斜井開挖激光導(dǎo)向施工工法

1、斜井開挖激光導(dǎo)向施工工法SDJTGF007-2007中國(guó)水利水電建設(shè)集團(tuán)公司王鵬禹 姬脈興 皮高華 王振山 徐景輝 1、前言本施工工法旨在明確斜井開挖激光導(dǎo)向施工各個(gè)環(huán)節(jié)的具體操作，確保斜井施工快速、準(zhǔn)確。在斜井施工中，施工分導(dǎo)井開挖施工和擴(kuò)挖施工。按施工導(dǎo)井分為：正導(dǎo)井法和反導(dǎo)井法。在斜井施工中比較常用的導(dǎo)井開挖方法為：人工輔助設(shè)備施工法（掘進(jìn)升降機(jī)爬罐）和機(jī)械施工法（反井鉆法）。目前國(guó)內(nèi)常用爬罐法進(jìn)行施工，它具有快速、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但是斜井開挖激光導(dǎo)向施工的測(cè)量問題一直是一個(gè)關(guān)注的技術(shù)問題，他關(guān)系到導(dǎo)井的方向、施工的進(jìn)度、測(cè)量技術(shù)是否能夠滿足施工要求，尤其是導(dǎo)井施工到一定長(zhǎng)度，在

2、通視條件差，怎樣進(jìn)行測(cè)量，控制激光導(dǎo)向，達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，編寫斜井開挖激光導(dǎo)向施工工法，以便于斜井施工。本斜井開挖激光導(dǎo)向施工工法,運(yùn)用于山西抽水蓄能電站斜井中施工，浙江銅柏抽水蓄能電站斜井中施工、仁宗海電站斜井中施工，指導(dǎo)了工程的施工測(cè)量，達(dá)到了精確貫通。2、工法特點(diǎn)本施工工法特點(diǎn)：為測(cè)量人員提供了在斜井開挖激光導(dǎo)向施工中，測(cè)量的方法、測(cè)量控制點(diǎn)的等級(jí)要求、控制點(diǎn)的布設(shè)、測(cè)量設(shè)備的選型，提供了技術(shù)要求和滿足測(cè)量規(guī)范、遇到測(cè)量問題的解決辦法，便于測(cè)量快速準(zhǔn)確的完成斜井施工。3、適用范圍本工法適用于水工建筑物100米以上的斜井的施工測(cè)量。在斜井導(dǎo)井的施工中，采用本工法利用激光導(dǎo)向儀器設(shè)備，控制導(dǎo)

3、向達(dá)到導(dǎo)井貫通，提高貫通精度，滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。4、工藝原理4.1 斜井開挖激光導(dǎo)向施工工藝原理目的：在水工建筑物中斜井設(shè)計(jì)比較廣泛運(yùn)用于輸水系統(tǒng)，施工難度大，設(shè)計(jì)要求精度高，相應(yīng)施工測(cè)量作業(yè)的難度和高危作業(yè)都很大，工法規(guī)范要求斜井開挖激光導(dǎo)向施工施工測(cè)量的方法，提高工效。工藝原理：在斜井的施工中，測(cè)量進(jìn)行控制點(diǎn)加密，將測(cè)量控制網(wǎng)點(diǎn)加密到作業(yè)區(qū)，從而進(jìn)行測(cè)量放樣，在斜井的正、反導(dǎo)井施工中，采用激光給斜井施工提供快捷，高效的激光導(dǎo)向，控制導(dǎo)井方向，指導(dǎo)導(dǎo)井放樣，怎樣提高貫通精度，是在測(cè)量的過(guò)程中得到控制，才能得以實(shí)現(xiàn)。在導(dǎo)井完成后，進(jìn)行導(dǎo)井?dāng)U挖，測(cè)量放樣出設(shè)計(jì)邊線，滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制

4、超欠挖，加快施工進(jìn)度，都是在測(cè)量人員的測(cè)量放樣下才能完成。導(dǎo)井開挖一般分為：正井法和反井法，人工正導(dǎo)井的方法：是從上至下的開挖方法，一般施工鉆爆開挖，人工或輔助一定小型出渣設(shè)備通過(guò)導(dǎo)井在導(dǎo)井頂部出渣的施工方法。正導(dǎo)井法由于鉆爆成本高，出渣困難，在實(shí)際施工中采用較少；反導(dǎo)井法：是從下向上開挖導(dǎo)井的方式。反導(dǎo)井開挖具有：快速、安全、出渣便捷等優(yōu)點(diǎn)。而反導(dǎo)井開挖一般選用短斜井采用人工架設(shè)施工平臺(tái)，長(zhǎng)斜井選用機(jī)動(dòng)平臺(tái)（爬罐）和反井鉆施工方法。4.2、斜井施工測(cè)量首先在考慮斜井施工測(cè)量時(shí)，須對(duì)斜井特殊布設(shè)近井控制點(diǎn)，而且近井控制點(diǎn)必須納入基本導(dǎo)線中施測(cè)。這樣就相當(dāng)于用為保證貫通而設(shè)的洞內(nèi)第一級(jí)控制基本導(dǎo)

