水电站竖井施工安全管理技术分析

万 毅

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110003)

1 水电站竖井应用情况

辽河干流某水电站属于季节性调洪大型水电工程，坝址年均流量4620m3/s，流域控制面积28.5万km2，坝顶高程610m，校核洪水位为10000a一遇，并按照1000a设计泄水与挡水建筑物，该水电站是一座集灌溉、防洪、养殖、供水等功能于一体的大(1)型水利枢纽工程[1-3]。地下电站为立轴混流式水轮发电机，左、右岸地下电站各装设8台780MW发电机组，地下电站布设不同效用、深度和直径的长度约5km的45条竖井，其中地下电站开挖方量的20%左右来源于竖井的开挖方量，主要用于溜渣、供电管线布设、水压调节、吊物、引水和通排风等，竖井应用情况见表1。

表1 水电站竖井应用情况

2 竖井建筑布设、施工资源配置安全管理

由于垂直交叉及高空作业频繁、操作空间狭小等特点，科学合理的布设竖井施工临建设施对于保证混凝土施工安全、竖井开挖支护等非常重要[4-5]。

2.1 竖井临建布设安全管理

水电站竖井施工期的临建设施，如通风、供电、竖井防护及提升运输系统与施工安全密切相关，结合溪洛渡、小湾、三峡等水电站竖井施工经验，地下电站竖井工程一律设置大型载物和载人提升系统，需要衬砌的开挖支护断面≥10m，在开挖支护阶段井内电、水、风管线以及载物和载人提升系统兼顾混凝土施工要求，从而降低安全风险和装拆成本。采用自带断绳保护、限位装置的矿井吊罐或建筑吊篮作为载人设施，卡口、绳索等卷扬机具荷载安全系数满足≥14的标准要求，运行线路及起落点设警示设施且无障碍物。可以垂直调运、水平穿行的塔式起重机、门或桥式起重机为载物提升系统的首选，减少天锚定位施工所需的检修维护、锚固、开挖工作量以及有效规避开挖爆破放炮。一般情况下，采用带护栏的工作吊盘作为大断面竖井喷锚支护施工设备，从而保证吊盘内系安全带作业人员的安全以及喷锚支护的及时有效性[6]。井口除设专人警戒、警示牌、护栏和护轮槛外，为防止井口落渣及雨水必要时采取铺钢板、井口钢过梁等措施，将下部带护笼、上部设护栏的井盖替代溜渣井盖，张挂警示牌。为实现安全用电和保障井内照明、通风除尘效果，井底设有溜渣除尘喷淋装置和底座可移动的射流风机，对井内有害气体进行不定期的测控；将臂架可旋转的400-800W节能镝灯安装于井口满足井内照明条件，提前制定停电应急措施且井内布设蓄电式壁挂应急灯；在应急爬梯右侧设置料、水、风管线，井内掌子面附近设供水、供料、供风管线的应急关停阀，按照一定的间隔将休息平台布设于应急爬梯处；在遵循合理接零、接地、两级保护和三级用电原则的情况下，管套保护施工用电的电缆[7]。

2.2 竖井施工资源安全管理

从以下环节加强竖井施工所有人、料、机的安全管理，具体如下：

1) 人、料管理。上岗前参与竖井施工作业、管理人员应办理意外伤害保险，必须落实劳保着装、持证、培训和体检上岗，禁止“三违”承诺书为作业人员与承包人安全管理部门之间签订的确保安全管理的文件。对于生产过程中作业人员是否存在串岗、疲劳、酒后操作以及作业班组落实“上、下井登记制度”的情况，由现场专职安全员结合“三工劳动”查验，从根本上杜绝警戒人员脱岗情况的出现。对作业人员培训、更替情况以“进场作业人员报审表”为载体实施动态等级管理，井下作业人员控制在20-55岁年龄段。为确保材料性能，每年需按批次、生产厂家对开挖爆破所用火工品抽检1-2次，报验所有用于竖井施工的原材料。质检人员按要求频次对注浆密实度、砂浆强度、稠度以及锚杆锚固角度、深度等检验，锚杆调运入井前必须保证其各项性能合格，重点监测喷混凝土黏结强度及抗压强度[8]。

2) 施工机具管理。考虑到水利行业对新型设备应用时效低、研制速度慢、高能技工短缺和通行不便等因素作用，传统的小型湿喷机喷混凝土、人工扒渣、手风钻造孔仍为当前竖井开挖支护的主要模式，普通水泥灌浆泵灌注+手风钻或100B潜孔钻造孔为竖井衬砌后的固结灌浆方式。传统的部分施工方法及机具的节能环保性能差、施工功效低、安全风险高、劳动强度大，应尽可能实行机械化作业，选择符合人机工程学设施进行竖井施工。考虑当地的水文地质条件，地下电站引水竖井、出线施工采用钻爆后吊运小型反铲扒渣、履带式可收尘中风压钻机造孔和反井钻机成井后不扩井施工方法，钢筋网利用机编网替代，由此达到降低劳动强度和节省人力的目的。拟选用更利于施工安全的大孔径反井钻机和FJD型全液压竖井钻机对引水竖井钻孔，由此达到防止堵井和快速溜渣的目的，但由于经济条件限制最终未选择该设备[9]。同时，为确保施工速效和安全性要合理平衡配置竖井施工机具、人员，竖井开挖支护耗时情况及典型资源配置见表2。

