700m级大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER86第 39 卷第 8 期0 引言随着国家水网主骨架和大动脉不断完善，水利行业引水隧洞工程深埋超特长隧洞也越来越多，北疆供水二期工程隧洞穿越的工程地质和水文地质条件复杂，具有埋深大、超特长的特点1。由于受隧洞埋深限制，斜井距离长、坡度大、施工难度大，安全风险高的问题也愈发突出。为了减少斜井布置，通常采用在主洞围岩较为理想的洞段设置大断面超深竖井，作为人员、物料运输通道，同时可满足布置施工供排水、供电、供风、通风等临时设施布置空间。大断面超深竖井通常采用正井法施工，为确保施工安全，竖井垂直提升系统引进矿山立井凿井的成套设施，并结合水工竖井的施工特点，进行提升系统凿井设备选型及技术改进，提升系统作为竖井施工作业的唯一通道，其正常运行是保证竖井施工的关键因素2。竖井正井机械化施工技术在水利水电工程建设中的引进和成功应用，填补了水利水电建设深竖井正井机械化快速施工技术的一项空白。一方面解决了传统反井钻成导洞，人工钻爆扩挖施工效率低、进度慢、安全保证率低等施工难题，另一方面降低了施工成本，700m 级大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用马永涛（中国水利水电第十四工程局有限公司,云南 昆明 650041）摘要：北疆供水二期工程总长540km，隧洞占总长度的 95.6%，均为深埋超特长隧洞，对该输水隧洞工程中大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用技术进行总结，通过对竖井提升系统相关设备选型对比分析研究，形成一套水利行业超深竖井施工设备选型的技术理论知识。关键词：超深竖井；正井法；设备选型中图分类号：TV554文献标识码：B文章编号：1006-3951(2023)08-0086-06DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2023.08.019Selection and Application of Drilling Equipment for the Construction of 700 m Level Large Cross-section Ultra Deep Vertical Shaft UsingNormal Shaft MethodMA Yong-tao(POWERCHINA SINOHYDRO ENGINEERING BUREAU 14 CO.,LTD.,Kunming 650041,China)Abstract:The total length of North Xinjiang Water Supply Phase II Project is 540 km,with tunnels accounting for 95.6%of the total length,all of which are deeply buried and ultra long tunnels.This paper summarizes the selection and application technology of drilling equipment for the construction of large cross-section and ultra deep vertical shafts using the vertical well method in the water conveyance tunnel project.Through comparative analysis and research on the selection of equipment related to the vertical shaft lifting system,a set of technical and theoretical knowledge for the selection of ultra deep vertical shaft construction equipment in the water conservancy industry has been formed.Key words:ultra deep vertical shaft;normal shaft method;equipment selection收稿日期：2023-06-01作者简介：马永涛（1991-），男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事水利水电建筑施工工作。