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摘 要：水电站建设中，压力管道是相当重要的内容，需要做好斜井开挖以及测量控制。在本文就结合具体工程实例，对水电站斜井开挖以及测量控制方法进行探讨。
关键词：斜井；测量控制；水电站
中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0167-02
1 工程概况
金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游，为金汤河干流梯级开发的第二级水电站，该水电站以发电为主，为引水式开发，电站装机2台，总装机容量120MW（2×60MW）。该水电站为Ⅲ等中型工程，主要建筑物由首部枢纽、左岸引水隧洞、调水建筑物、调压室、压力管道、左岸地面厂房等建筑物组成。
该电站的主要建筑物压力管道为地下埋藏式，设计为圆型，开挖直径为4m，主要由上平段、上斜井段、中平段、下斜井段及下平段组成。下斜井段开挖完成，上斜井段包括上下两个转弯段长度为207.5m，其中斜线段长度165.64m，斜井与水平线夹角为60°。压力管道斜井全长416.017m，分上、下两口斜井，其中上斜井长207.530m，下斜井长208.487m。
2 开挖方案选择
作为施工企业，经济效益是首先考虑的前题。较优的施工方案是：辅助工程量小、设备简单、施工安全、施工速度快。在深斜井的反井施工中有普通法掘进反井法、吊罐反井法、爬罐法掘进反井法及反井钻井法。
普通法掘井反井法虽然有辅助工程量小，与其它作业相互影响小，不需要大型提绞设备等的优点，但是工作人员爬梯子上下困难、劳动强度大、材料运输不方便、坑木消耗量大、通风条件差、工作面易聚有害气体、在地质和水文地质条件较差时影响作业的安全，尤其在较高斜井施工中更为困难。
吊罐反井法与普通法比较有工效高、速度快、劳动强度较低、施工经济等优点，但它事先需要钻机打精度较高的绳眼，前期准备时间较长、通风条件差、工作面易聚有害气体，影响作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间加长，施工速度明显减慢。难以保证施工安全及进度；爬罐反井法与吊罐反井法比较类似，具有工效高、速度快、劳动强度低的优点，但是设备投资较大，通风条件差，工作面易聚有害气体，影響作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间较长，施工速度明显减慢。
反井钻井法较普通法和吊罐法的设备投入大，施工成本相对较高，但反井钻井法有工作效率高、施工安全、劳动强度低、工程质量好，因此钻机的高可靠性和安全性仍能保证在恶劣地质条件下以及深孔反井施工的经济性和高效性。
因此，该工程项目考虑了多方面因素，最终采用了用LM-200型反井钻井法对该斜井进行施工。
3 反井钻机施工技术要求
高压引水竖井属于较深的深井，施工难点主要是导井的施工，经过安全、技术、进度及经济比较100m以上竖井选型采用LM-200型反井钻机。
使用反井钻施工，先导孔的质量是整个竖井成型的关键，所以反导井施工的关键是如何解决先导孔偏差问题，先导孔偏差一般不应≥1%。为预防出现偏差出现，主要采取的措施为：在安装钻机时，精度控制在0.15%以内；先导孔施工时，井口向下30m，用1～3m/d的钻进速度；钻杆前30m增加稳定钻杆数量，前5m各一根，之后3：1到5：1最后到10：1；合理采用钻压和转速，并在开孔时采用扶正器等方法。
4 具体施工方法
4.1 先导孔施工
先导孔施工采用LM-200型反井钻机自上而下进行，钻头直径为216mm，由于金元水电站斜井倾角大、井身长，两条斜井均超过了200m，按照LM-200型反井钻机的性能，对井身长度超过150m左右的斜井，先导孔施工可一次性贯通，而对于井身超过了150m的上斜井和下斜井，采用人工自下至上扩挖人工导洞再寻找反井钻机钻头，上斜井实际钻进了160m左右，人工导洞约40m。
