《斜井開挖雷射導向施工工法》是中國水利水電第三工程局、中國水利水電第一工程局完成的建築類施工工法；作者分別是王鵬禹、姬脈興、皮高華、王振軍、徐景輝；適用範圍是水工建築物100米以上的斜井的施工測量。
《斜井開挖雷射導向施工工法》主要的工法特點是為測量人員提供了在斜井開挖雷射導向施工中，測量的方法、測量控制點的等級要求、控制點的布設、測量設備的選型，提供了技術要求和滿足測量規範、遇到測量問題的解決辦法。
2008年1月31日，《斜井開挖雷射導向施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。
基本介紹
- 中文名：斜井開挖雷射導向施工工法
- 工法編號： YJGF263-2006
- 完成單位：中國水利水電第三工程局、中國水利水電第一工程局
- 主要完成人：王鵬禹、姬脈興、皮高華、王振軍、徐景輝
- 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
- 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
《斜井開挖雷射導向施工工法》旨在明確斜井開挖雷射導向施工各個環節的具體操作，確保斜井施工快速、準確。在斜井施工中，施工分導井開挖施工和擴挖施工。按施工導井分為：正導井法和反導井法。在斜井施工中比較常用的導井開挖方法為：人工輔助設備施工法（掘進升降機爬罐）和機械施工法（反井鑽法）。截至2005年，中國國內常用爬罐進行施工，它具有快速、安全、高效、經濟等優點。但是斜井開挖雷射導向施工的測量問題一直是一個備受關注的技術問題，它關係到導井的方向、施工的進度、測量技術是否能夠滿足施工要求，尤其是導井施工到一定長度，在通視條件差的情況下，怎樣進行測量，控制雷射導向，達到設計技術標準，中國水利水電第三工程局、中國水利水電第一工程局編寫《斜井開挖雷射導向施工工法》，以便於斜井施工。該工法運用於山西抽水蓄能電站斜井施工，浙江銅柏抽水蓄能電站斜井施工、仁宗海電站斜井施工，指導了工程的施工測量，達到了精確貫通。
工法特點
《斜井開挖雷射導向施工工法》的工法特點是：
為測量人員提供了在斜井開挖雷射導向施工中，測量的方法、測量控制點的等級要求、控制點的布設、測量設備的選型，提供了技術要求和滿足測量規範、遇到測量問題的解決辦法，便於測量快速準確的完成斜井施工。
操作原理
適用範圍
《斜井開挖雷射導向施工工法》適用於水工建築物100米以上的斜井的施工測量。在斜井導井的施工中，採用該工法利用雷射導向儀器設備，控制導向達到導井貫通，提高貫通精度，滿足規範、設計標準。
工藝原理
《斜井開挖雷射導向施工工法》的工藝原理敘述如下：
目的：在水工建築物中斜井設計比較廣泛運用於輸水系統，施工難度大，設計要求精度高，相應施工測量作業的難度和高危作業都很大，工法規範要求斜井開挖雷射導向施工測量的方法，提高工效。
工藝原理：在斜井的施工中，測量進行控制點加密，將測量控制網點加密到作業區，從而進行測量放樣，在斜井的正、反導井施工中，採用雷射給斜井施工提供快捷，高效的雷射導向，控制導井方向，指導導井放樣。在導井完成後，進行導井擴挖，測量放樣出設計邊線，滿足規範、設計要求，嚴格控制超欠挖，加快施工進度，都是在測量人員的測量放樣下才能完成。
導井開挖一般分為：正井法和反井法，人工正導井的方法：是從上至下的開挖方法；一般施工鑽爆開挖，人工或輔助一定小型出渣設備通過導井在導井頂部出渣的施工方法。正導井法由於鑽爆成本高，出渣困難，在實際施工中採用較少；反導井法：是從下向上開挖導井的方式。反導井開挖具有快速、安全、出渣便捷等優點。反導井開挖一般選用短斜井，採用人工架設施工平台，長斜井選用機動平台（爬罐）和反井鑽施工方法。
施工工藝
- 斜井施工測量
採用《斜井開挖雷射導向施工工法》施工時，首先在考慮斜井施工測量時，需對斜井特殊布設近井控制點，而且近井控制點必須納入基本導線中施測。這樣就相當於為保證貫通而設的洞內第一級控制一基本導線直接放樣。斜井貫通後，將在近井點上直接測量貫通誤差，進行貫通平差。
一、測量規範
1.《水工建築物地下開挖工程施工技術規範》DL/T 5099一1999；
2.《國家三四等水準測量規範》GB 12898一91；
