陡斜井人工正井法开挖技术探索

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

盖孜水电站工程位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克境内，是新疆克州盖孜河中游河段梯级水电开发项目的第二梯级水电站，位于第一梯级布仑口-公格尔水电站下游，衔接公格尔水电站尾水。盖孜水电站由取水口、引水隧洞、调压井、压力管道、厂房、尾水渠组成，其中压力管道工程桩号为压0+000.000～压1+240.088，分为上平段、上斜井、中平段、下斜井、下平段组成，下斜井长度190.63m(压0+156.001～压0+261.554)，开挖断面为圆形，直径4.6m。

压0+000～压0+430段，长430m，上覆岩体厚度560m～930m，洞轴线方向49°～78°，围岩岩性为泥盆系中统(D2)云母石英片岩夹变质砂岩、大理岩，产状：310°～315°SW∠30°～35°，走向与洞轴线夹角50°～85°，该段片理发育，岩体较破碎，围岩稳定性差，开挖时会有渗水和滴水现象，局部地段可能会出现涌水，施工中须注意，围岩类别为Ⅳ类。工程立面布置见图1。

图1 工程立面布置(单位：cm)

2 施工难点

竖井和陡斜井常用的开挖方法为反井钻机施工导井，再采用爆破开挖，导井溜渣的方式。盖孜水电站调压井和压力管道上斜井均采用了反井钻机施工，由于压力管道下平洞地质差及透水等原因，施工进度缓慢，导致下斜井无法采用反井钻机施工(无出渣工作面)。由于处于关键线路的下平洞工程进度已严重滞后，后续施工的下斜井又极大地增加了施工工期，为了保证按期完工，需提前采用人工正井法进行下斜井开挖，在正井法施工中确保施工安全成为了本工程的重点。

3 施工方案设计

3.1 钻爆方式

采用YT-28手风钻钻孔，乳化炸药+非电雷管，电雷管起爆。

3.2 出渣设备选型

3.2.1 矿车选型

查阅相关资料和施工组织设计手册，斜井出渣设备与矿洞相同，选用U型侧卸式矿车，斗容量为1.2m3。一般的矿洞出渣坡比不大于30°，本工程下斜井的坡度为60°，需对矿车进行改装，防止提升过程中渣料外泄。

U形侧卸式矿车轮距(轨距)为60cm，其料斗较高，不适合人工上料，因此拟对其进行改装，只采用其底座，上部采用自制长方体料斗。自制料斗采用10mm的钢板制作，结构尺寸为1.5m×1.2m×0.8m(长×宽×高)，改装后的斗容量为1.8m3。在两侧采用φ20圆钢制作4个吊耳，便于吊装。在60°斜井提升过程中渣料会掉落，采用5mm厚钢板加工盖板，设置插销固定盖板。改装后的出渣料斗见图2。

图2 改装后的料斗示意(单位：cm)

由于方形料斗无法实现侧翻卸渣，且出渣距离仅为220m，制作2个料斗，采用装载机将装满料的料斗卸下后，再将空料斗放上装渣，然后将已装满料的料斗吊至洞外渣场弃料，避免了二次倒运。

3.2.2 提升设备选型

根据2014年1月1日起实施的《特种设备安全法》第二章第四节第三十二条规定：“特种设备使用单位应当使用取得许可生产并经检验合格的特种设备。禁止使用国家明令淘汰和已经报废的特种设备。”由于近年使用卷扬机频发安全事故，已逐步淘汰卷扬机，采用安全性能高的矿用绞车，本工程采用的矿用绞车为4.5t，型号为JTP-1.6×1.5P单筒绞车。绞车最大尺寸为6230mm×4800mm×1830mm，总重13.47t(不含电机)，最大速度2.5m/s。矿用绞车平面布置见图3，立面布置见图4。

图3 绞车施工平面布置

图4 绞车立面布置(单位：cm)

3.3 斜井出渣提升安全验算

3.3.1 自重计算

(1)渣料：斗容1.8m3。1.8m3渣料重1.8×1.6=2.88t。

(2)矿车：底座过磅称重为0.26t，料斗重0.35t。

(3)钢丝绳：初拟钢丝绳为φ20，长度计算考虑安全预留缠绕圈数为5圈，总长约为1.5π×5+50+159=232.55m，根据《重要用途钢丝绳》(GB 8918-2006)表11，单位重为167kg/100m，钢丝绳总重为0.388t。