*马永涛 700 m级大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用87加快了施工进度。具有显著的社会效益、经济效率和广泛的推广应用前景。1 设计概况北疆供水二期工程某标隧洞总长为 20.2 km，主要包括 TBM 施工段（18.632 km）、辅助洞室（0.4 km）及钻爆法施工段（2.168 km）。主洞采用1台TBM施工，断面形式为圆形洞，洞径7.03 m；根据地形地质及施工分段规划，TBM 分 2 个施工段，其中 TBM11-1 段长度为 5.255 km，TBM11-2段长度为 13.377 km（在原设计规划 10.377 km 基础上延伸增加 3 km），主洞独头掘进最大距离近15 km，因此在TBM11-2段中间位置规划1条竖井，井口高程 1206.50 m，井深 668.114 m，最大开挖直径 9.5 m，C30 钢筋混凝土衬砌后净直径 7.6 m，竖井井口选址位于地势开阔的新疆荒漠类戈壁滩，有利于竖井提升系统平面布置。2 施工总规划及总体施工方案根据竖井井筒技术特征及设备配备，采用型金属井架、XFJD-6.10 型伞钻凿岩、2 台 HZ-6型中心回转抓岩机装渣、JKZ-3.63 提升机 2 台、配 5 m3（2 个）吊桶座钩翻渣、JK-21.8 型行人罐笼提升机配 GLS0.5/6/1/1 型 1 吨单层防坠行人罐笼运输作业人员，有效高度 4.5 m 整体下移式金属模板砌壁，进行短段掘砌混合作业的施工方案。井颈段洪积碎石土层采用挖掘机直接破土、装车，人工风镐、铁锹配合开挖修边，直接采用挖掘机装渣，自卸车运输至弃渣场；进入风化岩层挖掘机不能正常使用时采用钻爆法施工，井深9 m 以内无法采用伞钻钻孔时采用 YT-28 手风钻钻孔；待井深超过 9 m 可以使用伞钻后采用 XFJD-6.10 型伞钻钻孔，开挖段高不超过 2.5 m，开挖完成立即进行锚网喷支护施工，然后再进行钢筋混凝土砌筑，砌筑段高4.5 m（开挖2个循环砌筑1次）。井筒施工 18 m 后进行井口永久封口盘及吊盘安装悬挂等施工。若井颈段可边挖边衬砌，临时支护可以取消。井筒段进入基岩段采用钻爆法施工，主要采用 XFJD-6.10 型伞钻钻孔和 HZ-6 型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣，井壁砌筑采用 4.5 m 有效高度单缝伸缩式整体移动金属模板，竖井采用 3 m3底卸式吊桶下料入仓。此工法的工艺核心是采用机械化设备施工工艺进行施工，简称“四大一深”；即提升选用凿井专用大提升机，配大吊桶；出渣选用大抓岩机；凿孔采用伞钻深孔凿孔、光面爆破；衬砌采用抗冲击组合钢模板。3 凿井设备选型及应用3.1 凿井设备选型需考虑因素竖井施工中，核心设备是提绞系统选型，主要包括提升设备、提升容器、及金属井架等，在设备选型时要结合竖井设计用途、竖井深度、井筒直径、勘测围岩条件和工期要求来选择施工工艺与凿井施工设备配套选型，确定主要设备技术参数和系统配置，一般需考虑以下几个方面的问题。1）为井筒快速施工创造条件，在保证安全质量前提下，尽可能布置大容量的提升容器。2）布置中各种设备的轮廓尺寸，例如：吊桶、吊盘、各种管卡、安全梯、井架、天轮等均应满足 凿井工程图册 3相关技术要求。3）各种设备之间，设备与井壁之间，管线之间及过各孔口的间隙均遵照煤矿安全规程（2020版）4的规定，根据煤矿安全规程第七十三条，建井期间，2 个提升容器的导向装置最突出部分之间的间隙，不得小于 0.2+H/3000（H 为提升高度，单位为 m）；立井凿井期间，井筒内各设施之间的间隙应当符合表1的要求。根据 煤矿安全规程第三百九十七条立井提升容器间及提升容器与井壁、罐道梁、井梁之间的最小间隙，必须符合表 2 要求。设备选型时重点要对容器间隙进行复核。