3.《水電水利工程施工測量規範》DL/T 5173一2003；
4.《國家三角測量規範》GB/T 17942一2000。
二、正導井斜井開挖雷射導向施工測量
1.正導井近井點的布設
導井布置在斜井斷面中部，其中心軸線與斜井中心軸線鉛垂面重合。為了便於放樣，正導井近井點布置在導井中心軸線反向延長線上距斜井上部平段（或彎段）為點位，測量控制點儘可能的位於導井中心線上。
施測後求得近井點成果，根據其樁號、高程等數據計算出在實際斜井中的位置關係。
2.具體實施
（1）採用全站儀對正導井進行測量放樣。放樣時在近井點架設儀器，後視上一個基本導線點，水平角轉至引水洞設計中心線方向，用正倒鏡法於掌子面上放出兩點，坡度符合設計坡度，並標出一條方向線，然後根據該點與方向線在設計導井中的位置，用鋼尺支距法將導井輪廓線放出。
（2）在導井施工長度≥15米後，安裝雷射指向儀，在距雷射器5米處安裝雷射覘牌，用雷射控制導井方向（覘牌為一塊菱形鐵板，下面焊接一個伸縮管，伸縮管由4"鋼管和6"鋼管組成，可以使覘牌上下調整位置。覘牌固定在雷射定向儀前方的岩壁上，讓雷射束從覘牌的目標孔穿過，起到定位的作用，目標孔孔徑<8毫米）。
（3）採用全站儀測量導井位置、樁號及高程並進行精確的檢測，以提前預計貫通誤差及制定貫通計畫，調正作業導井的位置，提高貫通精度。正導井雷射指向儀安裝示意圖見圖1。
圖1 正導井雷射指向儀安裝示意圖
三、反導井斜井開挖雷射導向施工測量
反導井施工採用雷射定向儀控制反導井的測量方案，包括雷射指向儀的安裝、使用，雷射束的定位、檢核，放樣。
1.反導井近井點的布設
反導井近井點（控制點）的布置原則仍然是保證精度、便於放樣，根據導井中心在各個樁號的設計坐標來設定。如採用爬罐作業，要考慮到爬罐本身的結構，為了便於控制雷射，近井點設在下平段與斜井相交處底板上，埋設兩點，分別埋在中心線偏左約80厘米及中心線偏右60厘米處，各埋設一塊鐵板，上面作點，同樣納入基本導線進行施測。
2.採用雷射指向儀
在反導井施工中，採用在近井點架設儀器進行測量放樣時，每次由於儀器架高不同，測量數據必須重新進行計算，測量比較繁瑣。另外，由於爬罐的結構導致只有軌道兩側可以有空隙通視，這樣儀器架設的高度也很難控制，而且每次架設儀器均需對近井點所在之處的堆渣進行處理，增加了測量放樣的時間和測量人員及設備的危險性，而且隨著開挖深度的增加，通視條件逐步惡劣，為之所需要的通風時間成倍增加，而採用雷射定向儀後不但可以連續提供中心方向線，又可以定期檢測，與施工可以融洽配套，減少了工序，減少了測量危險程度，具有既保證精度，又安全快捷的優點。
3.反導井施工雷射指向儀的安裝
在反井開挖一定距離（20米）後，安裝雷射定向儀。為了減少爆破石碴對雷射定向儀的撞擊及便於利用爬罐平台控制及實測雷射，雷射定向儀安裝在距斜井反導井口3~5米的頂拱上，需要將雷射定向儀安裝在中心線偏左約80厘米的位置上。為了保護罩能最好的保護雷射及便於安裝雷射定向儀，要求頂拱岩壁開挖平整，根據實際經驗及保護罩開孔的最佳位置，需要比設計頂拱超挖約20厘米。
安裝前，首先在近井點上架設全站儀，後視上一個基本導線點，轉至斜井方向。在預先確定的安裝位置上，在儀器的指揮下，先將雷射儀安裝中心線在岩壁上放出，利用雷射定向儀定位板將安裝孔位放出，鑽孔後，用膨脹螺栓將雷射定向儀安裝在岩壁上。同樣方法將雷射定向儀的兩目標孔位點位放出並安裝。並安裝雷射指向儀光覘牌，反導井雷射指向儀安裝示意圖見圖2。
圖2 反導井雷射指向儀安裝示意圖
4.雷射定向儀的控制檢查
雷射定向儀安裝固定以後，首先通過測設雷射管底部末端管中心線的三維坐標及雷射管口中心的三維坐標，對雷射管進行粗調，估計雷射管的直徑（約6厘米），計算後求出雷射束的基本位置，然後進行精確調整及校正。在雷射定向儀調整好以後，將雷射定向儀的厚鋼板保護罩安裝就位。
5.斜井軸線測量數據計算
利用大地坐標轉換施工坐標的方法（圖3），利用坐標旋轉公式計算，具體公式如下：
E=（X1-X0）×sina+（H1-H0）×cosa，
S=（H1-H0）×cosa-（X1-X0）×sina。
註：E斜長，S距中心距離，X0旋轉點樁號，H0旋轉點高程，a旋轉角度，X1、H1為測量點坐標。
說明：左右樁號Y1即為測量得工程坐標系左右數據。