5、線直接放樣。斜井貫通后，將在近井點(diǎn)上直接測(cè)量貫通誤差，進(jìn)行貫通平差。 測(cè)量規(guī)范1 水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范 DL/T5099-19992 國(guó)家三四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范 GB12898-913 水電水利工程施工測(cè)量規(guī)范 DLT 5173-20034 國(guó)家三角測(cè)量規(guī)范GBT 17942-2000正導(dǎo)井斜井開挖激光導(dǎo)向施工測(cè)量1 正導(dǎo)井近井點(diǎn)的布設(shè)導(dǎo)井布置在斜井?dāng)嗝嬷胁?，其中心軸線與斜井中心軸線鉛垂面重合。為了便于放樣，正導(dǎo)井近井點(diǎn)布置在導(dǎo)井中心軸線反向延長(zhǎng)線上距斜井上部平段（或彎段）為點(diǎn)位，測(cè)量控制點(diǎn)盡可能的位于導(dǎo)井中心線上。施測(cè)后求得近井點(diǎn)成果，根據(jù)其樁號(hào)、高程等數(shù)據(jù)計(jì)算出在實(shí)際斜井中的位置

6、關(guān)系。2 具體實(shí)施1）采用全站儀對(duì)正導(dǎo)井進(jìn)行測(cè)量放樣。放樣時(shí)在近井點(diǎn)架設(shè)儀器，后視上一個(gè)基本導(dǎo)線點(diǎn)，水平角轉(zhuǎn)至引水洞設(shè)計(jì)中心線方向，用正倒鏡法于掌子面上放出兩點(diǎn)，坡度符合設(shè)計(jì)坡度，并標(biāo)出一條方向線，然后根據(jù)該點(diǎn)與方向線在設(shè)計(jì)導(dǎo)井中的位置，用鋼尺支距法將導(dǎo)井輪廓線放出。2）在導(dǎo)井施工長(zhǎng)度15m后，安裝激光指向儀，在距激光器5m處安裝激光覘牌，用激光控制導(dǎo)井方向。（覘牌為一塊菱形鐵板，下面焊接一個(gè)伸縮管，伸縮管由4鋼管和6鋼管組成，可以使覘牌上下調(diào)整位置。覘牌固定在激光定向儀前方的巖壁上，讓激光束從覘牌的目標(biāo)孔穿過(guò)，起到定位的作用，目標(biāo)孔孔徑8mm。）3）采用全站儀測(cè)量導(dǎo)井位置、樁號(hào)及高程并進(jìn)行精

7、確的檢測(cè)，以提前預(yù)計(jì)貫通誤差及制定貫通計(jì)劃，調(diào)正作業(yè)導(dǎo)井的位置，提高貫通精度。 反導(dǎo)井斜井開挖激光導(dǎo)向施工測(cè)量反導(dǎo)井施工采用激光定向儀控制反導(dǎo)井的測(cè)量方案，包括激光指向儀的安裝、使用，激光束的定位、檢核，放樣。 1、 反導(dǎo)井近井點(diǎn)的布設(shè)反導(dǎo)井近井點(diǎn)（控制點(diǎn)）的布置原則仍然是保證精度、便于放樣，根據(jù)導(dǎo)井中心在各個(gè)樁號(hào)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)來(lái)設(shè)置。如采用爬罐作業(yè)，要考慮到爬罐本身的結(jié)構(gòu)，為了便于控制激光，近井點(diǎn)設(shè)在下平段與斜井相交處底板上，埋設(shè)兩點(diǎn)，分別埋在中心線偏左約80cm及中心線偏右60cm處，各埋設(shè)一塊鐵板，上面作點(diǎn)，同樣納入基本導(dǎo)線進(jìn)行施測(cè)。2、 采用激光指向儀在反導(dǎo)井施工中，采用在近井點(diǎn)架設(shè)儀器進(jìn)