4.2 导井施工
直径为216mm的先导井施工顺利完成后，进入导井施工阶段，采用直径为1400mm的扩孔钻头，自下而上反提扩挖成直径为1400mm的导井。
4.3 扩挖施工
导井完成后，撤离反井钻机，进入人工扩挖阶段，采用光面爆破实施人工扩挖成井。
5 斜井施工测量控制
5.1 先导孔反井钻就位施工控制测量
了解到先导孔施工是影响斜井井挖是否顺利的关键作用，有的斜井先导孔施工孔位严重偏离斜井轴线，甚至偏离到开挖结构线外，给下一步的导孔扩导井施工带来非常大的难度，故反导井钻机正确就位和安装至关重要。
5.1.1 钻机就位测量控制
（1）采用压力管道施工坐标系，以调中为原点，水流方向为X轴；
（2）在距钻机5m左右及距中1.0m附近选一固定点A，作为反井钻机测量基准点，由高一等级测量控制点精确测定，测角（正、倒镜各一测回），测距（正、倒镜各二测回）；
（3）在A点设站，精确定向完成以后，放出起钻孔及轨道中心线并抄平；
（4）待钻机就位后，测设出钻机臂架倾角方向，使钻机臂架基本到位；
（5）钻机基本就位后在左、右臂架的侧面和下面的两端各标定观测点进行钻机姿态校正；
（6）仪器对中整平、设站、定向、检查确认无误后分别测得1、2、3、4点至洞中心线的垂距D1、D2、D3、D4进行钻机偏角校正，若∣D1-D2∣<1mm、∣D3-D4∣<1mm即臂架左右偏角满足要求；
（7）校正钻机臂架时分别测出5、6、7、8点的三维坐标，计算出臂架上斜距S56、S78，投影平距D56=S5-S6，D78=D7-D8，a1=COS-1（D56/S56）、a2=COS-1（D78/S78），若∣a-60°∣<30′′，即钻机臂角满足要求。 5.1.2 钻孔精度分析预算
（1）考虑到导井边线与设计开挖边线尚有1.3m的开挖厚度，测量是通過短边定长边，精度要求相当高。故允许导井最终轴线偏差控制在±0.3m范围内较合适。据此推算出钻杆倾角允许误差mΔ1=±5′34"，取1/2mΔ1作为钻杆倾角测量中误差，即为mβ=±2′47"，钻杆左右偏角中误差也为mΔ2=±2′47"。
（2）钻杆的倾角测定是主要精确测量出钻机臂架（因为臂架与钻杆平行）在同一平面上，同一轴线上、下两端点间的斜距，计算出投影平距再解算出倾角。根据臂架长度取两端点间斜距为2.2m，量距中误差为±0.7mm；投影平距1.1m，其中误差为1.5mm，侧倾角测量中误差m′β=±2′21"，小于2′47"，满足要求。
（3）钻杆左右偏角测定是精确测量钻杆臂架侧面两端点的距中偏差，取偏差测量中误差为1mm，则左右偏角中误差为1′34"，考虑测站定向偏差30"，也小于2′47"，满足精度要求。
5.1.3 贯通误差
金元水电站斜井？准216导孔贯通后，其上斜井下部偏离中心线1.5m，偏斜率为0.9%。从贯通结果分析：①误差的绝对值较大，但基本处于斜井开挖范围以内，讲误差是可控的，满足施工要求；②反井钻机在施工时有向下偏离的可能，也跟岩石的软硬程度有关，所以钻孔向下偏离，进行角度调整是很有必要的。
5.2 斜井井挖扩挖施工测量控制
斜井井挖扩挖施工测量工作是保证井挖施工质量最基础、最根本的工作，随着井身开挖的不断加深，采用常规的全站仪测量是根本无法达到规定的精度，主要原因为：①斜井倾角大、井身长、仪器架设操作困难；②冬季斜井内水雾弥漫、能见度差（大多仅为5～10m）；③洞内温度低、地下水大、安全风险大。故将斜井扩挖施工测量控制方法分为：①fx-5800p计算器配合全站仪测量放样法；②激光定位仪辅助测量放样法。
5.2.1 fx-5800p计算器配合全站仪测量放样法
由于斜井上、下弯段及井身局部可用fx-5800p计算器配合全站仪进行任意点测量放样，为便于施工放样特编定计算器程序如下：
XJKWFY
Lbl0：“1.SXD，2.XWD，3.SWD”：“N=”？N↙
IfN=1：ThenGoto1：Ifend↙