圖3 施工坐標示意圖
6.誤差分析：經計算，20米內3'角度可以使雷射束點最大偏移1.7厘米。根據實際作業，目標覘牌隨開挖進尺，向前延伸，當導井開挖到>80米以後，為保證導井的方向準確性，將覘牌安裝在距雷射指向儀60米處。為了減弱系統誤差，雷射定向儀要經常性檢查校正，5、6個施工循環校正調整一次，而且要讓調整偏差正負值以均等機率出現。
通過上述辦法進行實測、調整至設計的方向與傾角。通過較長距離的基線來精確控制雷射。理論和實踐證明，隨著進尺延伸，前排目標孔上移後，在一定的距離（200米）內，由於調整校正雷射束的基線延長，非常有利於將雷射束調整至相對精度相當高的程度。按照比例概念，設100米的基線誤差為20毫米，即使延伸控制500米，誤差也僅為100毫米，滿足導井開挖精度要求。
7.要求開挖作業人員，每次作業前，必須調正雷射穿過覘牌，作業面用雷射點控制放樣作業邊線。
四、斜井擴挖的測量放樣
1.擴挖時測量控制點加密
在斜井進行擴挖時，控制點的加密點距按斜距50~80米布設，點位測量方法按支導線，加密點的精度要求按Ⅲ等加密。同時要進行貫通測量平差。
2.擴挖測量放樣
（1）在斜井的擴挖測量放樣，採用全站儀進行放樣，計算工具用CASIO FX4500P（或FX4800P），根據設計圖的數據進行編程計算，編程必須同設計圖數據校對，無誤後方可運用。
（2）在放樣時，測量放樣邊線要加支護厚度為開挖邊線，不能出現欠挖，控制超挖。
（3）當開挖滿足設計體型尺寸後，按規範要求進行開挖斷面測量，作為竣工資料上報、存擋。
（4）不要用雷射指向儀控制開挖邊線（這種設備控制邊線是在全站儀不具備無梭鏡測距時，用於控制擴挖邊線），雷射指向儀控制邊線，易出現超欠挖，影響進度和經濟效益。
- 勞動組織
《斜井開挖雷射導向施工工法》的勞動組織見表1。
序號 | 人員 | 數量 | 備註 |
1 | 技術人員 | 1名 | 助工或工程師 |
2 | 測量工 | 2名 | ╱ |
3 | 輔助工 | 2名 | ╱ |
註：測量人員（按一作業面）。 | |||
材料設備
《斜井開挖雷射導向施工工法》所用的材料及設備明細如下：
一、全站儀的選擇
在斜井的施工測量時，測量用的全站儀建議選用以下系列設備：徠卡TCR802、徠卡TCR702、徠卡TCR402、TGRTCR303（因為徠卡TCR系列全站儀採用雷射和紅外光同軸，選用雷射可無梭鏡測量，上述全站儀基座小，便於測量傾角60°以下的斜井）。
二、雷射指向儀的選擇
在斜井正、反導井施工時，雷射指向儀建議選用以下系列設備：（爬罐配用的設備除外，當原配的雷射指向儀不能完成時，可選用以下設備）陝西神華光電有限公司YJH800或YJH800A；徐州天測測繪儀器設備有限公司YBJ-600型；雷射指向儀的光有綠色光和紅色光，綠色光比紅色光在斜井內的穿透力強。
三、設備配置
序號 | 設備名稱 | 數量 | 備註 |
1 | 全站儀 | 1套 | 按上述全站儀的選擇配置 |
2 | 計算器（FX-4500P，FX-4800P） | 3 | ╱ |
3 | 雷射指向儀 | ╱ | 根據作業面的數量配 |
4 | 對講機 | 3台 | ╱ |
質量控制
《斜井開挖雷射導向施工工法》的質量控制要求如下：
1.測量作業人員必須按規範要求作業，進行控制點加密、放樣。
2.測量人員必須熟悉圖紙，檢查圖紙中平面、立面、交接面的圖紙尺寸是否相同。
3.測量人員在熟悉圖紙的同時，要熟悉工程坐標換算的旋轉角度，旋轉點大地同工程坐標系的關係，對換算程式要同照圖紙進行校算，無誤方可運用。
4.測量的放樣數據要保存，在現場的測量交底必須在現場用文字交接，以免發生用錯數據造成錯誤施工。
安全措施
採用《斜井開挖雷射導向施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.在斜井上布設的加密控制點，要提前進行測量控制點位平台開挖，平台尺寸1平方米左右，周圍設安全護欄，以確保在作業人員和測量設備的安全，點位要用風鑽造孔埋鋼筋頭（埋深>20厘米），測量控制點布設的測量報告報監理部門審批。
2.測量人員在進行測量作業時，要按安全規範正確使用安全帽、安全帶，在斜井>50米要配備氧氣設備，在入井施工前，必須啟動供風設備，供風15分鐘後，人員再進入測量區。
