斜井开挖激光导向施工工法

1、斜井开挖激光导向施工工法SDJTGF007-2007中国水利水电建设集团公司王鹏禹 姬脉兴 皮高华 王振山 徐景辉 1、前言本施工工法旨在明确斜井开挖激光导向施工各个环节的具体操作，确保斜井施工快速、准确。在斜井施工中，施工分导井开挖施工和扩挖施工。按施工导井分为：正导井法和反导井法。在斜井施工中比较常用的导井开挖方法为：人工辅助设备施工法（掘进升降机爬罐）和机械施工法（反井钻法）。目前国内常用爬罐法进行施工，它具有快速、安全、高效、经济等优点。但是斜井开挖激光导向施工的测量问题一直是一个关注的技术问题，他关系到导井的方向、施工的进度、测量技术是否能够满足施工要求，尤其是导井施工到一定长度，在

2、通视条件差，怎样进行测量，控制激光导向，达到设计技术标准，编写斜井开挖激光导向施工工法，以便于斜井施工。本斜井开挖激光导向施工工法,运用于山西抽水蓄能电站斜井中施工，浙江铜柏抽水蓄能电站斜井中施工、仁宗海电站斜井中施工，指导了工程的施工测量，达到了精确贯通。2、工法特点本施工工法特点：为测量人员提供了在斜井开挖激光导向施工中，测量的方法、测量控制点的等级要求、控制点的布设、测量设备的选型，提供了技术要求和满足测量规范、遇到测量问题的解决办法，便于测量快速准确的完成斜井施工。3、适用范围本工法适用于水工建筑物100米以上的斜井的施工测量。在斜井导井的施工中，采用本工法利用激光导向仪器设备，控制导

3、向达到导井贯通，提高贯通精度，满足规范、设计标准。4、工艺原理4.1 斜井开挖激光导向施工工艺原理目的：在水工建筑物中斜井设计比较广泛运用于输水系统，施工难度大，设计要求精度高，相应施工测量作业的难度和高危作业都很大，工法规范要求斜井开挖激光导向施工施工测量的方法，提高工效。工艺原理：在斜井的施工中，测量进行控制点加密，将测量控制网点加密到作业区，从而进行测量放样，在斜井的正、反导井施工中，采用激光给斜井施工提供快捷，高效的激光导向，控制导井方向，指导导井放样，怎样提高贯通精度，是在测量的过程中得到控制，才能得以实现。在导井完成后，进行导井扩挖，测量放样出设计边线，满足规范、设计要求，严格控制

4、超欠挖，加快施工进度，都是在测量人员的测量放样下才能完成。导井开挖一般分为：正井法和反井法，人工正导井的方法：是从上至下的开挖方法，一般施工钻爆开挖，人工或辅助一定小型出渣设备通过导井在导井顶部出渣的施工方法。正导井法由于钻爆成本高，出渣困难，在实际施工中采用较少；反导井法：是从下向上开挖导井的方式。反导井开挖具有：快速、安全、出渣便捷等优点。而反导井开挖一般选用短斜井采用人工架设施工平台，长斜井选用机动平台（爬罐）和反井钻施工方法。4.2、斜井施工测量首先在考虑斜井施工测量时，须对斜井特殊布设近井控制点，而且近井控制点必须纳入基本导线中施测。这样就相当于用为保证贯通而设的洞内第一级控制基本导

5、线直接放样。斜井贯通后，将在近井点上直接测量贯通误差，进行贯通平差。 测量规范1 水工建筑物地下开挖工程施工技术规范 DL/T5099-19992 国家三四等水准测量规范 GB12898-913 水电水利工程施工测量规范 DLT 5173-20034 国家三角测量规范GBT 17942-2000正导井斜井开挖激光导向施工测量1 正导井近井点的布设导井布置在斜井断面中部，其中心轴线与斜井中心轴线铅垂面重合。为了便于放样，正导井近井点布置在导井中心轴线反向延长线上距斜井上部平段（或弯段）为点位，测量控制点尽可能的位于导井中心线上。施测后求得近井点成果，根据其桩号、高程等数据计算出在实际斜井中的位置

6、关系。2 具体实施1）采用全站仪对正导井进行测量放样。放样时在近井点架设仪器，后视上一个基本导线点，水平角转至引水洞设计中心线方向，用正倒镜法于掌子面上放出两点，坡度符合设计坡度，并标出一条方向线，然后根据该点与方向线在设计导井中的位置，用钢尺支距法将导井轮廓线放出。2）在导井施工长度15m后，安装激光指向仪，在距激光器5m处安装激光觇牌，用激光控制导井方向。（觇牌为一块菱形铁板，下面焊接一个伸缩管，伸缩管由4钢管和6钢管组成，可以使觇牌上下调整位置。觇牌固定在激光定向仪前方的岩壁上，让激光束从觇牌的目标孔穿过，起到定位的作用，目标孔孔径8mm。）3）采用全站仪测量导井位置、桩号及高程并进行精