IfN=2：ThenGoto2：Ifend↙
IfN=3：ThenGoto3：Ifend↙
Lbl1：？X：？Y：？Z↙
Pol（X-235.985，Z-2310）：J<0=>J+360→J：120-J→W：Isin（W）→D：Icos（W）→C：“K=”：151.014+（177.188-C）→K
“S=”：SQRT（（Dcos（60）2+（Dsin（60））2+Y2）-2
Goto1↙
Lbl2：？X：？Y：？Z↙
Pol（X-247.532，Z-2330）：J<0=>J+360→J：270-J→W：247.532-20sin（W）→A：2330-20cos（W）→B：“S=”：SQRT（（Z-B）2+（X-A）2+Y2）-2
Goto2↙
Lbl3：？X：？Y：？Z↙
Pol（X-130.07，Z-2453.45）：J<0=>J+360→J：90-J→W：“K=”：130.07+20WЛ÷180→K
130.07+20sin（W）→A：2453.45+20cos（W）→B：“S=”：SQRT（（Z-B）2+（X-A）2+Y2）-2
Goto3↙
以上测量放样程序计算原理是：任意测量点位置推算、超欠挖计算和任意测量点到圆心的三维距离和桩号计算。
5.2.2 激光定位仪辅助测量放样法
在斜井井挖扩挖达到一定深度后，在井口上方设置3座固定支架，在支架上固定3台激光定位仪（斜井扩挖至少需要3台），分别定向井身的3个主要位置点，即斜井轴线上和两侧圆弧切点上（见图1）。因井挖爆破产生冲击波和其他因素对激光定位仪有扰动影响，因此定期对激光定位仪的位置进行复核调整。
6 结束语
通过四川金元水电站斜井井挖施工，笔者认为：
（1）通过施工实践证明在长斜井施工中采用反井钻机施工技术，确保了工程的施工安全，加快了施工进度，提高了工效，在金元水电站工程应用中取得了良好的效果。
（2）反井钻机施工技术对精度要求非常高，能否顺利完成施工，对反井钻机的校正、钻孔的测量误差分析极为重要。
（3）四川金元水电站斜井倾角大、井身长、井挖施工难度大、安全风险大，最终成功的完成了斜井井挖施工。该斜井井挖施工技术与测量控制方法值得在类似工程中借鉴与应用。
收稿日期：2018-10-3
作者简介：薛 强（1985-），男，甘肃武威人，工程师，主要从事水利水电工程施工与管理工作。
关键词：斜井；测量控制；水电站
中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0167-02
1 工程概况
金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游，为金汤河干流梯级开发的第二级水电站，该水电站以发电为主，为引水式开发，电站装机2台，总装机容量120MW（2×60MW）。该水电站为Ⅲ等中型工程，主要建筑物由首部枢纽、左岸引水隧洞、调水建筑物、调压室、压力管道、左岸地面厂房等建筑物组成。
该电站的主要建筑物压力管道为地下埋藏式，设计为圆型，开挖直径为4m，主要由上平段、上斜井段、中平段、下斜井段及下平段组成。下斜井段开挖完成，上斜井段包括上下两个转弯段长度为207.5m，其中斜线段长度165.64m，斜井与水平线夹角为60°。压力管道斜井全长416.017m，分上、下两口斜井，其中上斜井长207.530m，下斜井长208.487m。
2 开挖方案选择
作为施工企业，经济效益是首先考虑的前题。较优的施工方案是：辅助工程量小、设备简单、施工安全、施工速度快。在深斜井的反井施工中有普通法掘进反井法、吊罐反井法、爬罐法掘进反井法及反井钻井法。
普通法掘井反井法虽然有辅助工程量小，与其它作业相互影响小，不需要大型提绞设备等的优点，但是工作人员爬梯子上下困难、劳动强度大、材料运输不方便、坑木消耗量大、通风条件差、工作面易聚有害气体、在地质和水文地质条件较差时影响作业的安全，尤其在较高斜井施工中更为困难。
