸为2m×3.7m×1.2m(长×宽×高)。考虑到竖井扩挖、引水隧洞浇筑等施工干扰，需增加一条交通洞，进口位于3#支洞0+233处，出口位于压力管道管0+035出，交通洞尺寸为4m×4.5m，长度约70m。开挖渣料通过提升斗车运输至压力管道与交通洞交汇处卸料，通过交通洞、3#支洞出渣。矿用绞车布置见图1。

图1 矿用绞车平面布置

施工总周期：根据施工设备配置和施工经验，经计算，斜井开挖统一按Ⅴ类围岩考虑，每一循环进尺1m，每个循环为27h，斜井总长250m，共计250个循环进尺，6750h，每天按20h的有效工作时间，计算施工工期为338d。双卷扬矿用绞车安装调试计划60d。交通洞开挖、支护不占总工期。正井法施工总周期398d，见表2。经计算分析，正井法共增加工程投资382万元。

表2 压力管道开挖排炮作业循环时间估算

安全管理：渣料提升过程中易发生飞石、落渣、飘车等，斜井内作业环境存在重大安全隐患，安全管理大度极大。

4.2 反井法

(1)施工机械布置：采用在斜井中部管0+173.21处开设施工支洞，利用施工支洞将斜井分成上、下两段进行施工，上段斜井长104m，下段斜井长146m。每段仍采用LM-300反井钻机造孔，形成导井，斜井扩挖时，利用导井出渣。

(2)施工总周期：灌浆平台布置两台300型地质钻机，斜井预固结灌浆每天钻灌约10m，上段斜井预固结灌浆总量321m，施工工期约33d。根据施工设备配置和施工经验，新支洞开挖每个循环进尺平均按1.5m计算，每个循环为11h，新支洞总长220m，共计147个循环进尺，1617h，每天按20h的有效工作时间，计算施工工期约81d。新支洞开挖期间进行上段斜井预固结灌浆，不占用总工期。经计算，斜井开挖统一按Ⅴ类围岩考虑，每一循环进尺1m，每个循环为12h，斜井总长250m，共计250个循环进尺，3000h，每天按20h的有效工作时间，计算施工工期约150d。下段斜井预固结灌浆总量438m，每天钻灌10m，计划工期约44d。反井钻机施工斜井上半段时，可同时进行下半段灌浆，反井钻施工计划约20d。导井内安装钢管安装计划约10d。本方案总施工工期约301d，见表3。经计算，反井钻法共增加工程投资352万元。

表3 开挖排炮作业循环时间估算

(3)安全管理：无重大安全隐患，主要为正常安全管理。

4.3 斜井开挖施工方法选取

(1)施工总周期：反井钻法较正井法提前工期97d；

(2)工程投资：反井钻法较正井法提节约工程投资30万元；

(3)安全管理：反井钻法更高效、安全；

(4)新增支洞辅以固结灌浆可有效改善导井周边围岩状况。

通过上述对比分析，综合比较本工程引水隧洞开挖过程的技术性、经济性、安全性与可操作性，选取反井钻的斜井施工方法是可行的。

5 结语

本文以新疆JH一级发电引水系统工程引水隧洞斜井开挖为研究对象，以地质条件较差条件下长斜井反井钻法开挖施工为主要研究内容，从安全生产、提高生产效率、优化投资的角度出发，采取预固结灌浆、新增支洞、钢护筒护壁等施工措施，有效地保证了反井钻法在特殊地质条件下长斜井中的应用，不仅能优化资金投入，还降低了施工过程中的安全风险。形成一套完整施工工艺，对推动行业技术进步与发展具有重要意义。