7、确的检测，以提前预计贯通误差及制定贯通计划，调正作业导井的位置，提高贯通精度。 反导井斜井开挖激光导向施工测量反导井施工采用激光定向仪控制反导井的测量方案，包括激光指向仪的安装、使用，激光束的定位、检核，放样。 1、 反导井近井点的布设反导井近井点（控制点）的布置原则仍然是保证精度、便于放样，根据导井中心在各个桩号的设计坐标来设置。如采用爬罐作业，要考虑到爬罐本身的结构，为了便于控制激光，近井点设在下平段与斜井相交处底板上，埋设两点，分别埋在中心线偏左约80cm及中心线偏右60cm处，各埋设一块铁板，上面作点，同样纳入基本导线进行施测。2、 采用激光指向仪在反导井施工中，采用在近井点架设仪器进

8、行测量放样时，每次由于仪器架高不同，测量数据必须重新进行计算，测量比较繁琐。另外，由于爬罐的结构导致只有轨道两侧可以有空隙通视，这样仪器架设的高度也很难控制，而且每次架设仪器均需对近井点所在之处的堆渣进行处理，增加了测量放样的时间和测量人员及设备的危险性，而且随着开挖深度的增加，通视条件逐步恶劣，为之所需要的通风时间成倍增加，而采用激光定向仪后不但可以连续提供中心方向线，又可以定期检测，与施工可以融洽配套，减少了工序，减少了测量危险程度，具有既保证精度，又安全快捷的优点。3 、反导井施工激光指向仪的安装在反井开挖一定距离（20m）后，安装激光定向仪。为了减少爆破石渣对激光定向仪的撞击及便于利用

9、爬罐平台控制及实测激光，激光定向仪安装在距斜井反导井口35m的顶拱上，需要将激光定向仪安装在中心线偏左约80cm的位置上。为了保护罩能最好的保护激光及便于安装激光定向仪，要求顶拱岩壁开挖平整，根据实际经验及保护罩开孔的最佳位置，需要比设计顶拱超挖约20cm。安装前，首先在近井点上架设全站仪，后视上一个基本导线点，转至斜井方向。在预先确定的安装位置上，在仪器的指挥下，先将激光仪安装中心线在岩壁上放出，利用激光定向仪定位板将安装孔位放出，钻孔后，用膨胀螺栓将激光定向仪安装在岩壁上。同样方法将激光定向仪的两目标孔位点位放出并安装。并安装激光指向仪光觇牌4 、激光定向仪的控制检查激光定向仪安装固定以后

10、，首先通过测设激光管底部末端管中心线的三维坐标及激光管口中心的三维坐标，对激光管进行粗调，顾及激光管的直径（约6cm），计算后求出激光束的基本位置，然后进行精确调整及校正。在激光定向仪调整好以后，将激光定向仪的厚钢板保护罩安装就位。5 、斜井轴线测量数据计算利用大地座标转换施工座标的方法，利用座标旋转公式计算，具体公式如下：E=（X1-X0）SIN a+（H1-H0）COS aS=（H1-H0）COS a-（X1-X0）SIN a 注；E 斜长，S 距中心距离，X0 旋转点桩号，H0 旋转点高程 a 旋转角度 X1 、H1 为测量点座标 说明：左右桩号Y1即为测量得工程座标系左右数据 6、误差

11、分析：经计算，20m内3角度可以使激光束点最大偏移1.7cm。根据实际作业，目标觇牌随开挖进尺，向前延伸，当导井开挖到80M以后 ，为保证导井的方向准确性，将觇牌安装在距激光指向仪60M处。为了减弱系统误差，激光定向仪要经常性检查校正，5、6个施工循环校正调整一次，而且要让调整偏差正负值以均等概率出现。通过上述办法进行实测、调整至设计的方向与倾角。通过较长距离的基线来精确控制激光。理论和实践证明，随着进尺延伸，前排目标孔上移后，在一定的距离（200m）内，由于调整校正激光束的基线延长，非常有利于将激光束调整至相对精度相当高的程度。按照比例概念，设100m的基线误差为20mm，即使延伸控制500

12、m，误差也仅为100mm，满足导井开挖精度要求。7、要求开挖作业人员，每次作业前，必须调正激光穿过觇牌，作业面用激光点控制放样作业边线。4.2.4 斜井扩挖的测量放样1、扩挖时测量控制点加密 在斜井进行扩挖时，控制点的加密点距按斜距5080M布设，点位测量方法按支导线，加密点的精度要求按等加密。同时要进行贯通测量平差。2、扩挖测量放样1）在斜井的扩挖测量放样，采用全站仪进行放样，计算工具用CASIO FX4500p（或FX4800P），根据设计图的数据进行编程计算，编程必须同设计图数据校对，无误后方可运用。2）在放样时，测量放样边线要加支护厚度为开挖边线，不能出现欠挖，控制超挖。3）当开挖满足