3.3.2 提升钢丝绳选择

钢丝绳的最小破断拉力F>(2.88+0.26+0.35+0.388)×10=38.78kN才能满足施工要求，如采用6×37M-IWRCφ20钢丝绳，则最小破断拉力按《重要用途钢丝绳》(GB 8918-2006)中(2)式计算：

F0=K′D2R0/1000

(1)

式中：F0为钢丝绳最小破断拉力(kN)；D为公称直径，取20mm；R0为公称抗拉强度，查GB 8918-2006表4和表9，取1670MPa；K′为最小拉力破断系数，查GB 8918-2006表2，取0.356。则：

F=0.356×202×1670/1000=237kN>38.78kN

故钢丝绳选型满足要求。

由于该斜井倾斜角度大，上弯段位置需安装导向轮，钢丝绳磨损大，在实际施工中，采用双股钢丝绳作为安全保障，避免因钢丝绳在非正常情况下断裂造成安全事故。

3.3.3 绞车提升能力验算

本系统采用单钩提升，其计算公式按《煤矿固定机械及运输设备》中公式选取：

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

(2)

式中：Fmax为矿用绞车单钩提升牵引力(kgf)；n1为提升容器数量，取1台；a为斜井倾角，取值60°；Q为提升容器自重Q1及连接器自重Q2之和，为3878kg；Pc为钢筋绳单位重量，为1.67kg/m；Lc为钢丝绳长度，取232.55m；f1为提升容器移动阻力系数，行走轮为滚动轴承，取0.01；f2为钢丝绳移动阻力系数，取0.35。则：

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

4.5t矿用绞车牵引力为45kN>37.99kN，矿用绞车提升能力满足要求。

3.4 绞车固定验算

矿用绞车主要受牵引矿车的拉力，将矿用绞车采用6根φ25长1.5m的锚杆焊接为一个整体，并给矿用绞车配重200kg，因此，要拉动矿用绞车必须将锚杆拉出，拉力必须大于锚杆拉拔力和矿用绞车及配重重力和地面摩擦所产生的反向拉力，受力情况见图5。受力计算如下。

图5 绞车受力计算简化

按照受力必须F>T才能满足施工要求，根据公式(2)计算得知，T=37.99kN，因此F需大于37.99kN。

F=(G1+G2)×μ×g/1000+0.9nf

(3)

式中：G1为矿用绞车重，取13470kg；G2为矿用绞车配重，取200kg；μ为地基摩察系数，取0.5；n为锚杆根数，取6根；f为锚杆拉拔力，取10kN。锚杆受力折算系数为1，取锚杆拉拔力的0.9倍计算。则：

F=(13470+200)×0.5×9.8/1000+0.9×6×10

=122.35kN>T=37.99kN

故矿用绞车固定方式安全。

3.5 出渣提升时长计算

本系统采用单钩提升。

T=2L/Va+t3+t4

(4)

式中：T为箕斗一次提升循环时间(s)；t3为箕斗装载时间，取2400s；t4为箕斗装载时间，取10s；L为斜井提升长度，取160m；Va为平均提升速度，取2.5m/s。

则T=(2×160)/2.5+2400+10=2538s，即单钩循环时间为2538s，合42min。

4 方案实施

4.1 施工布置规划

(1)平面布置：供风、供水、供电等均布置在5#支洞洞口。

(2)供风：采用一台20m3空压机(0.8MPa压力)供风。

(3)供水：利用支洞开挖时布置在洞口的10m3水箱。

(4)供电：利用支洞开挖时布置在洞口的S9-500/30/0.4变压器。

(5)通风：采用1台12m3空压机(0.7MPa压力)压入式通风，φ200钢管，法兰连接。

(6)施工通道：人员上下结合轨道安装爬梯，爬梯安装于轨道内侧。爬梯采用φ18圆钢制作，梯宽0.6m，步距0.4m，洞外按2m一梯的标准件制作，顶部设挂勾与上节爬梯相连，两侧每隔2m采用φ18横向钢筋与轨道加固用锚杆焊接牢固。

