斜井施工技術在水利水電工程中的應用

王有慶

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

1 水利水電工程斜井施工技術概述

1.1 斜井施工技術現狀

斜井的作用非常多，包括飲水，作為出線井以及施工支洞等作用，一般情況下斜井的傾斜角度需要控制在45～60°，有一些通風斜井的傾斜角度在61～75°。從目前斜井施工技術的發展情況來看，很多的水利水電工程大多是一些惠民工程，具有供水、供電、蓄能的作用，受到引水斜井長、水頭比較高等方面的影響，斜井施工技術在水利水電工程施工過程中的應用并不容易把控。因此，對斜井施工技術的研究還需要不斷地優化，以更好地促進斜井施工技術的發展。

1.2 斜井的類型

斜井類型的劃分原則主要是根據水利水電不同的施工要求來劃分，斜井一般分四種類型：（1）施工斜井。該類斜井主要應用于施工過程中的臨時通道中，是為了滿足現場施工要求布置的斜井，例如交通洞等。該類型斜井的主要特點是在對施工斜井進行挖掘的過程中，其斜度最大不能超過25°，同時需對斷面直徑進行控制，斷面不應過大，且按照自上而下的施工順序施工。（2）高壓管道斜井。該類斜井主要應用于壩后引水發電廠、引水隧洞靠近發電廠房側。高壓管道斜井施工工藝中，斜井施工的傾斜角度通常設定在40～60°，有時也會根據施工項目的現場情況進行調整，施工的斜度小于40°，另外在斷面直徑方面一般要求小于7.5m，有時也會出現7.5～9m的情況。在施工的過程中斜井的周圍需要設置通道，這樣可以便于施工過程中的運輸等工作。（3）泄洪洞斜井。該類斜井主要應用于大型水庫或者水電站，主要用于水庫泄洪。該類斜井一般傾斜的角度在30°以下，斷面的尺寸和其他類型的斜井相比是最大的，并且泄洪洞斜井也需要配備相應的通道。（4）通風斜井和電纜斜井。這種類型的斜井斷面比較小，但是施工難度較大。

2 水利水電工程斜井主要施工技術要點

2.1 斜井的開挖

（1）斜井開挖前應對施工環境及地質情況進行勘察與分析。針對不同類型、不同斷面、不同地質條件的斜井采取的開挖方式也不一樣。在斜井開挖前，應該對斜井布置的位置進行詳細的地質勘察，全面準確地掌握斜井開挖位置的情況。在斜井開挖施工過程中出現最多的問題是由于地質原因不明造成的斜井坍塌，只有在全面準確地掌握了斜井的地質情況后，才能采取更加科學有效的施工方法，實現預期的效果。在施工過程中，水文地質包括地溫情況、易熔巖區情況、地質構造情況、水文地質條件情況、地層巖性情況、巖體應力情況、有害氣體或放射性元素的性質變化情況、含量分布范圍情況以及井口周圍的穩定性情況等。這些都是斜井開挖施工需要考慮的問題。另外，在確定斜井開挖的方案后，應該針對方案中的地質條件情況和實際地質情況進行綜合對比分析，以實際地質條件為主，進行方案的調整，確定最為科學合理的施工方案。如果實際的地質情況和目前掌握的地質情況出入比較大時，應立即召開相應的專題會，必要時要對斜井進行進一步的地質勘探。在施工的過程中如果遇到巖爆、涌水、大面積的坍塌和大圍巖層變形等問題，需要進行記錄并把這些資料信息及時地反映給參建管理方，找原因、定方案，及時地進行處理。

（2）斜井的開挖施工。針對不同類型、不同斷面以及具有一定斜度的斜井，開挖方式及采用的開挖設備均有不同。①開挖準備階段。目前的斜井開挖分為從上往下開挖、從下往上開挖以及導洞擴張開挖法等幾種開挖方式。當斜井傾斜度小于30°時，可采用從下往上的方式開挖；當斜井斜度在30～45°時，可采用從上往下全斷面開挖的方式開挖。采用從上往下全斷面開挖時，應先對斜井的進口進行支護，確保斜井井口的穩定；當斜井傾斜度大于45°時，則可以采用導洞擴張法開挖，先根據斜井斷面確定導洞的斷面直徑從上往下開挖導洞，然后從上往下擴挖。②設備選擇。現階段，在斜井導井施工的過程中，采用爬罐和反井鉆機的時候比較多。這兩種設備都有各自施工的條件，爬罐通常情況下不能超過400m，反井鉆機不能大于300m。因此，如果遇到斜井的長度比較長，超過400m時就需要采取支洞的方式。在施工的過程中對同一個斜井進行上下兩段同時施工時，需要保留上段和下段之間的巖塞，并且巖塞的長度要大于2倍的斜井直徑，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離。施工支洞和斜井相交的位置要保障大于25m長的平段，同時平段和斜井需要保持在一個鉛錘面上，不能出現空間錯位，其最大的作用是方便斜井工作人員的行動和材料的運輸。此外，斜井和平洞連接的位置還需要進行支護加固，之后再進行斜井后段的施工，保障圍巖的穩固性。