8、行測(cè)量放樣時(shí)，每次由于儀器架高不同，測(cè)量數(shù)據(jù)必須重新進(jìn)行計(jì)算，測(cè)量比較繁瑣。另外，由于爬罐的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致只有軌道兩側(cè)可以有空隙通視，這樣儀器架設(shè)的高度也很難控制，而且每次架設(shè)儀器均需對(duì)近井點(diǎn)所在之處的堆渣進(jìn)行處理，增加了測(cè)量放樣的時(shí)間和測(cè)量人員及設(shè)備的危險(xiǎn)性，而且隨著開挖深度的增加，通視條件逐步惡劣，為之所需要的通風(fēng)時(shí)間成倍增加，而采用激光定向儀后不但可以連續(xù)提供中心方向線，又可以定期檢測(cè)，與施工可以融洽配套，減少了工序，減少了測(cè)量危險(xiǎn)程度，具有既保證精度，又安全快捷的優(yōu)點(diǎn)。3 、反導(dǎo)井施工激光指向儀的安裝在反井開挖一定距離（20m）后，安裝激光定向儀。為了減少爆破石渣對(duì)激光定向儀的撞擊及便于利用

9、爬罐平臺(tái)控制及實(shí)測(cè)激光，激光定向儀安裝在距斜井反導(dǎo)井口35m的頂拱上，需要將激光定向儀安裝在中心線偏左約80cm的位置上。為了保護(hù)罩能最好的保護(hù)激光及便于安裝激光定向儀，要求頂拱巖壁開挖平整，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及保護(hù)罩開孔的最佳位置，需要比設(shè)計(jì)頂拱超挖約20cm。安裝前，首先在近井點(diǎn)上架設(shè)全站儀，后視上一個(gè)基本導(dǎo)線點(diǎn)，轉(zhuǎn)至斜井方向。在預(yù)先確定的安裝位置上，在儀器的指揮下，先將激光儀安裝中心線在巖壁上放出，利用激光定向儀定位板將安裝孔位放出，鉆孔后，用膨脹螺栓將激光定向儀安裝在巖壁上。同樣方法將激光定向儀的兩目標(biāo)孔位點(diǎn)位放出并安裝。并安裝激光指向儀光覘牌4 、激光定向儀的控制檢查激光定向儀安裝固定以后

10、，首先通過(guò)測(cè)設(shè)激光管底部末端管中心線的三維坐標(biāo)及激光管口中心的三維坐標(biāo)，對(duì)激光管進(jìn)行粗調(diào)，顧及激光管的直徑（約6cm），計(jì)算后求出激光束的基本位置，然后進(jìn)行精確調(diào)整及校正。在激光定向儀調(diào)整好以后，將激光定向儀的厚鋼板保護(hù)罩安裝就位。5 、斜井軸線測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算利用大地座標(biāo)轉(zhuǎn)換施工座標(biāo)的方法，利用座標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式計(jì)算，具體公式如下：E=（X1-X0）SIN a+（H1-H0）COS aS=（H1-H0）COS a-（X1-X0）SIN a 注；E 斜長(zhǎng)，S 距中心距離，X0 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)樁號(hào)，H0 旋轉(zhuǎn)點(diǎn)高程 a 旋轉(zhuǎn)角度 X1 、H1 為測(cè)量點(diǎn)座標(biāo) 說(shuō)明：左右樁號(hào)Y1即為測(cè)量得工程座標(biāo)系左右數(shù)據(jù) 6、誤差

11、分析：經(jīng)計(jì)算，20m內(nèi)3角度可以使激光束點(diǎn)最大偏移1.7cm。根據(jù)實(shí)際作業(yè)，目標(biāo)覘牌隨開挖進(jìn)尺，向前延伸，當(dāng)導(dǎo)井開挖到80M以后 ，為保證導(dǎo)井的方向準(zhǔn)確性，將覘牌安裝在距激光指向儀60M處。為了減弱系統(tǒng)誤差，激光定向儀要經(jīng)常性檢查校正，5、6個(gè)施工循環(huán)校正調(diào)整一次，而且要讓調(diào)整偏差正負(fù)值以均等概率出現(xiàn)。通過(guò)上述辦法進(jìn)行實(shí)測(cè)、調(diào)整至設(shè)計(jì)的方向與傾角。通過(guò)較長(zhǎng)距離的基線來(lái)精確控制激光。理論和實(shí)踐證明，隨著進(jìn)尺延伸，前排目標(biāo)孔上移后，在一定的距離（200m）內(nèi)，由于調(diào)整校正激光束的基線延長(zhǎng)，非常有利于將激光束調(diào)整至相對(duì)精度相當(dāng)高的程度。按照比例概念，設(shè)100m的基線誤差為20mm，即使延伸控制500