表 1 立井凿井期间井筒内各设施之间的间隙表序号项目规范间隙/mm12 个提升容器的导向装置最突出部分之间的间隙不得小于 0.2+H/3 0002吊桶最突出部分与孔口之间 1503吊桶上滑架与孔口之间 1004抓岩机停止工作，抓斗悬吊时的最突出部分与运行的吊桶之间 2005管、线与永久井壁之间（井壁固定管线除外）3006管、线最突出部分与提升容器最突出部分之间井深小于 400m 5007井深 400 500m 6008井深大于 500m 80088云南水力发电2023 年第 8 期表 2 容器与容器（井壁）间的最小间隙值表序号位置项目备注1罐道和井梁布置容器与容器之间 容器与井壁之间2规范值/mm500350钢丝绳罐4）井筒、天轮平台、地面提升机与绞车布置是按以下几点考虑的：尽可能减少转入平巷开拓时的改绞工作量；保证井筒掘砌时测量方便，不受悬吊设备及天轮主梁影响；井筒内设备布置尽量便利掘砌作业和操作维修方便；井筒设备布置尽量使井架受力均衡并避免使天轮平台、翻矸平台、封口盘、吊盘等设计复杂化；提升机与凿井绞车的仰角、偏角符合有关设备的技术规定，前后左右间距在使用时互不干扰。3.2 井架设备选型选择凿井井架的原则是：能够安全地承担施工荷载，包括提升机拉力、风荷载作用及井架基础地基承载力；保证足够的过卷高度；角柱跨距和天轮平台尺寸应满足井口施工材料、设备运输及天轮布置的需要。该工程选型 V 型井架，可满足井筒凿井施工的要求。V 型井架主体架角柱跨距：16 m16 m，天轮平台尺寸：7.5 m7.5 m，井架高度：26.364 m，卸渣台高度：10.5 m，井架自重：77.097 t，允许过卷高度：6 m。V 型钢管井架适用于 6 9 m 井径，1 000 m以内井深的凿井，适用于伞形钻架钻眼，汽车排渣。井架选型参考表见表 35。表 3 竖井凿井井架选型参考表型号井筒直径/m井筒深度/m备注I3.5 5.0200适用于人工钻眼、矿车排矸II4.5 6.0400适用于人工钻眼、矿车排矸III5.5 6.5600适用于人工钻眼、矿车排矸IIIG5.5 6.5600适用于伞形钻架钻眼，汽车排矸IV6.0 8.0800适用于人工钻眼、矿车排矸IVG6.0 8.0800适用于伞形钻架钻眼，汽车排矸V6.5 8.01 000适用于伞形钻架钻眼，汽车排矸3.3 凿井提升机选型3.3.1 物料提升系统设备选型竖井提升可采用单绳缠绕式提升机，也可采用多绳摩擦式提升机6，根据井筒断面及竖井深度，采用 2 套单绳缠绕式提升机，凿井提升机型号为 JKZ-3.63，2 台凿井提升机布置于井筒东西两侧。分别用于主洞施工出渣及材料运输。JKZ-3.63 单卷筒凿井提升机技术参数：卷筒直径 3 600 mm，卷筒宽度 3 000 mm，最大静拉力 220 kN，提升高度：640 m/一层，1 320 m/二层，2 060 m/三层，钢丝绳最大直径44 mm，最大提升速度 7.5 m/s，配套减速器 XL-1250，减速比 15.5，配套电机 YR1600KW-10 极。钢丝绳的选用主要考虑其单位长度重量和抗拉轻度、井筒深度及罐道所需的刚性系数7，经计算提升钢丝绳选用 187-FC-42-1770 型不旋转钢丝绳，吊桶稳绳采用 619+FC-40-1770 型交互捻钢丝绳，提升机稳绳全部采用专用液压拉紧装置固定在天轮梁上或稳车悬吊固定，吊桶采用 5m?吊桶，改绞后形成 3 钩提升系统。JKZ-3.63 单卷筒提升机技术参数见表 4。表 4 JKZ-3.63 单卷筒提升机主要技术参数表序号项目名称数值备注1名称单卷筒凿井提升机2规格JKZ-3.633卷筒直径/mm3 6004卷筒宽度/mm3 0005天轮直径/个数/（mm/个）3 000/16卷筒个数17提升钢丝绳的最大静张力/kN2 5208提升钢丝绳的最大静张力差/kN2209减速比/i15.510最大提升速度/（m/s）7.511提升钢丝绳最大直径/mm4412提升高度/m1 320二层缠绕13设备重量/t11014机器外形尺寸/m14.111.94.83.3.2 行人罐笼提升系统设备选型罐笼选用 GLS0.5/6/1/1 型 1T 单层防坠行人罐笼，每罐乘坐人员 8 人。提升机选用 JK-21.8 型提升机，钢丝绳选用 187-FC-28-1770 型不旋转马永涛 700 m级大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用89钢丝绳，罐笼稳绳选用 4 根 619+FC-36-1770 型钢丝绳（2 根兼做防坠绳），提升机稳绳全部采用专用液压拉紧装置固定在天轮梁上。轻型罐笼提升机参数见表 5，GLS0.5/6/1/1 型 1 吨单层防坠行人罐笼参数见表 6。3.3.3 天轮装置表 5 轻型罐笼提升机参数表提升机型号卷筒直径/m卷筒数量/个卷筒宽度/m钢丝绳最大静张力/t钢丝绳速度/（m/s）JK-21.8211.864最大提升高度/m(28mm 钢丝绳)减速机型号传动比电动机型号功率/kW转速/rpm一层 382m二层 774mXL-63030JR138-8200740表 6 GLS0.5/6/1/1 型行人罐笼参数表罐笼型号外形尺寸 mm乘人数量/人载车数罐笼自重/kg防坠器型号工作负荷/kNGLS0.5/6/1/11 2001 0202 7008 11 062BF-0511251）天轮采用焊接式结构，由铸造轮毂、轮缘与辐条焊接而成，焊后进行整体退火。