吊罐反井法与普通法比较有工效高、速度快、劳动强度较低、施工经济等优点，但它事先需要钻机打精度较高的绳眼，前期准备时间较长、通风条件差、工作面易聚有害气体，影响作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间加长，施工速度明显减慢。难以保证施工安全及进度；爬罐反井法与吊罐反井法比较类似，具有工效高、速度快、劳动强度低的优点，但是设备投资较大，通风条件差，工作面易聚有害气体，影響作业和安全，随着掘井深度的延深，辅助时间较长，施工速度明显减慢。
反井钻井法较普通法和吊罐法的设备投入大，施工成本相对较高，但反井钻井法有工作效率高、施工安全、劳动强度低、工程质量好，因此钻机的高可靠性和安全性仍能保证在恶劣地质条件下以及深孔反井施工的经济性和高效性。
因此，该工程项目考虑了多方面因素，最终采用了用LM-200型反井钻井法对该斜井进行施工。
3 反井钻机施工技术要求
高压引水竖井属于较深的深井，施工难点主要是导井的施工，经过安全、技术、进度及经济比较100m以上竖井选型采用LM-200型反井钻机。
使用反井钻施工，先导孔的质量是整个竖井成型的关键，所以反导井施工的关键是如何解决先导孔偏差问题，先导孔偏差一般不应≥1%。为预防出现偏差出现，主要采取的措施为：在安装钻机时，精度控制在0.15%以内；先导孔施工时，井口向下30m，用1～3m/d的钻进速度；钻杆前30m增加稳定钻杆数量，前5m各一根，之后3：1到5：1最后到10：1；合理采用钻压和转速，并在开孔时采用扶正器等方法。
4 具体施工方法
4.1 先导孔施工
先导孔施工采用LM-200型反井钻机自上而下进行，钻头直径为216mm，由于金元水电站斜井倾角大、井身长，两条斜井均超过了200m，按照LM-200型反井钻机的性能，对井身长度超过150m左右的斜井，先导孔施工可一次性贯通，而对于井身超过了150m的上斜井和下斜井，采用人工自下至上扩挖人工导洞再寻找反井钻机钻头，上斜井实际钻进了160m左右，人工导洞约40m。
4.2 导井施工
直径为216mm的先导井施工顺利完成后，进入导井施工阶段，采用直径为1400mm的扩孔钻头，自下而上反提扩挖成直径为1400mm的导井。
4.3 扩挖施工
导井完成后，撤离反井钻机，进入人工扩挖阶段，采用光面爆破实施人工扩挖成井。
5 斜井施工测量控制
5.1 先导孔反井钻就位施工控制测量
了解到先导孔施工是影响斜井井挖是否顺利的关键作用，有的斜井先导孔施工孔位严重偏离斜井轴线，甚至偏离到开挖结构线外，给下一步的导孔扩导井施工带来非常大的难度，故反导井钻机正确就位和安装至关重要。
5.1.1 钻机就位测量控制
（1）采用压力管道施工坐标系，以调中为原点，水流方向为X轴；
（2）在距钻机5m左右及距中1.0m附近选一固定点A，作为反井钻机测量基准点，由高一等级测量控制点精确测定，测角（正、倒镜各一测回），测距（正、倒镜各二测回）；
（3）在A点设站，精确定向完成以后，放出起钻孔及轨道中心线并抄平；
（4）待钻机就位后，测设出钻机臂架倾角方向，使钻机臂架基本到位；
（5）钻机基本就位后在左、右臂架的侧面和下面的两端各标定观测点进行钻机姿态校正；
（6）仪器对中整平、设站、定向、检查确认无误后分别测得1、2、3、4点至洞中心线的垂距D1、D2、D3、D4进行钻机偏角校正，若∣D1-D2∣<1mm、∣D3-D4∣<1mm即臂架左右偏角满足要求；
（7）校正钻机臂架时分别测出5、6、7、8点的三维坐标，计算出臂架上斜距S56、S78，投影平距D56=S5-S6，D78=D7-D8，a1=COS-1（D56/S56）、a2=COS-1（D78/S78），若∣a-60°∣<30′′，即钻机臂角满足要求。 5.1.2 钻孔精度分析预算
（1）考虑到导井边线与设计开挖边线尚有1.3m的开挖厚度，测量是通過短边定长边，精度要求相当高。故允许导井最终轴线偏差控制在±0.3m范围内较合适。据此推算出钻杆倾角允许误差mΔ1=±5′34"，取1/2mΔ1作为钻杆倾角测量中误差，即为mβ=±2′47"，钻杆左右偏角中误差也为mΔ2=±2′47"。