12、m，誤差也僅為100mm，滿足導(dǎo)井開挖精度要求。7、要求開挖作業(yè)人員，每次作業(yè)前，必須調(diào)正激光穿過(guò)覘牌，作業(yè)面用激光點(diǎn)控制放樣作業(yè)邊線。4.2.4 斜井?dāng)U挖的測(cè)量放樣1、擴(kuò)挖時(shí)測(cè)量控制點(diǎn)加密 在斜井進(jìn)行擴(kuò)挖時(shí)，控制點(diǎn)的加密點(diǎn)距按斜距5080M布設(shè)，點(diǎn)位測(cè)量方法按支導(dǎo)線，加密點(diǎn)的精度要求按等加密。同時(shí)要進(jìn)行貫通測(cè)量平差。2、擴(kuò)挖測(cè)量放樣1）在斜井的擴(kuò)挖測(cè)量放樣，采用全站儀進(jìn)行放樣，計(jì)算工具用CASIO FX4500p（或FX4800P），根據(jù)設(shè)計(jì)圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程計(jì)算，編程必須同設(shè)計(jì)圖數(shù)據(jù)校對(duì)，無(wú)誤后方可運(yùn)用。2）在放樣時(shí)，測(cè)量放樣邊線要加支護(hù)厚度為開挖邊線，不能出現(xiàn)欠挖，控制超挖。3）當(dāng)開挖滿足

13、設(shè)計(jì)體型尺寸后，按規(guī)范要求進(jìn)行開挖斷面測(cè)量，作為竣工資料上報(bào)、存擋。4）不要用激光指向儀控制開挖邊線（這種設(shè)備控制邊線是在全站儀不具備無(wú)梭鏡測(cè)距時(shí)，用于控制擴(kuò)挖邊線），激光指向儀控制邊線，易出現(xiàn)超欠挖，影響進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益。5 機(jī)具設(shè)備 5.1 全站儀的選擇： 在斜井的施工測(cè)量時(shí)，測(cè)量用的全站儀建議選用以下系列設(shè)備徠卡TCR802 徠卡TCR702 徠卡TCR402 TGRTCR303（因?yàn)閺瓶═CR系列全站儀采用激光和紅外光同軸，選用激光可無(wú)梭鏡測(cè)量，上述全站儀基座小，便于測(cè)量?jī)A角600以下的斜井）5.2 激光指向儀的選擇： 在斜井正、反導(dǎo)井施工時(shí)，激光指向儀建議選用以下系列設(shè)備：（爬罐配用的

14、設(shè)備除外，當(dāng)原配的激光指向儀不能完成時(shí)，可選用以下設(shè)備）陜西神華光電有限公司 YJH800或 YJH800A 徐州天測(cè)測(cè)繪儀器設(shè)備有限公司YBJ-600型激光指向儀的光有綠色光和紅色光，綠色光比紅色光在斜井內(nèi)的穿透力強(qiáng)。5.3 設(shè)備配置序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量備注1全站儀1套按上全站儀的選擇配置2計(jì)算器（FX-4500P，F(xiàn)X-4800P）33激光指向儀根椐作業(yè)面的數(shù)量配4對(duì)講機(jī)3臺(tái)6 勞動(dòng)組織測(cè)量人員（按一作業(yè)面）序號(hào)人員數(shù)量備注1技術(shù)人員1名助工或工程師2測(cè)量工2名3輔助工2名7 質(zhì)量控制7.1 測(cè)量作業(yè)人員必須按規(guī)范要求作業(yè)，進(jìn)行控制點(diǎn)加密、放樣。7.2 測(cè)量人員必須熟悉圖紙，檢查圖紙中平面、立