轮缘槽内装有 PVC 衬垫，以防止钢丝绳与轮缘摩擦。2）提升装置的天轮的最小直径与钢丝绳直接之比应符合 D 80ds8，式中，D 为天轮直径，m；ds为钢丝绳直径，根据钢丝绳选型结合凿井提升天轮主要技术参数表，物料提升机配置 A3m 悬吊天轮，行人罐笼提升机配置 A2m 悬吊天轮。3）轴承采用优质轴承，轴承设计使用寿命不小于 10104h。4）天轮装配完成后需做静平衡检验并出并出具检验合格报告。3.4 其他辅助系统设备选型3.4.1 管路及管线布置1）根据施工总规划，在竖井井口设置固定供风站。供风站内配置空压机，通过供风管将风送至工作面，根据凿井工程图册（第 2 分册）管路井内吊挂要求，供风管路采用井壁锚杆固定方式，随着竖井掘进下放延伸。2）施工通风采用压入式通风，在竖井井口设置 1 套风机，风机设在井口以外，风筒从封口盘面引入井下，风筒将新鲜风压入竖井作业面，风筒采用 2 台 JZ-10/1000 稳车通过 2 根 187-32-1770 不旋转钢丝绳悬吊，随着竖井掘进下放延伸。3）根据施工用电总规划，根据 凿井工程图册（第 2 分册）管路井内吊挂要求，竖井施工期间动力电缆采用井壁锚杆固定方式，每隔 20 m 固定1 次，随着竖井掘进下放延伸。4）照明、动力电缆和信号、通讯、放炮电缆的间距不得小于 300 mm，信号与放炮电缆应远离压风管路，其间距不小于1 m，放炮电缆须单独悬吊。5）当凿井管路采用井内吊挂时，管路应靠吊筒一侧集中布置，风筒置于中间、压风管、供水管和排水管等对称安设在风筒的两侧。这样便于管路的下放和安装，避免几趟管路分散吊挂在井筒四周，造成吊盘圈梁四处留管路缺口，给吊盘的加工和使用造成困难。3.4.2 出渣系统布置根据该工程施工特点，井筒段进入基岩段后采用钻爆法施工，主要采用 XFJD-6.10 型伞钻钻孔和 HZ-6 型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣，井壁砌筑采用 4.5 m 有效高度单缝伸缩式整体移动金属模板，中心回转凿井抓渣机的位置要与吊桶的位置配合协调，保证工作面不出现抓岩死角。采用两套单钩提升时，两个吊桶中心应分别布置在抓岩机中心的两侧。采用双套提升设备时，吊桶位置在井筒相对的两侧，使井架受力均衡，也便于共同利用井架水平联杆布置翻矸台。根据施工进度要求，提升系统出渣强度不小于 60 m3/h，此提升强度为提升系统正常工作状态下的实际生产能力，非铭牌或计算生产能力。布置 2 套单钩提升吊桶，提升容器容量不小于5 m3，数量为 2 个，地面二次转渣采用 1 台 3 m390云南水力发电2023 年第 8 期（ZL-50）型装载机，配 20t 自卸车运输至指定弃渣场。3.4.3 衬砌混凝土模板及混凝土输送设备衬砌混凝土模板是正井机械化快速施工具有工艺特征的关键设备，模板性能的好坏直接影响到施工进度及施工质量。根据煤矿施工情况，研发了一套 MJY 型整体金属下行式液压钢模板，该模板具有抗冲击能力强、刚度大、变形小、拆模及安装方便、快捷等优点，在地面由4台稳车悬吊。模板根据井筒直径进行选型，高度 4.5 m。衬砌混凝土由井口布置的搅拌站进行拌制，通过溜灰管及缓冲器下料至吊盘集料斗内，经分料器及溜筒输送入模浇筑。当井筒深度超过 400 m 或混凝土标号大于 C35 时，严禁使用溜灰管进行下料，仅能采用底卸式吊桶下料至吊盘，经分料器输送入模。3.4.4 信号及通讯系统井底、井口、绞车房分别设信号房，设置声、光视频信号系统，保证井底的信号必须经井口信号房转发（发送紧急信号时不受限制）9，并在井口安装电话集团交换机，确保与井底有线电话信号畅通。3.4.5 有毒有害气体监控监测系统布置安装 1 套有毒有害气体监控监测系统，主要包括显示器、电源、监控线路、监测传感器等，以便随时掌握井下有毒有害气体情况，防止出现有毒有害气体造成安全事故。监控系统控制器安装在井口值班房，在吊盘上安装瓦斯（CH4）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（C02）、硫化氢（H2S）及氧气（O2）监测传感器，监控传输线路通过动力电缆吊挂设施沿着井壁进行固定。3.5 设备选型分析参考类似工程设备选型，结合该工程特点，通过已掘砌完成段施工相关数据统计分析，选型的设备与工程地质条件及特点等适应性强，设备匹配度高，施工效益明显。