（3）開挖爆破技術分析。通常情況下在進行斜井開挖時使用的都是防水性的炸藥，如乳化炸藥，這種炸藥爆破后產生的有害性氣體比較少，比較適合斜井開挖施工。起爆雷管一般都是使用的非電雷管，不會受到散電流的影響，因此在地下使用的安全性比較高。導洞的擴挖采用爆破施工，爆破一般采用光面爆破。爆破之前還應該對施工現場的地質進行勘測，如對爆破過程中的震動情況，以及地質巖土中的含水量情況、節理裂縫發育情況等進行勘測；還要對光面爆破以及緩坡位置的爆破參數進行設計，根據需要爆破現場的實際情況來設計，這樣才可以保障爆破工作的質量和安全，同時也可以節約爆破的藥量，減少爆破過程中不正常的問題出現。一般情況下爆破藥量的計算公式如下：

式中：Q為每排炮進尺總裝藥量，kg；q為單位內所消耗的藥量，kg/m3；V為每進尺爆破下巖石的體積，m3；L為實際鉆孔的深度，m；S為開挖斷面的面積，m2；μ為炮孔利用率，μ=l’÷L，l’為爆破后的實際深度，m。

斜井中的渣土需要使用卷揚機來運輸，此時需要在斜坡上鋪設軌道并保障軌道和巖石保持緊密的貼合，防止出現軌道下滑的情況。軌道的斜坡段和平段進行連接時需以曲線的方式連接，再選擇合適的位置進行擋車控制裝置的設置。此外，斜坡段的軌道中心和牽引線還需要保持一致，并以地滑輪為承托。限制車輛運行的速度，使車速不超過1m/s。斜坡段上還應該安裝人行道和安全扶手，人行道邊緣地方和車輛外邊的距離不能小于3m，而井內每100m就需要設置一個避車洞。

（4）開挖方法。在斜井開挖的過程中需要先開挖斷面面積比較大的斜井中的導井，之后再進行下一步的挖掘工作。導井的位置需要根據導井的施工方法、鉆井精度情況和斷面面積來選擇。采用人工挖掘或爬罐法挖掘導井時，導井的位置需設在斷面的下部，和斜井的底邊線距離應該保持在70～100cm，這樣方便爆破后渣土的運輸。此外，導井的底部還應該設置保護層。在使用反井鉆機進行導井挖掘時，反井鉆機的精度有限，導井在斜井端面中心之外，會讓導井的導孔位置不在端面之內。長斜井的導井挖掘一般采取反井鉆機法或爬罐法，需要根據兩種方法的性能來選擇。如果導井的長度在250m以下，傾斜角大于45°，選擇反井鉆機比較合適，此時也可以使用爬罐法；但是如果長度大于250m，選擇爬罐法更為合適；而如果導井長度大于300m時，就需要采用爬罐法和人工自上往下挖掘法相結合的方式，一般來說，正導井的長度最好不要大于150m。導井直徑在1.4m左右時可以采取反井鉆機方式，并且還可以進行全斷面的挖掘。導井的直徑比較小，渣土比較容易堵塞井口，而自下往上先開挖3m導井直徑，再進行自上往下的開挖，就不會出現堵塞井口的問題。在自下往上擴挖時可以選擇吊籠法來挖掘，施工人員在吊籠內進行自下往上的挖掘，讓井口形成輻射形的炮孔，之后從下往上地進行爆破工作，這種施工方式不僅速度快，而且還可以保障安全。采用反井鉆機開挖的施工流程如下：施工準備—設備調試—定向鉆進—定向鉆反拉—反井鉆機擴挖鉆桿就位—反井鉆機擴挖（形成導洞）—人工手風鉆鉆爆擴挖—支護。具體如圖1所示。爬罐法采取ALIMAK爬罐，有電動和內燃區分。一般爬罐法的施工流程如下：安裝爬罐—安裝爬罐軌道—安裝爬罐—爬罐就位—放樣測量—鉆孔—裝藥—爬罐到檢修臺處—爆破—排煙—爬罐上行—安全處理工作—接連爬罐軌道—爬罐上行就位—放樣測量。

（5）斜井擴挖。在導井施工完成之后，開始進行從上到下的井口擴挖工作，之后進行材料的上下運輸，一般采用卷揚機牽引軌道車，因為其拆卸安裝不便，所以要一次性擴挖到變線位置。針對短斜井的運輸可以使用爬梯。大斷面的斜井可以分上下兩部分進行，減少施工復雜性。

