(中國(guó)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?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖司硟?nèi)，是新疆克州蓋孜河中游河段梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的第二梯級(jí)水電站，位于第一梯級(jí)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(hào)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(zhǎng)度190.63m(壓0+156.001～壓0+261.554)，開(kāi)挖斷面為圓形，直徑4.6m。

壓0+000～壓0+430段，長(zhǎng)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(kāi)挖時(shí)會(huì)有滲水和滴水現(xiàn)象，局部地段可能會(huì)出現(xiàn)涌水，施工中須注意，圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。工程立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程立面布置(單位：cm)

2 施工難點(diǎn)

豎井和陡斜井常用的開(kāi)挖方法為反井鉆機(jī)施工導(dǎo)井，再采用爆破開(kāi)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(jī)施工，由于壓力管道下平洞地質(zhì)差及透水等原因，施工進(jìn)度緩慢，導(dǎo)致下斜井無(wú)法采用反井鉆機(jī)施工(無(wú)出渣工作面)。由于處于關(guān)鍵線路的下平洞工程進(jìn)度已嚴(yán)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(jìn)行下斜井開(kāi)挖，在正井法施工中確保施工安全成為了本工程的重點(diǎn)。

3 施工方案設(shè)計(jì)

3.1 鉆爆方式

采用YT-28手風(fēng)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(chē)選型

查閱相關(guān)資料和施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)，斜井出渣設(shè)備與礦洞相同，選用U型側(cè)卸式礦車(chē)，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(duì)礦車(chē)進(jìn)行改裝，防止提升過(guò)程中渣料外泄。

U形側(cè)卸式礦車(chē)輪距(軌距)為60cm，其料斗較高，不適合人工上料，因此擬對(duì)其進(jìn)行改裝，只采用其底座，上部采用自制長(zhǎng)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(zhǎng)×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(gè)吊耳，便于吊裝。在60°斜井提升過(guò)程中渣料會(huì)掉落，采用5mm厚鋼板加工蓋板，設(shè)置插銷(xiāo)固定蓋板。改裝后的出渣料斗見(jiàn)圖2。

圖2 改裝后的料斗示意(單位：cm)

由于方形料斗無(wú)法實(shí)現(xiàn)側(cè)翻卸渣，且出渣距離僅為220m，制作2個(gè)料斗，采用裝載機(jī)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(chǎng)棄料，避免了二次倒運(yùn)。

3.2.2 提升設(shè)備選型

根據(jù)2014年1月1日起實(shí)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(dāng)使用取得許可生產(chǎn)并經(jīng)檢驗(yàn)合格的特種設(shè)備。禁止使用國(guó)家明令淘汰和已經(jīng)報(bào)廢的特種設(shè)備。”由于近年使用卷?yè)P(yáng)機(jī)頻發(fā)安全事故，已逐步淘汰卷?yè)P(yáng)機(jī)，采用安全性能高的礦用絞車(chē)，本工程采用的礦用絞車(chē)為4.5t，型號(hào)為JTP-1.6×1.5P單筒絞車(chē)。絞車(chē)最大尺寸為6230mm×4800mm×1830mm，總重13.47t(不含電機(jī))，最大速度2.5m/s。礦用絞車(chē)平面布置見(jiàn)圖3，立面布置見(jiàn)圖4。

圖3 絞車(chē)施工平面布置

圖4 絞車(chē)立面布置(單位：cm)

3.3 斜井出渣提升安全驗(yàn)算

3.3.1 自重計(jì)算

(1)渣料：斗容1.8m3。1.8m3渣料重1.8×1.6=2.88t。

(2)礦車(chē)：底座過(guò)磅稱(chēng)重為0.26t，料斗重0.35t。

(3)鋼絲繩：初擬鋼絲繩為φ20，長(zhǎng)度計(jì)算考慮安全預(yù)留纏繞圈數(shù)為5圈，總長(zhǎng)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(jì)算：

F0=K′D2R0/1000

(1)

式中：F0為鋼絲繩最小破斷拉力(kN)；D為公稱(chēng)直徑，取20mm；R0為公稱(chēng)抗拉強(qiáng)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(shí)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(chē)提升能力驗(yàn)算

本系統(tǒng)采用單鉤提升，其計(jì)算公式按《煤礦固定機(jī)械及運(yùn)輸設(shè)備》中公式選取：

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

(2)

式中：Fmax為礦用絞車(chē)單鉤提升牽引力(kgf)；n1為提升容器數(shù)量，取1臺(tái)；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(zhǎng)度，取232.55m；f1為提升容器移動(dòng)阻力系數(shù)，行走輪為滾動(dòng)軸承，取0.01；f2為鋼絲繩移動(dòng)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(chē)牽引力為45kN>37.99kN，礦用絞車(chē)提升能力滿足要求。