图6 斜井布置及爬梯大样(单位：cm)

(7)出渣设备：JTP-1.6×1.5P单筒绞车布置在中平洞上游侧，绞车至渣场采用ZL50型装载机吊矿斗出渣。

(8)避险洞：斜井内每隔20m设置一个避险洞(1.2m×1m×1.5m)，可容纳3人。避险洞布置在隧洞腰线180°位置，在矿车提升和下降过程中，人员均处于避险洞内，防止意外伤害事故。

4.2 开挖支护及出渣

(1)钻爆施工。采用YT-28型手风钻钻孔，根据围岩类型、出渣和钻孔作业时长均衡调节，将每循环进尺控制在2m。孔内为乳化炸药+非电毫秒雷管，电雷管起爆。

(2)支护。上弯段前后10m范围内，采用I20工字钢+φ8钢筋网片+8cm厚C20喷混凝土支护(工字钢间距50cm)。Ⅲ类围岩顶拱180°范围内采用5cm厚C20喷混凝土支护；Ⅳ类围岩边顶拱270°范围内，采用I20工字钢+φ8钢筋网片+8cm厚C20喷混凝土支护(工字钢间距100cm)；Ⅴ类围岩边顶拱270°范围内，采用I20工字钢+φ8钢筋网片+8cm厚C20喷混凝土支护(工字钢间距50cm)。局部遇断层处，将断层掏挖50cm，采用C20混凝土塞封堵。

(3)出渣。采用人工装渣，对讲机沟通工作状况，利用矿用绞车配套的可视系统监视各工况状态，确保装渣完成后，用插销锁定矿斗盖板，人员在进入避险洞后再提升矿斗。出渣采用2个班组，每2h轮换一次。

4.3 通风排烟及排水

(1)通风排烟。钻爆时，采用独立的12m3空压机压入式通风，送入新鲜空气。爆破后的排烟利用钻爆风管和通风管同时使用，快速排除洞内爆破烟尘。出渣时根据实际情况，通风管单独通风或与钻爆风管同时通风。

(2)洞内排水。采用3台污水泵(扬程60m、流量35m3/h、功率15kW)接力排水，在已弃用的避险洞内布置接力水池。

4.4 安全保障措施

(1)班检制。每班作业前，检查绞车固定情况，绞车工作状态正常与否及防坠保险是否有效，下井作业人员在途中应观察已完洞段的支护稳定情况，发现异常必须立即撤出或进入避险洞内，待异常情况排除后再下井作业。

(2)钢丝绳。采用双股钢丝绳提升，定期检查钢丝绳情况，发现破损立即更换。

(3)矿车。采用钢板制作密封盖，在装渣完成后封闭箱斗，人员进入避险洞后再提升。施工人员可躲避于就近的2-3个避险洞内。

(4)防坠装置。本工程中，矿斗需经斜段和平段至出渣地点，不同于平洞或竖井提升，平洞或稍斜的阻车器不适用，60°的斜井在阻车过程中会翻车。竖井的钢丝绳防断器和类似于升降梯的防滑防坠装置均不适用。采用自行研究的C型钢阻车器，C型钢制作成斜上锯齿状，在矿车前端布置钢丝绳和防坠杆爬升过程中防坠杆处于工作状态，下放过程中防坠杆收起不工作。

(5)视频监视系统。采用与该矿用绞车配套的视频监控系统，使绞车操作人员能够全过程监视矿车等的运行情况，及时做出应急反应，防止事故的发生或最大限度的减小损失。施工中还要随时保持联络通畅，在联络后对方未回复前，禁止任何不安全的操作。

5 结语

大斜角斜井正井法开挖安全隐患突出，在施工中需注意各个细节，坚持“以人为本”的理念，所有设备在取最大安全系数的前提下进行验算，确保安全的前提下进行施工。淘汰了安全事故濒发的卷扬机，采用安全性能高的矿用绞车。特别是视频监控系统，有助于全过程监控施工和设备运行情况，可以有效地避免沟通不畅和意外情况引发的事故。