（2）钻杆的倾角测定是主要精确测量出钻机臂架（因为臂架与钻杆平行）在同一平面上，同一轴线上、下两端点间的斜距，计算出投影平距再解算出倾角。根据臂架长度取两端点间斜距为2.2m，量距中误差为±0.7mm；投影平距1.1m，其中误差为1.5mm，侧倾角测量中误差m′β=±2′21"，小于2′47"，满足要求。
（3）钻杆左右偏角测定是精确测量钻杆臂架侧面两端点的距中偏差，取偏差测量中误差为1mm，则左右偏角中误差为1′34"，考虑测站定向偏差30"，也小于2′47"，满足精度要求。
5.1.3 贯通误差
金元水电站斜井？准216导孔贯通后，其上斜井下部偏离中心线1.5m，偏斜率为0.9%。从贯通结果分析：①误差的绝对值较大，但基本处于斜井开挖范围以内，讲误差是可控的，满足施工要求；②反井钻机在施工时有向下偏离的可能，也跟岩石的软硬程度有关，所以钻孔向下偏离，进行角度调整是很有必要的。
5.2 斜井井挖扩挖施工测量控制
斜井井挖扩挖施工测量工作是保证井挖施工质量最基础、最根本的工作，随着井身开挖的不断加深，采用常规的全站仪测量是根本无法达到规定的精度，主要原因为：①斜井倾角大、井身长、仪器架设操作困难；②冬季斜井内水雾弥漫、能见度差（大多仅为5～10m）；③洞内温度低、地下水大、安全风险大。故将斜井扩挖施工测量控制方法分为：①fx-5800p计算器配合全站仪测量放样法；②激光定位仪辅助测量放样法。
5.2.1 fx-5800p计算器配合全站仪测量放样法
由于斜井上、下弯段及井身局部可用fx-5800p计算器配合全站仪进行任意点测量放样，为便于施工放样特编定计算器程序如下：
XJKWFY
Lbl0：“1.SXD，2.XWD，3.SWD”：“N=”？N↙
IfN=1：ThenGoto1：Ifend↙
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Pol（X-235.985，Z-2310）：J<0=>J+360→J：120-J→W：Isin（W）→D：Icos（W）→C：“K=”：151.014+（177.188-C）→K
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Goto2↙
Lbl3：？X：？Y：？Z↙
Pol（X-130.07，Z-2453.45）：J<0=>J+360→J：90-J→W：“K=”：130.07+20WЛ÷180→K
130.07+20sin（W）→A：2453.45+20cos（W）→B：“S=”：SQRT（（Z-B）2+（X-A）2+Y2）-2
Goto3↙
以上测量放样程序计算原理是：任意测量点位置推算、超欠挖计算和任意测量点到圆心的三维距离和桩号计算。
5.2.2 激光定位仪辅助测量放样法
在斜井井挖扩挖达到一定深度后，在井口上方设置3座固定支架，在支架上固定3台激光定位仪（斜井扩挖至少需要3台），分别定向井身的3个主要位置点，即斜井轴线上和两侧圆弧切点上（见图1）。因井挖爆破产生冲击波和其他因素对激光定位仪有扰动影响，因此定期对激光定位仪的位置进行复核调整。
6 结束语
通过四川金元水电站斜井井挖施工，笔者认为：
（1）通过施工实践证明在长斜井施工中采用反井钻机施工技术，确保了工程的施工安全，加快了施工进度，提高了工效，在金元水电站工程应用中取得了良好的效果。
（2）反井钻机施工技术对精度要求非常高，能否顺利完成施工，对反井钻机的校正、钻孔的测量误差分析极为重要。
（3）四川金元水电站斜井倾角大、井身长、井挖施工难度大、安全风险大，最终成功的完成了斜井井挖施工。该斜井井挖施工技术与测量控制方法值得在类似工程中借鉴与应用。
收稿日期：2018-10-3
作者简介：薛 强（1985-），男，甘肃武威人，工程师，主要从事水利水电工程施工与管理工作。