4 施工组织及进度评价700 m 级超深竖井掘砌施工采取“3+1+1+1+1”劳动组织方式（即 3 个专业化提升设备特种作业运行班+1 个开挖班+1 个出渣班+1 个混凝土班+1 个地面物资后勤保障班，每个提升设备运行班工作 8 h，其他班组根据施工内容及进度调配）。根据工程总体施工部署及进度安排，对各专业及各阶段劳动力进行配置，施工特种作业人员配置见表 7，其他劳动力配置见表 8。表 7 特种作业人员配置表 序号工种数量备注1空压机操作12焊接与热切割作业23电 工24绞车操作工13确保 1 人可以休班合计18表 8 其他劳动力配置表 工 种竖 井 施 工 阶 段凿井设备安装期竖井施工段备注机电维修工56提升机司机012地面车辆司机104井上下信把工012排水泵工04翻矸工04地面普工205井下06打眼放炮班8出渣、清底、找平班8钢筋绑扎8浇筑（喷浆）班8注浆堵水合 计3585虽然受新疆荒漠戈壁滩地域及气候条件的制约，设备之间的能力匹配良好，机具配置完善，达到了预期效果，竖井井深 668.114 m，实际有效施工时间为 10 个月，最高日进尺 4.5 m，最高月进尺 81 m，平均月进尺 66.8 m，在同期开工的 5条竖井中最先实现与主洞贯通。5 正井法施工关键技术总结及存在不足5.1 关键技术总结1）大断面超深竖井正井法施工混凝土运输方马永涛 700 m级大断面超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用91式有垂直溜灰管加井底缓冲器及底卸式吊桶提升 2种方式，通过施工过程中经验总结，400 m 以下竖井采用溜灰管方式运输平均 8 000 10 000m3需更换管路，结合经济成本对比、安全管理及施工中断影响综合分析，建议后续竖井正井法施工，井深超过 400 m 宜优先考虑底卸式吊桶运输混凝土方案，井深小于 400 m 宜优先考虑垂直溜灰运输方案。2）常规正井法施工时，竖井供风、排水、电缆等管线路均采用钢丝绳悬吊方式，该竖井施工采用凿井工程图册施工标准，管路及线路均采用井壁锚固的方式固定，投入稳车及钢丝绳数量减少，经济性及安全性更高，后续类似工程施工根据实际情况可以借鉴推广。3）考虑竖井井颈段施工时，受设备安装的影响，衬砌可能不及时，设计单位往往在竖井井颈段要求增加锚网喷等临时支护，施工效率较低，该工程在竖井井颈段开井口前均提前完成整体下滑式液压金属模板安装，均可实现“一掘一砌”混合施工作业，取消井颈段一次支护，将锚网喷混凝土改为素混凝土衬砌10，施工效率明显提高。5.2 存在不足及建议1）结合竖井正井机械化施工工艺，存在伞钻钻孔周边孔最大极限角度为 88，一般操作时控制角度在 85左右，若控制不好造成爆破超挖量大、导致混凝土超填量较大，施工成本较高，实际实施中可采用欠挖 10 cm 开口，长短眼结合打钻的方式克服。2）正井法施工衬砌混凝土施工外观质量较差，如模板收缩节部位、合茬窗口及每模施工缝处错台较大，同时采用该施工工艺从上向下施工，导致在两模混凝土结合部位浇筑不密实，需要后续工程继续研究解决。6 结束语伴随着国家水网主骨架和大动脉不断构建，水利工程长距离独头施工隧洞设置深距离、大断面竖井已成为一种施工设计规划趋势，超深竖井提升系统设备选型的优化组合对工程是否可以安全、优质、高效、快速施工起着决定性的作用。参考文献：1 邓铭江，谭忠盛.超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析 J.隧道建设：中英文，2019，39（1）:1-22.2卢玉斌，高照坤.超深竖井提升系统现场施工安全管控J.云南水力发电，2015，31（6）:1-3+10.3王介峰.凿井工程图册M.北京：煤炭工业出版，1988.4 田心.解读新修订的煤矿安全规程J.安全与健康，2016,（5）:39-41.5崔云龙.简明建井工程手册M.北京：煤炭工业出版，2003.6 刘贞表.某地下矿山竖井提升系统计算及设备选型 J.现代矿业，2017，33（8）:161-163.7高俊福，张鹏，崔传杰.竖井钢丝绳罐道的选用分析J.中国矿山工程，2016，45（1）:75-77+82.8GB 16423-2020 金属非金属矿山安全规程S.9 仝金璞.高原高寒区深竖井施工设备配套技术 J.铁道标准设计，2005,（9）:73-74.10朱先武，娄永超，白晓卿.喀双隧洞 S3 深竖井正井开挖施工技术研究J.云南水力发电，2017，33（2）:121-123.