15、面、交接面的圖紙尺寸是否相同。7.3 測(cè)量人員在熟悉圖紙的同時(shí)，要熟悉工程座標(biāo)換算的旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)大地同工程座標(biāo)系的關(guān)系，對(duì)換算程序要同照?qǐng)D紙進(jìn)行校算，無(wú)誤方可運(yùn)用。7.4 測(cè)量的放樣數(shù)據(jù)要保存，在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量交底必須在現(xiàn)場(chǎng)用文字交接，以免發(fā)生用錯(cuò)數(shù)據(jù)造成錯(cuò)誤施工。8 安全設(shè)措8.1 在斜井上布設(shè)的加密控制點(diǎn)，要提前進(jìn)行測(cè)量控制點(diǎn)位平臺(tái)開挖，平臺(tái)尺寸1左右，周圍設(shè)安全護(hù)欄，以確保在作業(yè)人員和測(cè)量設(shè)備的安全，點(diǎn)位要用風(fēng)鉆造孔埋鋼筋頭（埋深20），測(cè)量控制點(diǎn)布設(shè)的測(cè)量報(bào)告報(bào)監(jiān)理部門審批。8.2 測(cè)量人員在進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，要按安全規(guī)范正確使用安全帽、安全帶，在斜井50m要配備氧氣設(shè)備，在井入施工面前

16、，必須啟動(dòng)供風(fēng)設(shè)備，供風(fēng)15 鐘后，人員再進(jìn)入測(cè)量區(qū)。3、在反導(dǎo)井測(cè)量時(shí),測(cè)量?jī)x器駕在下部,危險(xiǎn)程度很高,在作業(yè)前要求施工人員對(duì)作業(yè)上部的危石進(jìn)行清理,工器具放置好.在測(cè)量作業(yè)時(shí),測(cè)站人員要提前預(yù)計(jì)撒退方向.要設(shè)安全觀看人員,如有下落物,測(cè)量設(shè)備、人員可及時(shí)撒離。9 經(jīng)濟(jì)效益分析本工法以工程的實(shí)際施工測(cè)量經(jīng)驗(yàn)、借鑒了國(guó)內(nèi)其他工程單位在斜井施工測(cè)量的技術(shù)方法，編制而成。9.1 社會(huì)效益在西龍池抽水蓄能電站的長(zhǎng)斜井施工中，采用科研和生產(chǎn)相結(jié)合的方式，用反井鉆和阿里瑪克聯(lián)合施工，成功得高精度地貫通了長(zhǎng)515.474m，坡度56度的斜井，創(chuàng)造了爬罐施工導(dǎo)井382m的國(guó)內(nèi)最新紀(jì)錄，阿里瑪克爬罐測(cè)量貫通誤

17、差40，反井鉆偏斜0.44%，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。加快了施工速度，縮短了施工工期，確保了工程的順利進(jìn)行。9.2 經(jīng)濟(jì)效益長(zhǎng)斜井作業(yè)環(huán)境差，異常危險(xiǎn)，經(jīng)常發(fā)生事故。測(cè)量人員的作業(yè)在高危區(qū)作業(yè)，提高測(cè)量人員放樣速度和測(cè)量的準(zhǔn)確性對(duì)工程的進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益都有好的成效。在施工中我們采用國(guó)產(chǎn)激光指向儀替代進(jìn)口激光指向儀，節(jié)約成本60%,且維護(hù)簡(jiǎn)便,該指向儀功率大、可調(diào)焦、射程長(zhǎng)、抗干擾性能好。10 工程實(shí)例本工法運(yùn)用于西龍池抽水蓄能電站和仁宗海水庫(kù)電站、漸江桐柏抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)斜井施工的斜井施工測(cè)量。10.1 西龍池抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)斜井施工西龍池抽水蓄能電站位于山西省五臺(tái)縣境內(nèi)，電站裝機(jī)容量為12

18、00MW，輸水系統(tǒng)包括上水庫(kù)進(jìn)/出水口，壓力管道上平段、引水事故閘門井、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管、高壓支管，尾水隧洞、尾水閘門井及下水庫(kù)進(jìn)/出水口等。壓力管道采用“一管兩機(jī)”供水方式，尾水隧洞采用“一洞一機(jī)”布置，引水隧洞單洞總長(zhǎng)分別為1#1448.33m、2#1431.18m，單條壓力管道斜洞長(zhǎng)為756.59m。上平段內(nèi)徑5.2/4.7m，上斜井內(nèi)徑4.7m，中平段和下斜井上部?jī)?nèi)徑為4.2m，下斜井下部及下平段內(nèi)徑3.5m。在距廠房中心線54m左右布置高壓岔管，岔管采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型鋼岔管，分岔角為75，公切球直徑4.1m。岔管將每條高壓主管分成2條內(nèi)徑為2.5m的高壓支管。尾水隧洞有4條，單洞長(zhǎng)度為362.19m456.88m。斜井分為上斜井斜長(zhǎng)515m，坡度為56O，下斜井斜長(zhǎng)242m，坡度為60 O。高差大，坡度陡，