陡斜井人工正井法開挖技術(shù)探索

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

蓋孜水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克境內(nèi)，是新疆克州蓋孜河中游河段梯級水電開發(fā)項目的第二梯級水電站，位于第一梯級布侖口-公格爾水電站下游，銜接公格爾水電站尾水。蓋孜水電站由取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠房、尾水渠組成，其中壓力管道工程樁號為壓0+000.000～壓1+240.088，分為上平段、上斜井、中平段、下斜井、下平段組成，下斜井長度190.63m(壓0+156.001～壓0+261.554)，開挖斷面為圓形，直徑4.6m。

壓0+000～壓0+430段，長430m，上覆巖體厚度560m～930m，洞軸線方向49°～78°，圍巖巖性為泥盆系中統(tǒng)(D2)云母石英片巖夾變質(zhì)砂巖、大理巖，產(chǎn)狀：310°～315°SW∠30°～35°，走向與洞軸線夾角50°～85°，該段片理發(fā)育，巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性差，開挖時會有滲水和滴水現(xiàn)象，局部地段可能會出現(xiàn)涌水，施工中須注意，圍巖類別為Ⅳ類。工程立面布置見圖1。

圖1 工程立面布置(單位：cm)

2 施工難點

豎井和陡斜井常用的開挖方法為反井鉆機施工導(dǎo)井，再采用爆破開挖，導(dǎo)井溜渣的方式。蓋孜水電站調(diào)壓井和壓力管道上斜井均采用了反井鉆機施工，由于壓力管道下平洞地質(zhì)差及透水等原因，施工進度緩慢，導(dǎo)致下斜井無法采用反井鉆機施工(無出渣工作面)。由于處于關(guān)鍵線路的下平洞工程進度已嚴重滯后，后續(xù)施工的下斜井又極大地增加了施工工期，為了保證按期完工，需提前采用人工正井法進行下斜井開挖，在正井法施工中確保施工安全成為了本工程的重點。

3 施工方案設(shè)計

3.1 鉆爆方式

采用YT-28手風鉆鉆孔，乳化炸藥+非電雷管，電雷管起爆。

3.2 出渣設(shè)備選型

3.2.1 礦車選型

查閱相關(guān)資料和施工組織設(shè)計手冊，斜井出渣設(shè)備與礦洞相同，選用U型側(cè)卸式礦車，斗容量為1.2m3。一般的礦洞出渣坡比不大于30°，本工程下斜井的坡度為60°，需對礦車進行改裝，防止提升過程中渣料外泄。

U形側(cè)卸式礦車輪距(軌距)為60cm，其料斗較高，不適合人工上料，因此擬對其進行改裝，只采用其底座，上部采用自制長方體料斗。自制料斗采用10mm的鋼板制作，結(jié)構(gòu)尺寸為1.5m×1.2m×0.8m(長×寬×高)，改裝后的斗容量為1.8m3。在兩側(cè)采用φ20圓鋼制作4個吊耳，便于吊裝。在60°斜井提升過程中渣料會掉落，采用5mm厚鋼板加工蓋板，設(shè)置插銷固定蓋板。改裝后的出渣料斗見圖2。

圖2 改裝后的料斗示意(單位：cm)

由于方形料斗無法實現(xiàn)側(cè)翻卸渣，且出渣距離僅為220m，制作2個料斗，采用裝載機將裝滿料的料斗卸下后，再將空料斗放上裝渣，然后將已裝滿料的料斗吊至洞外渣場棄料，避免了二次倒運。

3.2.2 提升設(shè)備選型

根據(jù)2014年1月1日起實施的《特種設(shè)備安全法》第二章第四節(jié)第三十二條規(guī)定：“特種設(shè)備使用單位應(yīng)當使用取得許可生產(chǎn)并經(jīng)檢驗合格的特種設(shè)備。禁止使用國家明令淘汰和已經(jīng)報廢的特種設(shè)備?！庇捎诮晔褂镁頁P機頻發(fā)安全事故，已逐步淘汰卷揚機，采用安全性能高的礦用絞車，本工程采用的礦用絞車為4.5t，型號為JTP-1.6×1.5P單筒絞車。絞車最大尺寸為6230mm×4800mm×1830mm，總重13.47t(不含電機)，最大速度2.5m/s。礦用絞車平面布置見圖3，立面布置見圖4。

圖3 絞車施工平面布置

圖4 絞車立面布置(單位：cm)

3.3 斜井出渣提升安全驗算

3.3.1 自重計算

(1)渣料：斗容1.8m3。1.8m3渣料重1.8×1.6=2.88t。

(2)礦車：底座過磅稱重為0.26t，料斗重0.35t。

(3)鋼絲繩：初擬鋼絲繩為φ20，長度計算考慮安全預(yù)留纏繞圈數(shù)為5圈，總長約為1.5π×5+50+159=232.55m，根據(jù)《重要用途鋼絲繩》(GB 8918-2006)表11，單位重為167kg/100m，鋼絲繩總重為0.388t。

