淺埋大傾角不良地質長斜井開挖處理施工技術

張 坤

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某電站引水系統采用一洞四機形式布置，單機容量80 MW，屬大(2)型工程。引水建筑物由進水塔、發電引水隧洞、調壓室、壓力管道等組成。壓力管道采用斜井布置，斜井總長度為282.000 m，由上彎段、斜井段、下彎段共3部分組成。其中，斜井段長240.303 m，斜井軸線與水平面夾角為60°，為直徑6.2 m圓形斷面。在上平段、下平段處各設3#、4#兩條支洞，斷面為7.2 m×7.5 m(寬×高)城門洞型，滿足隧洞開挖、渣料運輸、通風排煙要求[1]。

結合地質勘測成果和已開挖的壓力管道上、下平段、已施工的先導孔錄像及返出的巖渣分析，斜井段上覆巖體厚度為137～254 m，巖性為D2h2凝灰質粉砂巖，以微風化～新鮮巖體為主，部分呈灰黃色的巖渣，局部存在較破碎～破碎巖體，沿大裂隙或層面有銹膜浸染，洞室以干燥為主，局部存在滴滲水，斜井段圍巖類別以Ⅳ類為主，局部存在Ⅴ類圍巖，發生塌方掉塊的可能性極大[2]。

斜井段采用LM-300反井鉆機從上平段進行反井鉆先導孔鉆孔施工，歷時212 d共計鉆孔147 m。施工過程中出現先導孔塌孔、卡鉆現象達20余次，采用水泥固壁19次及膨潤土固壁3次，但固壁加固效果不明顯，不僅降低了先導孔的施工速度，而且直接影響工程按期完工。

2 施工方案比選

此斜井段長達240.303 m，傾角為60°，上覆巖體厚度為137～254 m，圍巖類別以Ⅳ類為主，局部存在Ⅴ類圍巖，發生塌方掉塊后處理難度極大，且不能有效保證施工安全。

通過查閱斜井開挖的相關資料，目前斜井開挖施工比較實用的技術主要有全斷面開挖法和先開挖導井再擴挖成型法兩大類。

全斷面開挖法直接從上至下貫通，無須增設斜井，上平段施工完成即可施工，不受下平段的施工約束。但是出渣施工需要安設大型提升設備，一方面影響斜井上部調壓井的正常施工，另一方面出渣效率較低無法保證斜井施工進度，此段斜井的地質條件較差導致施工安全風險非常高，并且斜井的高度過高，洞內通風無法形成回路導致施工后期通風困難[3-6]。

先開挖導井再擴挖成型法包含吊罐、反井鉆機、爬罐等幾種施工方法，導井貫通后形成通風回路，施工渣料由導井溜下，從下平段運輸，施工方便且效率非常高，施工安全得到有效控制，施工進度可以有效保證。但是前期施工的導井因地質條件較差無法成孔，且鉆桿在重力的作用下，施工后期孔斜控制難度極大，嚴重影響工期。

根據各施工方法的特點，結合本工程實際情況，經過方案比選本工程采用新開支洞分段預固結灌漿加鋼護筒法這一施工新技術。

3 新開支洞分段預固結灌漿加鋼護筒法

在斜井段中部樁號管0+170.271開設支洞；進行新開支洞交匯處擴挖；上、下兩段斜井前后進行預固結灌漿；上段斜井先導孔、溜渣井施工，施工渣料從新開支洞出渣；下段斜井先導孔、溜渣井施工，施工渣料從壓力管道下平段4#支洞出渣；溜渣井內安裝鋼護筒；正井法進行斜井擴挖，利用鋼護筒從壓力管道下平段4#支洞出渣。新開支洞簡易剖面圖見圖1。

圖1 斜井段新開支洞簡易剖面圖(單位：m)

3.1 新開支洞施工

新開支洞斷面為城門洞型，總長220.113 m，坡比為8.68%，成型后斷面寬4.0 m,高4.5 m。因地質情況復雜，且圍巖較破碎，采用PC110反鏟進行全斷面機械開挖，支護采用掛網+錨桿+鋼拱架+噴混凝土的聯合支護方式。

3.2 新開支洞交匯處擴挖施工

考慮下段斜井溜渣井施工前要安裝反井鉆機，需對新支洞與斜井交匯處進行擴挖，具體擴挖尺寸由反井鉆機型號確定。為保證施工安全，交匯處范圍內，新開支洞、斜井范圍采用掛網噴混凝土加鋼支撐型式進行支護。在斜井邊墻處設置雙排環向鎖口錨桿，錨桿參數為Ф25，L=4 m，間排距1 m×1 m，使支洞與斜井頂部有機結合形成一個整體，確保交匯處的受力安全。開挖過程中遵循短進尺、弱爆破、多循環、勤支護的原則。施工過程中進行必要的安全監測，根據監測數據分析成果指導開挖、支護施工。

3.3 預固結灌漿施工

上下段斜井采用地質鉆機(300型)分別進行預固結灌漿：上段斜井孔深為99.327 m,下段斜井孔深為140.976 m,孔徑110 mm，預固結灌漿孔均勻布置于溜渣井(直徑為1.5 m)輪廓線上，孔距為1.3 m。灌漿壓力隨孔深的增加自0.3 MPa逐漸增大至2.5 MPa，水泥漿液采用水灰比5.0∶1、3.0∶1、2.0∶1、1.0∶1、0.7∶1和0.5∶1六個比級。灌漿施工采用后序孔施工時，通過吃漿量檢查前序孔的灌漿效果，在斜井先導孔及溜渣井成孔以后，利用孔內成像技術再次檢查灌漿效果。孔位布置見圖2。

