垂直运输系统在高竖井开挖施工中的应用

荣春堂

(葛洲坝集团第二工程有限公司,四川成都 610091)

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上,是雅砻江干流上的重要梯级电站,采用一洞一机的布置方案,共布置了 8条水道,单机容量600 M W,总装机容量 4 800 M W。

电站采用高压管道引水发电,8条高压管道对应 8个发电机组,高压管道竖井设计断面为圆形,开挖洞径为 8.1 m,垂直开挖高度约 240 m。

2 方案选择

2.1 总体方案的确定

竖井开挖前,我们制定了两套开挖支护施工方案。方案一:采用 φ 1.4 m导井进行溜渣,方案二:采用 φ 3.4 m溜渣井进行溜渣。

方案一:可以节省 φ 3.4 m溜渣井 1个月的开挖时间,但由于其对爆破控制和地质条件的依赖性比较强,要求爆渣块体最大块径不大于 0.4 m,从而导致爆破钻孔数量较多,每循环耗时比方案二多许多,而且万一遇到多组结构面切割形成掉块的情况很容易造成堵井。

方案二:需多挖一道溜渣井,增加一定的资源投入,但只要稍加控制即可避免堵井,而且由于对岩石块径的要求较低,可节省钻孔数量,一定程度上节约了成本。

经现场生产性试验,“方案一”仅维持了 6个循环,第 7个循环即出现堵井现象;“方案二”实施进展比较顺利。故最终决定采用方案二进行高压管道竖井段的开挖支护。

“方案二”采用“溜渣井 +自上而下扩挖”的施工方法。首先利用反井钻机从上往下钻导向孔,接着利用反井钻机由下而上进行反拉形成导井,然后再由下而上对导井进行扩挖形成溜渣井,最后由上而下进行竖井扩挖。导向孔孔径为 23 c m,反井直径为 1.4 m,溜渣井直径为 3.4 m,竖井全断面扩挖直径为 8.1 m。

2.2 全断面扩挖方案

溜渣井开挖完成后进行竖井段扩挖支护施工。为保证竖井开挖的平整度,控制超欠挖,对其周边采用光面爆破,将单循环爆破孔钻孔孔深控制在 3 m左右,造孔采用 Y-26型手风钻,光面爆破参数通过试验确定并随施工过程逐步进行优化、完善。残渣由人工扒入溜渣井溜入下弯段集渣区,利用 3 m3侧卸装载机配 20 t自卸汽车在井底出渣。

为加快施工进度,需设计一个施工平台(图1),在开挖的同时可进行工作面以上洞段的支护,确保支护紧跟开挖面从而节省直线工期。该施工平台采用布置在上平段的 5 t卷扬机(副卷扬机)牵引,下连安全盖,施工时应保证施工平台就位后安全盖能够盖住溜渣井井口。施工平台与升降吊篮配套使用,形成了垂直运输系统理念。

图 1 竖井扩挖施工平台示意图

3 垂直运输系统的应用

3.1 垂直运输方案的选择

由于该高压管道竖井高度达 240 m,如何安全的进行垂直运输是竖井开挖支护过程中的一个重点、难点。为解决竖井施工中垂直运输问题,先后比较了三种方案:

方案一:附着式电梯垂直运输方案。经咨询,附着式电梯的轨道需固定在基础上,但竖井扩挖采用从上至下全断面扩挖,其轨道没有固定的基础支撑,且没有从上往下安装的实例。轨道和井壁刚性连接,安装和拆除工作量大,且由于竖井垂直运输为临时运输系统,施工周期为 6～8个月,附着式电梯安装和拆除工作占用竖井全断面扩挖支护施工大量的工期,而且存在较大的安全风险,费用较高。

方案二:Z L P高处作业吊篮方案。吊篮为合格厂家生产的定型产品,包括两根动力绳和两根安全绳,安全可靠,不打转,所有操作在吊篮上进行,操作方便,左右不同步时可单独进行调整。但其存在以下不足:(1)运行速度为 8～10 m/s,速度偏低。(2)动力传动采用滑动摩擦,钢丝绳沾油或水容易打滑,但该竖中在开挖施工阶段存在部分渗水,且无法消除,存在较大的安全隐患。(3)动力装置安装在 Z L P吊篮上,电缆收放需另配卷扬机。(4)载重量偏低。目前国内标准产品Z L P 630和 Z L P 800型的额定载重分别为 630 k g和 800 k g,非标产品可以达到 1 000 k g,一般工作高度不高于 100 m,且随着工作高度的增加载重量递减,其载重量不能满足竖井施工强度要求。(5)材料运输还需重新布置一套垂直运输系统。由于竖井开挖断面尺寸较小,两套系统运行时干扰较大。