3.3.2 提升鋼絲繩選擇

鋼絲繩的最小破斷拉力F>(2.88+0.26+0.35+0.388)×10=38.78kN才能滿足施工要求，如采用6×37M-IWRCφ20鋼絲繩，則最小破斷拉力按《重要用途鋼絲繩》(GB 8918-2006)中(2)式計算：

F0=K′D2R0/1000

(1)

式中：F0為鋼絲繩最小破斷拉力(kN)；D為公稱直徑，取20mm；R0為公稱抗拉強度，查GB 8918-2006表4和表9，取1670MPa；K′為最小拉力破斷系數(shù)，查GB 8918-2006表2，取0.356。則：

F=0.356×202×1670/1000=237kN>38.78kN

故鋼絲繩選型滿足要求。

由于該斜井傾斜角度大，上彎段位置需安裝導(dǎo)向輪，鋼絲繩磨損大，在實際施工中，采用雙股鋼絲繩作為安全保障，避免因鋼絲繩在非正常情況下斷裂造成安全事故。

3.3.3 絞車提升能力驗算

本系統(tǒng)采用單鉤提升，其計算公式按《煤礦固定機械及運輸設(shè)備》中公式選?。?/p>

Fmax=n1Q(sina+f1cosa)+Pc×Lc(sina+f2cosa)

(2)

式中：Fmax為礦用絞車單鉤提升牽引力(kgf)；n1為提升容器數(shù)量，取1臺；a為斜井傾角，取值60°；Q為提升容器自重Q1及連接器自重Q2之和，為3878kg；Pc為鋼筋繩單位重量，為1.67kg/m；Lc為鋼絲繩長度，取232.55m；f1為提升容器移動阻力系數(shù)，行走輪為滾動軸承，取0.01；f2為鋼絲繩移動阻力系數(shù)，取0.35。則：

Fmax=(1×3878×(0.87+0.005)+1.67×232.55×(0.87+0.175))×9.8=37.99kN

4.5t礦用絞車牽引力為45kN>37.99kN，礦用絞車提升能力滿足要求。

3.4 絞車固定驗算

礦用絞車主要受牽引礦車的拉力，將礦用絞車采用6根φ25長1.5m的錨桿焊接為一個整體，并給礦用絞車配重200kg，因此，要拉動礦用絞車必須將錨桿拉出，拉力必須大于錨桿拉拔力和礦用絞車及配重重力和地面摩擦所產(chǎn)生的反向拉力，受力情況見圖5。受力計算如下。

圖5 絞車受力計算簡化

按照受力必須F>T才能滿足施工要求，根據(jù)公式(2)計算得知，T=37.99kN，因此F需大于37.99kN。

F=(G1+G2)×μ×g/1000+0.9nf

(3)

式中：G1為礦用絞車重，取13470kg；G2為礦用絞車配重，取200kg；μ為地基摩察系數(shù)，取0.5；n為錨桿根數(shù)，取6根；f為錨桿拉拔力，取10kN。錨桿受力折算系數(shù)為1，取錨桿拉拔力的0.9倍計算。則：

F=(13470+200)×0.5×9.8/1000+0.9×6×10

=122.35kN>T=37.99kN

故礦用絞車固定方式安全。

3.5 出渣提升時長計算

本系統(tǒng)采用單鉤提升。

T=2L/Va+t3+t4

(4)

式中：T為箕斗一次提升循環(huán)時間(s)；t3為箕斗裝載時間，取2400s；t4為箕斗裝載時間，取10s；L為斜井提升長度，取160m；Va為平均提升速度，取2.5m/s。

則T=(2×160)/2.5+2400+10=2538s，即單鉤循環(huán)時間為2538s，合42min。

4 方案實施

4.1 施工布置規(guī)劃

(1)平面布置：供風、供水、供電等均布置在5#支洞洞口。

(2)供風：采用一臺20m3空壓機(0.8MPa壓力)供風。

(3)供水：利用支洞開挖時布置在洞口的10m3水箱。

(4)供電：利用支洞開挖時布置在洞口的S9-500/30/0.4變壓器。

(5)通風：采用1臺12m3空壓機(0.7MPa壓力)壓入式通風，φ200鋼管，法蘭連接。

(6)施工通道：人員上下結(jié)合軌道安裝爬梯，爬梯安裝于軌道內(nèi)側(cè)。爬梯采用φ18圓鋼制作，梯寬0.6m，步距0.4m，洞外按2m一梯的標準件制作，頂部設(shè)掛勾與上節(jié)爬梯相連，兩側(cè)每隔2m采用φ18橫向鋼筋與軌道加固用錨桿焊接牢固。

