贊比亞下凱富峽水電站發電洞豎井開挖支護施工技術

羅悠 李洪濤 馮思敏 梁濤 邵祥

摘要：

為解決贊比亞下凱富峽水電站發電洞豎井開挖支護施工中存在的導井擴挖空間有限、豎向交叉作業安全風險高等問題，對豎井上彎段進行技術性擴挖，搭設上部承重施工平臺，安裝配備具有載人罐籠、下掛鋼結構全幅面操作平臺的門式起重機提升系統。該技術有效解決了小斷面豎井中施工運輸和施工平臺問題，實現了工程安全高效施工，適應了國際工程要求，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：

豎井； 開挖支護； 提升系統； 施工平臺； 操作平臺； 反井法； 下凱富峽水電站； 贊比亞

中圖法分類號：TV52

文獻標志碼：A

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

文章編號：1006-0081（2023）S1-0022-04

0 引 言

在水利水電工程中，發電洞豎井是引水發電系統的重要組成部分，其開挖支護施工大大影響工程整體施工的進度和質量。許多學者對豎井開挖支護施工進行了相關研究和工程實踐。溪洛渡水電站引水隧洞開挖中應用了地錨運輸系統和導井二次擴挖的施工方法，確保了施工質量［1］。白鶴灘、烏東德水電站工程中，大型豎井開挖支護施工應用龍門架和大型門式起重機搭配載人吊籃，取得了良好的施工效果［2-3］。近年來，隨著抽水蓄能電站建設的發展［4］，豎井開挖支護施工技術在張河灣、洪屏、清遠、沂蒙、陽江等一系列抽水蓄能電站豎井開挖中得到了廣泛的應用和發展［5-10］。在這些工程中，根據工程實際采用了小型移動式龍門架系統、天錨固定材料運輸提升系統、地錨配合卷揚機、鋼架配合卷揚機以及雙滾筒礦用絞車配合載人罐籠等施工方式，達到了較好的施工效果。向前等［11］提出了小斷面豎井正反井結合法開挖施工技術，并應用在小浪底引黃工程出水豎井的開挖支護施工中。

水電站發電隧洞小斷面豎井開挖支護施工往往面臨施工空間受限、豎向交叉作業安全風險高等問題，施工困難。本文對贊比亞下凱富峽水電站（Kafue Gorge Lower Hydropower Station）項目的發電洞豎井開挖支護施工技術進行研究，解決了該工程小斷面豎井開挖支護中的施工難題，實現工程的安全高效施工，可為其他工程提供相關技術參考。

1 工程概況

下凱富峽水電站位于非洲贊比亞的贊比西河支流凱富埃河上，是贊比亞最大的單體基礎設施項目（截至2023年）［12］。水電站共設5條發電洞，發電洞豎井段均由上彎段、垂直段和下彎段組成，單條發電洞豎井段深113.35 m，上下彎段軸線長度均為23.56 m，垂直段長度為83.35 m，豎井開挖直徑為6.0 m，下凱富峽水電站發電洞豎井剖面見圖1。

2 豎井開挖支護提升系統和施工平臺

2.1 豎井門式起重機提升系統

根據小斷面豎井反井法施工需求，采用小型門式起重機提升系統，額定起重量5 t，跨度6.6 m，起升高度軌道下120 m，滿足發電洞豎井施工高度要求。豎井門式起重機由主梁和支腿及下橫梁組成的門架、起升機構、機電設備等構成。整機結構如圖2所示。

門式起重機系統配備載人罐籠，導井擴挖期間的人員及材料上下交通均通過載人罐籠及下掛鋼平臺進行。系統配置超載限制器、力矩限制器、緩沖器、防墜器等安全裝置，在起重機吊載、力矩等超過額定值時，起重機會預警并停止。門式起重機安裝完成后，豎井內施工材料運輸全部通過門式起重機進行。

2.2 豎井上部施工平臺

2.2.1 施工平臺設計

根據發電洞豎井結構尺寸、豎井及彎段開挖支護施工所需承受的荷載、拆除難易程度以及豎井門式起重機的應用方式，搭建豎井上部施工平臺。施工平臺包括兩層I18工字鋼、10 mm鋼板和直徑25 mm、長4.5 m錨桿錨固的基礎混凝土平臺。施工平臺下層主梁I18工字鋼共14根（其中11根長度為6.8 m，3根長度5.5 m），上層次梁I18工字鋼共8根（長度為8.6 m），主梁下部支撐為高1 m的基礎混凝土，混凝土采用錨桿錨固，次梁上部鋪設10 mm厚的鋼板，豎井上部施工平臺布置形式見圖3。