3.4 絞車(chē)固定驗(yàn)算

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

圖5 絞車(chē)受力計(jì)算簡(jiǎn)化

按照受力必須F>T才能滿足施工要求，根據(jù)公式(2)計(jì)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(chē)重，取13470kg；G2為礦用絞車(chē)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(jì)算。則：

F=(13470+200)×0.5×9.8/1000+0.9×6×10

=122.35kN>T=37.99kN

故礦用絞車(chē)固定方式安全。

3.5 出渣提升時(shí)長(zhǎng)計(jì)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(shí)間(s)；t3為箕斗裝載時(shí)間，取2400s；t4為箕斗裝載時(shí)間，取10s；L為斜井提升長(zhǎng)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(shí)間為2538s，合42min。

4 方案實(shí)施

4.1 施工布置規(guī)劃

(1)平面布置：供風(fēng)、供水、供電等均布置在5#支洞洞口。

(2)供風(fēng)：采用一臺(tái)20m3空壓機(jī)(0.8MPa壓力)供風(fēng)。

(3)供水：利用支洞開(kāi)挖時(shí)布置在洞口的10m3水箱。

(4)供電：利用支洞開(kāi)挖時(shí)布置在洞口的S9-500/30/0.4變壓器。

(5)通風(fēng)：采用1臺(tái)12m3空壓機(jī)(0.7MPa壓力)壓入式通風(fēng)，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(biāo)準(zhǔn)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(chē)布置在中平洞上游側(cè)，絞車(chē)至渣場(chǎng)采用ZL50型裝載機(jī)吊礦斗出渣。

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

4.2 開(kāi)挖支護(hù)及出渣

(1)鉆爆施工。采用YT-28型手風(fēng)鉆鉆孔，根據(jù)圍巖類(lèi)型、出渣和鉆孔作業(yè)時(shí)長(zhǎng)均衡調(diào)節(jié)，將每循環(huán)進(jìn)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(hù)。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(hù)(工字鋼間距50cm)。Ⅲ類(lèi)圍巖頂拱180°范圍內(nèi)采用5cm厚C20噴混凝土支護(hù)；Ⅳ類(lèi)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(hù)(工字鋼間距100cm)；Ⅴ類(lèi)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(hù)(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(duì)講機(jī)溝通工作狀況，利用礦用絞車(chē)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(xiāo)鎖定礦斗蓋板，人員在進(jìn)入避險(xiǎn)洞后再提升礦斗。出渣采用2個(gè)班組，每2h輪換一次。

4.3 通風(fēng)排煙及排水

(1)通風(fēng)排煙。鉆爆時(shí)，采用獨(dú)立的12m3空壓機(jī)壓入式通風(fēng)，送入新鮮空氣。爆破后的排煙利用鉆爆風(fēng)管和通風(fēng)管同時(shí)使用，快速排除洞內(nèi)爆破煙塵。出渣時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，通風(fēng)管單獨(dú)通風(fēng)或與鉆爆風(fēng)管同時(shí)通風(fēng)。

(2)洞內(nèi)排水。采用3臺(tái)污水泵(揚(yáng)程60m、流量35m3/h、功率15kW)接力排水，在已棄用的避險(xiǎn)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(chē)固定情況，絞車(chē)工作狀態(tài)正常與否及防墜保險(xiǎn)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(hù)穩(wěn)定情況，發(fā)現(xiàn)異常必須立即撤出或進(jìn)入避險(xiǎn)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(chē)。采用鋼板制作密封蓋，在裝渣完成后封閉箱斗，人員進(jìn)入避險(xiǎn)洞后再提升。施工人員可躲避于就近的2-3個(gè)避險(xiǎn)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(diǎn)，不同于平洞或豎井提升，平洞或稍斜的阻車(chē)器不適用，60°的斜井在阻車(chē)過(guò)程中會(huì)翻車(chē)。豎井的鋼絲繩防斷器和類(lèi)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(chē)器，C型鋼制作成斜上鋸齒狀，在礦車(chē)前端布置鋼絲繩和防墜桿爬升過(guò)程中防墜桿處于工作狀態(tài)，下放過(guò)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(chē)配套的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使絞車(chē)操作人員能夠全過(guò)程監(jiān)視礦車(chē)等的運(yùn)行情況，及時(shí)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(shí)保持聯(lián)絡(luò)通暢，在聯(lián)絡(luò)后對(duì)方未回復(fù)前，禁止任何不安全的操作。

5 結(jié)語(yǔ)

大斜角斜井正井法開(kāi)挖安全隱患突出，在施工中需注意各個(gè)細(xì)節(jié)，堅(jiān)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(jìn)行驗(yàn)算，確保安全的前提下進(jìn)行施工。淘汰了安全事故瀕發(fā)的卷?yè)P(yáng)機(jī)，采用安全性能高的礦用絞車(chē)。特別是視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有助于全過(guò)程監(jiān)控施工和設(shè)備運(yùn)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。