圖6 斜井布置及爬梯大樣(單位：cm)

(7)出渣設(shè)備：JTP-1.6×1.5P單筒絞車布置在中平洞上游側(cè)，絞車至渣場采用ZL50型裝載機吊礦斗出渣。

(8)避險洞：斜井內(nèi)每隔20m設(shè)置一個避險洞(1.2m×1m×1.5m)，可容納3人。避險洞布置在隧洞腰線180°位置，在礦車提升和下降過程中，人員均處于避險洞內(nèi)，防止意外傷害事故。

4.2 開挖支護及出渣

(1)鉆爆施工。采用YT-28型手風鉆鉆孔，根據(jù)圍巖類型、出渣和鉆孔作業(yè)時長均衡調(diào)節(jié)，將每循環(huán)進尺控制在2m?？變?nèi)為乳化炸藥+非電毫秒雷管，電雷管起爆。

(2)支護。上彎段前后10m范圍內(nèi)，采用I20工字鋼+φ8鋼筋網(wǎng)片+8cm厚C20噴混凝土支護(工字鋼間距50cm)。Ⅲ類圍巖頂拱180°范圍內(nèi)采用5cm厚C20噴混凝土支護；Ⅳ類圍巖邊頂拱270°范圍內(nèi)，采用I20工字鋼+φ8鋼筋網(wǎng)片+8cm厚C20噴混凝土支護(工字鋼間距100cm)；Ⅴ類圍巖邊頂拱270°范圍內(nèi)，采用I20工字鋼+φ8鋼筋網(wǎng)片+8cm厚C20噴混凝土支護(工字鋼間距50cm)。局部遇斷層處，將斷層掏挖50cm，采用C20混凝土塞封堵。

(3)出渣。采用人工裝渣，對講機溝通工作狀況，利用礦用絞車配套的可視系統(tǒng)監(jiān)視各工況狀態(tài)，確保裝渣完成后，用插銷鎖定礦斗蓋板，人員在進入避險洞后再提升礦斗。出渣采用2個班組，每2h輪換一次。

4.3 通風排煙及排水

(1)通風排煙。鉆爆時，采用獨立的12m3空壓機壓入式通風，送入新鮮空氣。爆破后的排煙利用鉆爆風管和通風管同時使用，快速排除洞內(nèi)爆破煙塵。出渣時根據(jù)實際情況，通風管單獨通風或與鉆爆風管同時通風。

(2)洞內(nèi)排水。采用3臺污水泵(揚程60m、流量35m3/h、功率15kW)接力排水，在已棄用的避險洞內(nèi)布置接力水池。

4.4 安全保障措施

(1)班檢制。每班作業(yè)前，檢查絞車固定情況，絞車工作狀態(tài)正常與否及防墜保險是否有效，下井作業(yè)人員在途中應(yīng)觀察已完洞段的支護穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn)異常必須立即撤出或進入避險洞內(nèi)，待異常情況排除后再下井作業(yè)。

(2)鋼絲繩。采用雙股鋼絲繩提升，定期檢查鋼絲繩情況，發(fā)現(xiàn)破損立即更換。

(3)礦車。采用鋼板制作密封蓋，在裝渣完成后封閉箱斗，人員進入避險洞后再提升。施工人員可躲避于就近的2-3個避險洞內(nèi)。

(4)防墜裝置。本工程中，礦斗需經(jīng)斜段和平段至出渣地點，不同于平洞或豎井提升，平洞或稍斜的阻車器不適用，60°的斜井在阻車過程中會翻車。豎井的鋼絲繩防斷器和類似于升降梯的防滑防墜裝置均不適用。采用自行研究的C型鋼阻車器，C型鋼制作成斜上鋸齒狀，在礦車前端布置鋼絲繩和防墜桿爬升過程中防墜桿處于工作狀態(tài)，下放過程中防墜桿收起不工作。

(5)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。采用與該礦用絞車配套的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使絞車操作人員能夠全過程監(jiān)視礦車等的運行情況，及時做出應(yīng)急反應(yīng)，防止事故的發(fā)生或最大限度的減小損失。施工中還要隨時保持聯(lián)絡(luò)通暢，在聯(lián)絡(luò)后對方未回復(fù)前，禁止任何不安全的操作。

5 結(jié)語

大斜角斜井正井法開挖安全隱患突出，在施工中需注意各個細節(jié)，堅持“以人為本”的理念，所有設(shè)備在取最大安全系數(shù)的前提下進行驗算，確保安全的前提下進行施工。淘汰了安全事故瀕發(fā)的卷揚機，采用安全性能高的礦用絞車。特別是視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有助于全過程監(jiān)控施工和設(shè)備運行情況，可以有效地避免溝通不暢和意外情況引發(fā)的事故。