表2 竖井开挖支护施工耗时与资源配置情况

3 竖井施工相关要点

在实际应中竖井施工存在通行不便、工期长、作业空间少、临边及登高作业多等特征，从而使得安全风险较为突出，因此为提升竖井施工安全管理水平，对于固化施工流程和施工方法的合理选定应充分考虑施工环境、竖井形体参数及地质条件。

3.1 竖井施工方法安全管控

根据工程质量、工期、地质条件、井深和断面大小等情况，从反井法和正井法中选择合适的竖井开挖支护方式，同时可综合考虑正井和反井相结合的方法作为复杂地质条件的大型竖井支护方式，工程实践中又将正井法进一步分为人工扩井溜渣及全断面正井开挖法。综合考虑灰岩易破碎、强度不高等特征，该水电站引水竖井、出现采用直接吊运小型反铲下井扒渣、反井钻机成井后部扩井溜渣的施工模式。采取分区不分层钻爆法和反钻井的形成φ1.4m导井作为该地下电站尾调室溜渣井，由此构成的溜渣井直径为3.5m以上、深度在20-30m左右。同时，针对直径低于5m以下开挖深度不足50m或全断面开挖四周厚度低于1.0-1.5m的竖井，局部采取从井口一次钻通所有炮孔和开挖竖井底部平洞的分阶段爆破悬掉药包法，最后按照自上而下支护并安装提升系统。根据以上优化方法，为获取较好的经济性价比需要在开挖支护阶段做好：有效利用设备特性、施工环境、潜孔钻和反井钻导孔，全面掌握竖井地质条件；结合竖井形体选择合适的衬砌形式，通常选择浅井+支架衬砌小断面竖井+散装模板、滑模衬砌大断面深井方法。为了可靠高效的实施二次衬砌固结灌浆并降低井壁渗水对混凝土使用的影响，有效控制裂缝发展，拟采用支架衬砌引水竖井+定型模板的方法[10]。

3.2 竖井施工流程安全管理

首先对井口加固防护和竖井井口段开挖支护，安装验收竖井卷扬提升系统，并开挖支护竖井上、下部，特殊情况下还要增设截排水及通风设施，为保证贯通段支护平台和贯通段厚度的可靠性开挖支护竖井贯通段，按照以上施工流程进行竖井开挖支护。总体按照载人提升系统的安装，井壁超欠挖二次复核及处理，浇筑基座备仓或井底首仓混凝土，安装分料、溜管、滑模滑槽向上提升或加高排架、备仓、立模向上浇升以及纠偏、复核衬砌形体，以上流程进行竖井的衬砌施工。采用自上而下人工全断面钻爆+反井钻钻孔后形成的溜渣井进行竖井的施工，在安全管理过程中应注意的环节有：及时完成上、下井口的锁扣和井口周边的硬化，为保证反井钻导孔钻孔精度和基座浇筑质量，采取钻速控制、测斜和对位等措施，从而降低竖井施工安全风险、开挖难度和孔斜偏差；对于竖井卷扬提升系统为顶部围岩设天锚方式形成的，应确保天锚锚杆标准达到Ⅰ级标准和施工的及时性；竖井段开挖时应满足露天竖井前30m开挖条件，为防止飞石损伤天锚要对周边实施爆破联动警戒，且警戒距离满足明挖爆破要求，采用每个4-6m设休息平台的“带护笼”垂直爬梯作为井口前30m井下通道，利用锚筋或锚杆牢固焊接井壁与爬梯；为进一步探明地质利用导井或反井钻机导孔，可按照每两个钻爆循环的方式在竖井开挖前期对围岩录制视频或拍照，地质编录申请后采取喷锚支护措施，一次地质条件后期要依据收集的10-30m申请设计人员和每一钻爆循环围岩照片确定，应及时分析处理和启动地质工作应急响应程序处理重大地质缺陷问题；开挖前30m竖井后，要及时稳固敷设于井壁的料、水、风管并且重点保障境内外的通讯畅通；在贯通钻爆、出渣和开挖钻孔过程中，应对井口围岩稳定状态详实查看，具体的安全管理流程见图1。

图1 竖井开挖支护安全管理流程

3.3 竖井施工危险源识别及管理

施工安全管理中的法、环、程序、人、机、料等要素管理与竖井施工的流程、施工方法、临建设施、资源等密切相关，在实践工程中危险源如表3所示。

表3 竖井施工危险源识别及管理

4 结 论

由于垂直交叉及高空作业频繁、操作空间狭小等特点，科学合理的布设竖井施工临建设施对于保证混凝土施工安全、竖井开挖支护等非常重要，因此固化施工流程和施工方法的合理选定应充分考虑施工环境、竖井形体参数及地质条件，从而提升竖井施工安全管理水平。

结合工程实践经验和案例，从工法流程、施工资源和临建设施等方面梳理了竖井施工技术要点，可为识别系统危险源、固化竖井施工安全管理流程和改良竖井施工工法提供科学依据，机具施工生产满足安全可靠性和符合人机工程学要求。针对竖井施工提出全面合理防护、控制、预警、警戒、隔离和控制竖井安全施工技术。