13、设计体型尺寸后，按规范要求进行开挖断面测量，作为竣工资料上报、存挡。4）不要用激光指向仪控制开挖边线（这种设备控制边线是在全站仪不具备无梭镜测距时，用于控制扩挖边线），激光指向仪控制边线，易出现超欠挖，影响进度和经济效益。5 机具设备 5.1 全站仪的选择： 在斜井的施工测量时，测量用的全站仪建议选用以下系列设备徕卡TCR802 徕卡TCR702 徕卡TCR402 TGRTCR303（因为徕卡TCR系列全站仪采用激光和红外光同轴，选用激光可无梭镜测量，上述全站仪基座小，便于测量倾角600以下的斜井）5.2 激光指向仪的选择： 在斜井正、反导井施工时，激光指向仪建议选用以下系列设备：（爬罐配用的

14、设备除外，当原配的激光指向仪不能完成时，可选用以下设备）陕西神华光电有限公司 YJH800或 YJH800A 徐州天测测绘仪器设备有限公司YBJ-600型激光指向仪的光有绿色光和红色光，绿色光比红色光在斜井内的穿透力强。5.3 设备配置序号设备名称数量备注1全站仪1套按上全站仪的选择配置2计算器（FX-4500P，FX-4800P）33激光指向仪根椐作业面的数量配4对讲机3台6 劳动组织测量人员（按一作业面）序号人员数量备注1技术人员1名助工或工程师2测量工2名3辅助工2名7 质量控制7.1 测量作业人员必须按规范要求作业，进行控制点加密、放样。7.2 测量人员必须熟悉图纸，检查图纸中平面、立

15、面、交接面的图纸尺寸是否相同。7.3 测量人员在熟悉图纸的同时，要熟悉工程座标换算的旋转角度，旋转点大地同工程座标系的关系，对换算程序要同照图纸进行校算，无误方可运用。7.4 测量的放样数据要保存，在现场的测量交底必须在现场用文字交接，以免发生用错数据造成错误施工。8 安全设措8.1 在斜井上布设的加密控制点，要提前进行测量控制点位平台开挖，平台尺寸1左右，周围设安全护栏，以确保在作业人员和测量设备的安全，点位要用风钻造孔埋钢筋头（埋深20），测量控制点布设的测量报告报监理部门审批。8.2 测量人员在进行测量作业时，要按安全规范正确使用安全帽、安全带，在斜井50m要配备氧气设备，在井入施工面前

16、，必须启动供风设备，供风15 钟后，人员再进入测量区。3、在反导井测量时,测量仪器驾在下部,危险程度很高,在作业前要求施工人员对作业上部的危石进行清理,工器具放置好.在测量作业时,测站人员要提前预计撒退方向.要设安全观看人员,如有下落物,测量设备、人员可及时撒离。9 经济效益分析本工法以工程的实际施工测量经验、借鉴了国内其他工程单位在斜井施工测量的技术方法，编制而成。9.1 社会效益在西龙池抽水蓄能电站的长斜井施工中，采用科研和生产相结合的方式，用反井钻和阿里玛克联合施工，成功得高精度地贯通了长515.474m，坡度56度的斜井，创造了爬罐施工导井382m的国内最新纪录，阿里玛克爬罐测量贯通误

17、差40，反井钻偏斜0.44%，创造了国内领先水平。加快了施工速度，缩短了施工工期，确保了工程的顺利进行。9.2 经济效益长斜井作业环境差，异常危险，经常发生事故。测量人员的作业在高危区作业，提高测量人员放样速度和测量的准确性对工程的进度、经济效益都有好的成效。在施工中我们采用国产激光指向仪替代进口激光指向仪，节约成本60%,且维护简便,该指向仪功率大、可调焦、射程长、抗干扰性能好。10 工程实例本工法运用于西龙池抽水蓄能电站和仁宗海水库电站、渐江桐柏抽水蓄能电站输水系统斜井施工的斜井施工测量。10.1 西龙池抽水蓄能电站输水系统斜井施工西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内，电站装机容量为12

18、00MW，输水系统包括上水库进/出水口，压力管道上平段、引水事故闸门井、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管、高压支管，尾水隧洞、尾水闸门井及下水库进/出水口等。压力管道采用“一管两机”供水方式，尾水隧洞采用“一洞一机”布置，引水隧洞单洞总长分别为1#1448.33m、2#1431.18m，单条压力管道斜洞长为756.59m。上平段内径5.2/4.7m，上斜井内径4.7m，中平段和下斜井上部内径为4.2m，下斜井下部及下平段内径3.5m。在距厂房中心线54m左右布置高压岔管，岔管采用对称“Y”型内加强月牙肋型钢岔管，分岔角为75，公切球直径4.1m。岔管将每条高压主管分成2条内径为2.5m的高压支管。尾水隧洞有4条，单洞长度为362.19m456.88m。斜井分为上斜井斜长515m，坡度为56O，下斜井斜长242m，坡度为60 O。高差大，坡度陡，