2.2 斜井的支護

圖1 導洞擴挖示意圖

一般情況下在斜井開始挖掘之前，要對斜井井壁周圍的環境進行檢測，檢查是否存在一些危險性的因素，如井壁上的裂痕等，而針對井壁上的裂痕需要采取提高斜井支護強度的措施來保障支護的穩定性。在斜井施工的過程中，支護施工還需要根據現場的地質情況和分布情況進行。如果斜井的直徑比較小，就需要通過運輸臺車來實現支護工作。而對于斜井內部的工作，也要根據現場的實際情況來進行。在進行混凝土施工的過程中，需要通過施工機械設備來輔助施工。同時還需要對施工的材料等進行重組準備工作，連接輸料管和斜井下端的作業面，這樣可以為斜井施工提供所需要的施工物資。在進行支護設計時，也要根據施工現場的情況來規劃施工方案。一般情況下在設計深基坑支護結構時，可以采取懸臂式支護結構、內撐式支護結構以及拉錨式支護結構等。而具體的支護施工工藝流程可以參考以下流程：清理基層—砼初噴—搭設腳手架—鉆孔—錨桿安裝—鋼筋網安裝—噴砼。

2.3 斜井的襯砌

斜井的襯砌一般分兩種類型，第一種類型是混凝土襯砌，第二種類型是鋼管襯砌。

（1）混凝土襯砌。斜井混凝土襯砌一般包括承重排架組合模板施工工藝、滑模施工作業等方式。而在混凝土襯砌時主要采用滑模施工作業法。滑模施工作業法通常會應用在斜井傾斜角度比較大的（大于45°）施工中，在陡斜傾角的情況下滑模施工作業法的施工效果比較好。滑模的構成包括操作平臺、抹面平臺、模板、提升裝置、框架結構和行走裝置等。滑模作為斜井的施工方法，其模體為框架結構，穩定性好，可保證模體安全滑升，同時模體結構簡單輕便、滑升速度較快。在滑模模體運行之前，需要把模板混凝土澆筑到模板2/3的位置，并在模板的上沿預留30～50cm的澆筑層。在混凝土達到脫模的強度之后，進行6cm左右的滑升，在完全脫模后進行正常滑升，而此時滑升的高度需控制在30cm以下，隔1.5h再繼續滑升，滑模施工應盡量保持連續施工。為保證混凝土施工整體外觀質量，在滑模施工過程中，應根據現場實際情況與滑升質量及時采取糾偏措施來糾偏。在檢查結果達到相關的標準之后才可以繼續施工。

（2）鋼管襯砌。如果斜井是由鋼管襯砌起來的，也就是把鋼管當做混凝土進行模板襯砌，這時鋼管混凝土模板襯砌需要從上往下進行施工，并且其中的鋼管混凝土在澆筑時需要交替施工，以確保鋼管的穩定性。另外，在水利水電工程施工過程中，周圍環境比較復雜，周圍的環境變化也會對現場的布置等產生影響。一般情況下，為了保障施工質量，需要對鋼管的長度進行選擇，鋼管的長度在20～30m最為合適。鋼管安裝完成后，應立即進行混凝土回填澆筑。當混凝土強度達到設計強度的75%時就可以對相連接的鋼管進行施工。如果混凝土的強度高于5MPa時，即可繼續安裝下一節鋼管。具體施工如圖2所示。

3 斜井施工工作中應注意的安全問題

3.1 鉆爆前進行加固處理

在進行斜井開挖鉆爆前，應對斜井周邊的環境做詳細的了解。同時，根據設計提供的地層巖性和圍巖情況進行仔細研究分析（必要時可進行進一步的勘察），確定各項爆破參數及施工工藝。在保證安全的同時，還需要確保施工質量及施工進度。另外，還需要對斜井進口進行加固和防護處理，常采用對井口周邊的圍巖進行支護加固或者混凝土加固的措施。

圖2 鋼管襯砌及混凝土回填施工示意圖

3.2 注意操作安全問題

在實際的操作過程中，斜井作業人員要嚴格按照相關的施工流程和標準來施工，并佩戴好安全繩和安全帽，以保護保護自身的生命安全。在出渣或混凝土澆筑過程中，卷揚機操作不當也會影響施工質量安全。因此，卷揚機施工人員需要提高自身的專業操作技術水平，并在操作之前進行好崗前的培訓工作，保障卷揚機使用的安全性。

3.3 對境內殘渣進行安全處理

在施工過程中，注意各種運輸車的運輸安全問題，固定運輸材料，并且不能在施工現場堆放各種材料和雜物。參與爆破工作的各種材料向井下運輸時，不能同時運送雷管和炸藥，同時還需要注意監控運輸設備的運行情況。另外，在斜井爆破之后，還需及時清除爆破的石渣垃圾，以免造成井口堵塞，使氧氣無法進入井下，從而威脅施工人員的安全。

4 結束語

通過文章的分析和討論可以發現，在水利水電工程的施工過程中，應用斜井施工技術是非常重要的，且斜井施工技術的每個環節和流程都需要引起足夠的重視。因此，在施工時要充分掌握斜井施工技術及工藝要點，同時還要注意施工過程中的注意事項，從而保障斜井施工技術的施工質量，以及水利水電工程的質量。