赞比亚下凯富峡水电站发电洞竖井开挖支护施工技术

罗悠 李洪涛 冯思敏 梁涛 邵祥

摘要：

为解决赞比亚下凯富峡水电站发电洞竖井开挖支护施工中存在的导井扩挖空间有限、竖向交叉作业安全风险高等问题，对竖井上弯段进行技术性扩挖，搭设上部承重施工平台，安装配备具有载人罐笼、下挂钢结构全幅面操作平台的门式起重机提升系统。该技术有效解决了小断面竖井中施工运输和施工平台问题，实现了工程安全高效施工，适应了国际工程要求，可为类似工程提供参考。

关键词：

竖井； 开挖支护； 提升系统； 施工平台； 操作平台； 反井法； 下凯富峡水电站； 赞比亚

中图法分类号：TV52

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.007

文章编号：1006-0081（2023）S1-0022-04

0 引 言

在水利水电工程中，发电洞竖井是引水发电系统的重要组成部分，其开挖支护施工大大影响工程整体施工的进度和质量。许多学者对竖井开挖支护施工进行了相关研究和工程实践。溪洛渡水电站引水隧洞开挖中应用了地锚运输系统和导井二次扩挖的施工方法，确保了施工质量［1］。白鹤滩、乌东德水电站工程中，大型竖井开挖支护施工应用龙门架和大型门式起重机搭配载人吊篮，取得了良好的施工效果［2-3］。近年来，随着抽水蓄能电站建设的发展［4］，竖井开挖支护施工技术在张河湾、洪屏、清远、沂蒙、阳江等一系列抽水蓄能电站竖井开挖中得到了广泛的应用和发展［5-10］。在这些工程中，根据工程实际采用了小型移动式龙门架系统、天锚固定材料运输提升系统、地锚配合卷扬机、钢架配合卷扬机以及双滚筒矿用绞车配合载人罐笼等施工方式，达到了较好的施工效果。向前等［11］提出了小断面竖井正反井结合法开挖施工技术，并应用在小浪底引黄工程出水竖井的开挖支护施工中。

水电站发电隧洞小断面竖井开挖支护施工往往面临施工空间受限、竖向交叉作业安全风险高等问题，施工困难。本文对赞比亚下凯富峡水电站（Kafue Gorge Lower Hydropower Station）项目的发电洞竖井开挖支护施工技术进行研究，解决了该工程小断面竖井开挖支护中的施工难题，实现工程的安全高效施工，可为其他工程提供相关技术参考。

1 工程概况

下凯富峡水电站位于非洲赞比亚的赞比西河支流凯富埃河上，是赞比亚最大的单体基础设施项目（截至2023年）［12］。水电站共设5条发电洞，发电洞竖井段均由上弯段、垂直段和下弯段组成，单条发电洞竖井段深113.35 m，上下弯段轴线长度均为23.56 m，垂直段长度为83.35 m，竖井开挖直径为6.0 m，下凯富峡水电站发电洞竖井剖面见图1。

2 竖井开挖支护提升系统和施工平台

2.1 竖井门式起重机提升系统

根据小断面竖井反井法施工需求，采用小型门式起重机提升系统，额定起重量5 t，跨度6.6 m，起升高度轨道下120 m，满足发电洞竖井施工高度要求。竖井门式起重机由主梁和支腿及下横梁组成的门架、起升机构、机电设备等构成。整机结构如图2所示。

门式起重机系统配備载人罐笼，导井扩挖期间的人员及材料上下交通均通过载人罐笼及下挂钢平台进行。系统配置超载限制器、力矩限制器、缓冲器、防坠器等安全装置，在起重机吊载、力矩等超过额定值时，起重机会预警并停止。门式起重机安装完成后，竖井内施工材料运输全部通过门式起重机进行。

2.2 竖井上部施工平台

2.2.1 施工平台设计

根据发电洞竖井结构尺寸、竖井及弯段开挖支护施工所需承受的荷载、拆除难易程度以及竖井门式起重机的应用方式，搭建竖井上部施工平台。施工平台包括两层I18工字钢、10 mm钢板和直径25 mm、长4.5 m锚杆锚固的基础混凝土平台。施工平台下层主梁I18工字钢共14根（其中11根长度为6.8 m，3根长度5.5 m），上层次梁I18工字钢共8根（长度为8.6 m），主梁下部支撑为高1 m的基础混凝土，混凝土采用锚杆锚固，次梁上部铺设10 mm厚的钢板，竖井上部施工平台布置形式见图3。

2.2.2 施工平台稳定分析

根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》，竖井上部施工平台荷载由固定荷载、活荷载和施工动荷载组成，固定荷载和施工动荷载为钢筋运输车辆及起重机吊运时冲击荷载（最大值20 t），活荷载为施工人员（10人，800 kg）。采用ANSYS建立竖井上部施工平台的整体模型并进行有限元数值计算，得到工字钢、钢板等结构单元的应力、应变大小和分布特征。竖井上部平台实体模型见图4（a）；各部分形状采用四面体单元划分网格，模型划分网格以后共有节点90 628个，单元306 038个，有限元模型网格划分如图4（b）所示。模型材料参数情况如表1所示。