2.2.2 施工平臺穩定分析

根據GB 50017-2017《鋼結構設計標準》，豎井上部施工平臺荷載由固定荷載、活荷載和施工動荷載組成，固定荷載和施工動荷載為鋼筋運輸車輛及起重機吊運時沖擊荷載（最大值20 t），活荷載為施工人員（10人，800 kg）。采用ANSYS建立豎井上部施工平臺的整體模型并進行有限元數值計算，得到工字鋼、鋼板等結構單元的應力、應變大小和分布特征。豎井上部平臺實體模型見圖4（a）；各部分形狀采用四面體單元劃分網格，模型劃分網格以后共有節點90 628個，單元306 038個，有限元模型網格劃分如圖4（b）所示。模型材料參數情況如表1所示。

應用ANSYS有限元軟件分析上彎段施工平臺穩定性，計算結果如圖5所示。上彎段施工平臺工字鋼最大應力105 MPa，鋼板應力最大值45.2 MPa，整體應力最大值為122 MPa，應力水平在13～27 MPa范圍變化，應力值均小于GB 50017-2017《鋼結構設計標準》的規范值（215 MPa）。工字鋼最大撓度2.63 mm，鋼板最大位移4.97 mm，變形量最大處位于荷載直接作用的鋼板上，工字鋼撓度最大值位于豎井洞口上方跨中，整體模型變形水平較低且未出現不利的變形部位，整體變形控制良好。模型整體的應力和位移計算結果表明，該平臺承載力滿足規范要求和工程建設需求。

3 豎井開挖支護施工

3.1 施工程序

發電洞豎井開挖需要考慮反井鉆機、門式起重機的安裝及運行空間需求，在施工中對上彎段頂拱部分和下彎段底弧部分進行技術性擴挖。豎井段使用反井鉆機開挖導孔（直徑216 mm），再進行導井（直徑1.4 m）開挖；導井開挖完成后，拆除反井鉆

機，搭設上彎段施工平臺，安裝豎井門式起重機，之后進行豎井的一擴、二擴開挖。一擴開挖溜渣井直徑3 m，二擴開挖直徑6 m。豎井施工流程如圖6所示。

3.2 彎段技術性擴挖

豎井上、下彎段均為軸線半徑15 m的直角彎弧。為滿足反井鉆機、門式起重機的安裝及運行空間需求、改善底部出渣條件，對豎井的上、下彎段采用技術性擴挖。上、下彎段擴挖部分分兩部分進行：與上、下平洞段相接的部位與平洞段一起施工，與豎井段相接的部分和豎井段一起施工。豎井彎段擴挖示意見圖7。

反井鉆機尺寸較小，下彎段超挖部分開挖體型斷面參數和發電洞下平段一致。本文中采用的門式起重機尺寸為7.22 m×5.69 m×5.71 m（長×寬×高），考慮到其安裝及運行空間需求以及頂部結構穩定需求，上彎段擴挖部分開挖斷面形狀采用城門洞形。上彎段技術擴挖尺寸見圖8。

3.3 豎井導井擴挖

發電洞豎井洞身采用光面爆破開挖、錨噴構筑法施工。豎井施工經過反井鉆機導孔及反拉鉆孔施工結束后形成直徑1.4 m的導井，第一次擴挖將1.4 m的導井擴挖成直徑3.0 m的溜渣井。溜渣井擴挖方法：人工乘坐1.3 m直徑的圓形吊籠，通過門式起重機提升系統下放到導井底部，YT-28手風鉆鉆鑿斜向下傘形布置的輻射孔，全部爆破孔一次性鉆設、自下而上逐次分段崩落爆破、自然溜渣。

3.4 豎井二次擴挖

發電洞豎井二次擴挖施工操作平臺采用I18工字鋼作為骨架，呈正八邊形，外切圓直徑4.5 m，其上焊接滿鋪Φ12 mm螺紋鋼鋼筋網片，縱橫間距最大10 cm。豎井二擴開挖時，鋼平臺下掛于載人罐籠下，在鉆孔及裝藥階段，直接坐落在掌子面上，封堵溜渣井，作為鉆孔及裝藥的操作平臺；在扒渣階段，通過豎井起重機吊離掌子面20～30 cm，吊離區域作為溜槽通道。鋼平臺覆蓋大部分豎井開挖掌子面，作為開挖鉆孔、扒渣施工的人員操作平臺和溜渣井防護井蓋，爆破鉆孔、扒渣操作均由施工人員在工作平臺上完成，無需登臨掌子面，大大提高了二次擴挖施工的安全。

4 結 語

在下凱富峽水電站發電洞豎井開挖支護施工中，采用了豎井門式起重機提升系統、豎井上部施工平臺及二次擴挖全幅面操作平臺等技術，有效解決了小斷面豎井中施工運輸和施工平臺問題，保證了工程的安全高效施工。下凱富峽水電站豎井在確保

工程施工質量和安全的同時提前完成開挖，節省施工成本235萬元。該施工技術可在類似的發電洞豎井和地下工程施工中推廣應用。

參考文獻：

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