圖2 預固結灌漿布孔(單位：cm)

3.4 上、下段斜井導井施工

上、下段斜井進行預固結灌漿后，采用LM-300反井鉆機施工先導孔(直徑0.21 m)，先導孔形成后利用反井鉆機反提形成直徑1.40 m的溜渣井，隨后安裝直徑1.20 m的鋼護筒。

3.5 DN1200鋼管現場安裝施工

首先，從上彎段進行上段斜井鋼管安裝，然后，從新開支洞交匯處進行下段斜井鋼管安裝，最后，從中部對接。

為了便于鋼管安裝，溜渣井形成后，對斜井上彎段頂部進行擴挖，擴挖深度滿足安裝工作面至天錨距離10～12 m。鋼管運輸至工作面后，采用機械設備配合手動葫蘆調整安裝角度。

鋼管安裝的角度調整完成后，對管節進行組焊，焊接在已開挖工作面上鋪設的型鋼平臺上進行。

3.6 DN1200鋼管參數及安裝范圍

DN1200(δ10 mm)鋼管直徑1.2 m，每米重量293.46 kg，單根6 m長鋼管總重為1.76 t，將斜井分為上、下兩段安裝，總長度為212 m，上段斜井長107 m，鋼管重量31.40 t，下段斜井長105 m，鋼管重量為30.81 t，安裝鋼管總重量為62.21 t。

3.7 DN1200鋼管安裝吊點設置方式

因外購DN1200鋼管材質為Q235，管壁厚度10 mm，上段斜井鋼管總吊裝重量為31.40 t，若采用焊接吊耳形式，因管節重量過大必然會導致吊點變形和撕裂，存在較大的安全風險。因此，采用在鋼管上預制起吊孔穿鎖定梁的方式進行管節的吊裝，鋼管安裝及吊點設置示意圖見圖3：

圖3 斜井溜渣井內鋼管安裝示意圖

3.8 設備的選型計算

鋼管安裝起重最大重量為31.40 t，行走輪與巖壁的摩擦系數取0.1，最大工況為：最后一節鋼管完成連接以后移除鎖定梁時所需拉力。提升鋼管所需牽引力為33.07 t。

根據設備選型計算，本工程采用鶴壁市雙民礦山機械有限公司生產的2JTP-1.2×0.8型號雙卷揚礦用絞車，該絞車60°坡度提升量可達到4 t，且采用12倍(6組)動滑輪，可以提升48 t重量，滿足本工程施工需要。此產品系變頻控制，而且電控系統配有制動單元，可設置自動減速段，正常操作情況下不產生沖擊力。

3.9 溜渣井內鋼管底部加固措施

上段斜井的鋼管放至新開支洞交匯處后，將鋼管底部與周邊鋼拱架進行焊接封堵，封堵完成后在鋼管與圍巖夾層內灌入1∶1水泥漿，使之與圍巖成為一個整體。同樣方法固定下段斜井鋼管，當上下兩段斜井分別固定完成后，再進行中部焊接連接。

3.10 溜渣井內鋼管安裝施工步驟

上段斜井鋼管安裝：第一步，將第一節鋼管(6 m)吊入溜渣井內，并借助型鋼平臺將其鎖定在井口；第二步，第二節鋼管(6 m)吊裝至第一節鋼管上方，并完成組對焊接；第三步，借助絞車將鋼管(12 m)下放至井口，同樣鎖定鋼管；第四步，第三節鋼管(6 m)吊裝至溜渣井口，仍進行組對焊接；第五步，借助絞車將鋼管(18 m)鋼管繼續下放鋼管。

按照以上步驟重復作業施工，并一次性吊裝、焊接所有管節。當安裝13～18節鋼管時需嚴格控制焊接質量，可增加拉板提升焊接牢固性，拉板數量不低于4組，且拉板長度≥600 mm，每次在鋼管下放之前將上節鋼管吊孔進行焊接封堵。按同樣的方法安裝下段斜井鋼管。

上段斜井和下段斜井分別安裝完成后，在新開支洞交匯處進行上下段連接，至此，溜渣井內鋼管安裝完畢，安裝總長度為212 m。鋼管全部安設完成后，從上至下進行正井法開挖，施工渣料通過鋼管下部的4#支洞運出。

4 結 語

針對本工程國內罕見的工程條件，在按原方案反井鉆法無法實施的前提下，采用新開支洞分段預固結灌漿加鋼護筒法這一施工技術，在實際施工中取得了較好的效果。

通過工程運用，新開支洞分段預固結灌漿加鋼護筒法適用于埋深淺、地質條件差、中等洞徑、長度大于150 m、傾角大于45°的斜井開挖施工，具有通風條件好、渣料運輸方便、工作效率高、工期可控、安全有保障等優點，不足之處在于增設支洞及鋼護筒不可避免的增加部分投資。綜上所述，這是一種安全實用的斜井施工新技術，建議推廣實施，同時希望給讀者提供借鑒參考。