应用ANSYS有限元软件分析上弯段施工平台稳定性，计算结果如图5所示。上弯段施工平台工字钢最大应力105 MPa，钢板应力最大值45.2 MPa，整体应力最大值为122 MPa，应力水平在13～27 MPa范围变化，应力值均小于GB 50017-2017《钢结构设计标准》的规范值（215 MPa）。工字钢最大挠度2.63 mm，钢板最大位移4.97 mm，变形量最大处位于荷载直接作用的钢板上，工字钢挠度最大值位于竖井洞口上方跨中，整体模型变形水平较低且未出现不利的变形部位，整体变形控制良好。模型整体的应力和位移计算结果表明，该平台承载力满足规范要求和工程建设需求。

3 竖井开挖支护施工

3.1 施工程序

发电洞竖井开挖需要考虑反井钻机、门式起重机的安装及运行空间需求，在施工中对上弯段顶拱部分和下弯段底弧部分进行技术性扩挖。竖井段使用反井钻机开挖导孔（直径216 mm），再进行导井（直径1.4 m）开挖；导井开挖完成后，拆除反井钻

机，搭设上弯段施工平台，安装竖井门式起重机，之后进行竖井的一扩、二扩开挖。一扩开挖溜渣井直径3 m，二扩开挖直径6 m。竖井施工流程如图6所示。

3.2 弯段技术性扩挖

竖井上、下弯段均为轴线半径15 m的直角弯弧。为满足反井钻机、门式起重机的安装及运行空间需求、改善底部出渣条件，对竖井的上、下弯段采用技术性扩挖。上、下弯段扩挖部分分两部分进行：与上、下平洞段相接的部位与平洞段一起施工，与竖井段相接的部分和竖井段一起施工。竖井弯段扩挖示意见图7。

反井钻机尺寸较小，下弯段超挖部分开挖体型断面参数和发电洞下平段一致。本文中采用的门式起重机尺寸为7.22 m×5.69 m×5.71 m（长×宽×高），考虑到其安装及运行空间需求以及顶部結构稳定需求，上弯段扩挖部分开挖断面形状采用城门洞形。上弯段技术扩挖尺寸见图8。

3.3 竖井导井扩挖

发电洞竖井洞身采用光面爆破开挖、锚喷构筑法施工。竖井施工经过反井钻机导孔及反拉钻孔施工结束后形成直径1.4 m的导井，第一次扩挖将1.4 m的导井扩挖成直径3.0 m的溜渣井。溜渣井扩挖方法：人工乘坐1.3 m直径的圆形吊笼，通过门式起重机提升系统下放到导井底部，YT-28手风钻钻凿斜向下伞形布置的辐射孔，全部爆破孔一次性钻设、自下而上逐次分段崩落爆破、自然溜渣。

3.4 竖井二次扩挖

发电洞竖井二次扩挖施工操作平台采用I18工字钢作为骨架，呈正八边形，外切圆直径4.5 m，其上焊接满铺Φ12 mm螺纹钢钢筋网片，纵横间距最大10 cm。竖井二扩开挖时，钢平台下挂于载人罐笼下，在钻孔及装药阶段，直接坐落在掌子面上，封堵溜渣井，作为钻孔及装药的操作平台；在扒渣阶段，通过竖井起重机吊离掌子面20～30 cm，吊离区域作为溜槽通道。钢平台覆盖大部分竖井开挖掌子面，作为开挖钻孔、扒渣施工的人员操作平台和溜渣井防护井盖，爆破钻孔、扒渣操作均由施工人员在工作平台上完成，无需登临掌子面，大大提高了二次扩挖施工的安全。

4 结 语

在下凯富峡水电站发电洞竖井开挖支护施工中，采用了竖井门式起重机提升系统、竖井上部施工平台及二次扩挖全幅面操作平台等技术，有效解决了小断面竖井中施工运输和施工平台问题，保证了工程的安全高效施工。下凯富峡水电站竖井在确保

工程施工质量和安全的同时提前完成开挖，节省施工成本235万元。该施工技术可在类似的发电洞竖井和地下工程施工中推广应用。

参考文献：

［1］ 胡兴龙，欧阳水芽.溪洛渡水电站引水隧洞开挖施工技术［J］.广东水利水电，2010（12）：28-30.

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［10］ 邓鹏.阳蓄电站超深竖井开挖支护施工关键技术［J］.中国新技术新产品，2021（5）：83-85.

［11］ 向前，梁剑，蔡畅，等.300m级小断面深竖井正反井结合法开挖施工技术［J］.四川水利，2020，41（5）：25-29，43.

［12］ 高元博，靳俊杰.下凯富峡水电站碾压混凝土大坝层、缝间处理工艺［J］.西北水电，2021（4）：52-55.