方案三:“三卷扬机 +升降防坠器罐笼”方案。主要由 1台 10 t、2台 5 t卷扬机、吊装横梁、罐笼、制动绳防坠器、大吊篮、井口钢栈桥组成。卷扬机布置在上平段距竖井中心 35 m处,在井口正上方设置吊装横梁,钢丝绳由卷扬机发出经安装在吊装横梁上的定滑轮转入井内与罐笼相连,10 t卷扬机配 φ 28钢丝绳牵引罐笼,罐笼设防坠器与 5 t卷扬机 φ 21.5钢丝绳相连,5 t卷扬机φ 21.5钢丝绳牵引大吊篮,下部配工作盘,定制卷绳长 300 m。罐笼主要用于施工人员和少量施工材料、机具的运输,大吊篮主要起支护平台、工具、材料堆入及配重作用,两台 5 t卷扬机配置的φ 21.5钢丝绳作为罐笼防坠器安全制动绳。

经过反复论证和比较,最终选择“三卷扬机+升降防坠器罐笼”方案作为最佳方案。该方案费用较省,运输能力大,安全可靠性高,能满足施工安全和施工进度的需求。

3.2 垂直运输系统的应用

本工程在竖井井口架设人行栈桥,供行人通行。人行栈桥中间预留吊物孔,形成井盖栈桥平台。垂直运输采用“三卷扬机 +升降防坠器罐笼”,罐笼采用卷扬机牵引,卷扬机布置在上平段距竖井中心 35 m处,卷扬机基础采用 4根 φ 25、L=3 m、外露0.5 m的锚杆进行锚固。在井口正上方设置吊装横梁,钢丝绳由卷扬机发出并经安装在吊装横梁上的定滑轮转入井内与罐笼相连,钢丝绳分主绳 (φ 28)和稳绳 (φ 21.5)两种 ,定制卷绳长 300 m,主绳由中间的 10 t主卷扬机牵引,与罐笼相连,稳绳由两边的 5 t副卷扬机牵引,与罐笼下方大吊篮施工平台相连。防坠器与两边的制动绳相连,防止吊篮打转,以保证人员安全。大吊篮施工平台由通长双槽钢(210)焊接而成,通过副钢丝绳由两边的 5 t副卷扬机牵引,作为竖井支护作业平台。

喷混凝土料等松散而较重的材料由沿井壁敷设的 φ 100钢管溜送至施工平台,人员、机具和其它材料采用吊篮垂直运输,施工平台仅供支护用,原则上只承受喷料、锚杆、钻机、风水管线及施工人员等重量。

施工平台下方设安全盖,由可自由调节长度的钢索悬挂在吊篮下方,用于堵住溜渣井井口,以确保施工安全。安全盖兼作支护施工平台的配重。垂直运输系统的布置情况见图 2。

图 2 高压管道垂直运输系统布置图

4 大吊篮两钢丝绳不同步解决方案

4.1 两钢丝绳不同步的原因分析

(1)两钢丝绳的受力不一致,造成两台卷扬机的输出功率不一致,从而导致卷扬机的运行速度不一致;同时,两钢丝绳的伸长长度也不一致,所以导致大吊篮两钢丝绳不同步。

(2)两钢丝绳的安装长度不一致,导致两钢丝绳在滚筒上缠绕的圈数和在滚筒上排列的位置不一致,从而导致大吊篮两钢丝绳不同步。

(3)两台卷扬机的滚筒轴心线没有安装在一条直线上,或者在一条直线上;但直线与两个定滑轮的旋转轴心线不平行,从而导致大吊篮两钢丝绳不同步。

(4)一台卷扬机的钢丝绳咬绳,另一台卷扬机的钢丝绳不咬绳,导致大吊篮两钢丝绳不同步。

(5)吊装横梁和卷扬机没有水平安装是造成大吊篮两钢丝绳不同步的一个重要原因。

(6)定滑轮的轴心线到卷扬机滚筒的轴心线的距离不一致,也是导致大吊篮两钢丝绳不同步的一个重要原因。

4.2 两钢丝绳不同步的解决方案

(1)两钢丝绳的安装长度必须一致,钢丝绳在滚筒上的固定一致,出绳的方向一致。

(2)两台卷扬机的钢丝绳不能咬绳,可使用排绳器予以解决。

(3)调整两台卷扬机的机座,使之在同一水平面上,同时调整两台卷扬机的滚筒轴心线,使之安装在一条直线上。

(4)调整吊装横梁上的两个定滑轮,使定滑轮的轴心线在一条直线上,同时使定滑轮的轴心线到卷扬机滚筒的轴心线的距离一致且平行。

5 结 语

锦屏二级水电站厂区枢纽工程高压管道竖井全高 240 m,因竖井部位溶岩发育,高度较大,渗水严重而造成施工难度较大。施工前和施工过程中,对于开挖支护施工方案和垂直运输方案的确定都经过了反复论证和试验,最终形成了一套比较成熟的高竖井垂直运输系统。该系统造价低廉,技术先进,适用于高竖井施工,为国内同类工程施工提供了借鉴。