3.在反導井測量時，測量儀器架在下部，危險程度很高，在作業前要求施工人員對作業上部的危石進行清理，工器具放置好。在測量作業時，測站人員要提前預計撒退方向。要設安全觀看人員，如有下落物，測量設備、人員可及時撤離。
環保措施
《斜井開挖雷射導向施工工法》的環保措施如下：
1.要注重施工區的環境保護，工器具要整齊擺放。
2.廢舊材料要根據環境保護要求處理。
效益分析
《斜井開挖雷射導向施工工法》的效益分析如下：
1.社會效益
在西龍池抽水蓄能電站的長斜井施工中，採用科研和生產相結合的方式，用反井鑽和阿里瑪克聯合施工，成功得高精度地貫通了長515.474米，坡度56°的斜井，爬罐施工導井382米，阿里瑪克爬罐測量貫通誤差40毫米，反井鑽偏斜0.44%。加快了施工速度，縮短了施工工期，確保了工程的順利進行。
2.經濟效益
長斜井作業環境差，異常危險，經常發生事故。測量人員的作業在高危區作業，提高測量人員放樣速度和測量的準確性對工程的進度、經濟效益都有好的成效。
在施工中中國水利水電第三工程局、中國水利水電第一工程局採用中國國產雷射指向儀替代進口雷射指向儀，節約成本60%，且維護簡便，該指向儀功率大、可調焦、射程長、抗干擾性能好。
註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算
套用實例
《斜井開挖雷射導向施工工法》的套用實例如下：
- 實例1：西龍池抽水蓄能電站斜井施工
西龍池抽水蓄能電站位於山西省五台縣境內，電站裝機容量為1200兆瓦，輸水系統包括上水庫進出水口、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、盆管、高壓支管，尾水隧洞、尾水閘門井及下水庫進/出水口等。壓力管道採用“一管兩機”供水方式，尾水隧洞採用“一洞一機”布置，引水隧洞單洞總長分別為1號一1448.33米、2號一1431.18米，單條壓力管道斜洞長為756.59米。上平段內徑5.2米，上斜井內徑4.7米，中平段和下斜井上部內徑為4.2米，下斜井下部及下平段內徑3.5米。在距廠房中心線54左右布置高壓盆管，岔管採用對稱“Y”形內加強月牙肋形鋼盆管，分盆角為75°，公切球直徑4.1米。岔管將每條高壓主管分成2條內徑為2.5米的高壓支管。尾水隧洞有4條，單洞長度為362.19~456.88米。斜井分為上斜井斜長515米，坡度為56°，下斜井斜長242米，坡度為60°。
高差大，坡度陡，加之施工支洞長，上平洞630米，1號中支洞1200米，2號中支洞1300米，下引施工支洞1250米，給施工的測量控制和放樣提出了很大的難度。上斜井下段反導井用爬罐施工，施工長度382米，導井的雷射指向儀偏差在382米時為75毫米，貫通誤差40毫米。
- 實例2：仁宗海水庫電站斜井施工
仁宗海水庫電站位於四川省甘孜州康定縣和雅安市石棉縣境內，為引水式龍頭水庫電站。該工程採用混合式開發，即在田灣河幹流上建壩，將幹流上的水量引至田灣河最大支流—一環河上的仁宗海水庫，匯合乾、支流水量發電。該電站裝機2台，單機容量1120兆瓦，總裝機容量240兆瓦。仁宗海水庫電站主要由壩區樞紐、引水系統、廠區樞紐及“引田入環”輸水樞紐等建築物組成。水庫壩區樞紐包括攔河大壩、泄洪洞、放空洞等建築物。引水系統由電站進水口、引水隧洞、調壓室和壓力管道組成。地下廠房系統由主副廠房、主變室、母線洞、尾水洞、進廠交通洞、通風洞、出線洞等組成。
引水系統的斜井的上斜井長330米，傾角56°，下斜井長250米，導井施工採用反導井施工（爬罐），測量貫通誤差符合規範要求。
- 實例3：漸江桐柏抽水蓄能電站輸水系統斜井施工
桐柏抽水蓄能電站位於浙江省東部天台縣境內，距杭州市約150千米，電站裝機4×30萬千瓦，最大水頭285.7米。其中斜井單井長392.22米，斜井傾角50°。斜井開挖直徑10米，襯砌後斷面為9米。採用該工法施工，測量貫通誤差符合規範和設標要求。
榮譽表彰
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《斜井開挖雷射導向施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。
