SBM在抽水蓄能电站排风竖井开挖工程中的施工应用.pdf

22SBM在抽水蓄能电站排风竖井开挖工程中的施工应用郭廷凯/中国水利水电第十二工程局有限公司【摘 要】SBM（Sh a f t Bo r i n g Ma c h i n e）是一台集掘进开挖、井壁支护、清出渣、通风于一体的高精度竖井掘进机，具有施工效率高、可靠性强、精度高、安全性高、环保效果好等特点。同时，作为抽水蓄能电站工程建设领域首次推广使用的先进技术设备，成功应用于宁海抽水蓄能电站的排风坚井开挖工程中。本文对SBM现场应用的实际过程进行详细说明，旨在为今后同领域同类工程的施工提供参考。【关键词】SBM抽水蓄能电站竖井开挖应用1工程概况浙江宁海抽水蓄能电站位于浙江省宁波市宁海县，为大（1）型I等工程。该电站是国家“十三五”能源规划国家重点监管项目、浙江省重点工程、宁波市首座大型抽水蓄能电站。主要包括上/下水库、地下厂房、输水系统、地面开关站等建筑物，其中排风竖井位于下平洞端部，净直径g7500mm（开挖洞径$7 8 0 0 mm）、井壁支护1 50 mm，井高1 9 8 m左右、井口高程280.00m。从上到下竖井的0 5m、52 5m、2 5m 以下的三段长度主要围岩分布范围依次为强风化层（IV类围岩）、弱风化岩石层（IV类）、微新岩石层（类围岩）。其中微新岩石层岩体完整性较好，成井条件好，有利于SBM的施工。2SBM现场施工应用SBM是一种全新智能化的竖井施工设备，主机高度约1 6 m、吊盘高度约1 3m，整机总高2 9m，集风、光、水、电、机械、液压、传感等技术于一体，能够完全实现远程化操控、井下无人化作业。通过全断面刀盘开挖、多油缸串并联环形撑靴推进、机械式同步出渣、井身设计断面一次成型的方式施工。同时也可通过改造撑靴、稳定器、刀盘等部件，实现不同直径竖井的开挖，在掘进过程中实现了以机械破岩为基础的安全、高效、绿色、智能化开挖。2.1施工方法比较目前，在抽水蓄能电站排风竖井开挖中常用的两种施工方法分别是正井钻爆法和反井钻导井十人工钻爆扩挖法。正井钻爆法主要采用自上而下人工钻孔爆破开挖竖井的方法，在竖井上口布置提升吊挂等设备进行人工出渣。反井钻导井十人工钻爆扩挖法是先采用反井钻进行施工导井，然后正向人工钻爆进行扩挖。对宁海抽水蓄能电站的施工进度安排及施工工期要求、工程质量标准、环保安全等方面进行综合考虑，将正井钻爆法、反井钻导井十人工钻爆扩挖法和SBM施工方法进行综合比较分析，详见表1。通过三种施工方法的比较分析可得，正井钻爆法和反井钻导井十人工钻爆扩挖法相对于SBM施工方法存在着爆破与机械（垂直运输）等安全隐患多、施工时间长且准备程序复杂、施工机械化程度低造成效率低下、施工质量参差不齐、施工环境保护负面影响大的问题，对施工作业人员的安全和职业健康不利；同时该工程竖井开挖面临着工期紧、施工强度高、安全环保要求高的任务难题。该工程根据业主要求，为保证高质量、安全、环保完成竖井开挖，减少超欠挖等施工质量问题，浙江宁海抽水蓄能电站工程首次引进SBM设备应用于排风竖井的开挖。2.2SBM施工工艺流程为提供SBM设备的撑靴及撑靴以下部件全部入井的条件，该工程排风竖井掘进施工先进行始发段的开挖，23SBM在抽水蓄能电站排风竖井开挖工程中的施工应用表1三种施工方法综合比较分析比较内容号施工方法机械化平均月平均单价施工准备施工操作施工人数施工质量施工安全施工环保程度进尺/m/（元/m）炸药需公安等井壁凹凸不平整，炸药隐患；爆破过后排正井钻部门批准；炸药1一次成型低15人左右50709427存在超欠挖现象；竖垂直运输隐烟、排尘对环爆法库的建立；设备/井轴线偏差大患；机械隐患境污染人员进场反井钻导炸药需公安等井壁光滑基本平炸药隐患；少量排烟、井十人工部门批准；炸药1002两次成型中10人左右10650整，存在超欠挖现垂直运输隐排尘对环境钻爆扩库的建立；设备/200象；竖井轴线偏差小患；机械隐患污染挖法人员进场井壁光滑平整，基SBM施工8人2003设备/人员进场一次成型高12480本无超欠挖；竖井轴机械隐患基本无污染方法左右400线基本无偏差然后再进行掘进机段的施工。始发段1 0 m，采用钻爆法在井口开挖形成；剩余1 8 8 m，采用SBM掘进施工。具体SBM施工工艺流程为：施工准备始发段施工安装整机调试试掘进正常掘进掘进结束拆机。其中正常掘进的施工流程为：掘进、出渣同步施工钻机换步物料运输井壁支护延伸风、水、电管线，转人下一个循环。2.3主要施工要点SBM在施工过程中，主要施工要点如下2.3.1始发段施工始发段截面为圆形，深度1 0 m，净内径8 m，采用钻爆法形成井口，井壁进行“锚喷初期支护十混凝土二次衬砌”支护，满足撑靴荷载要求。井底进行混凝土找平处理，满足主机组装50 0 t承载力要求。2.3.2安装（1）主机段组装。设备主机采用2 台30 0 t汽车吊吊装，主机部件采用在井口平台部件组装、部件整体吊装下井、井下部件连接的程序进行设备组装。（2）吊盘平台安装。主机安装完成且向下掘进2 0 m后，利用起重设备将四层吊盘整体安装至井内。（3）提升配套设施安装。待吊盘安装完成后，立即采用汽车起重机进行提升配套设施安装。提升配套设施主要有1 座IVc型竖井井架作为提升设备的支撑体系，1台单绳缠绕提升机（型号：JK-32.2p绞车）用于竖井施工出渣及人员上下井，6 台稳车（型号：JZ2 51300卷扬机）J用于吊盘升落。2.3.3正常掘进（1）掘进、出渣同步施工。1）掘进：掘进程序在地面主控室对设备进行控制，在掘进之前，先对设备是否处于垂直状态进行检查，若设备不垂直或者偏差大于等于40 mm，即采用撑靴和稳定装置调节，以确保其垂直。然后将撑靴及稳定器撑紧，垂直斗提机、刮板清渣进行启动，最后启动刀盘程序开始掘进开挖。根据不同的地质情况采用不同的转速与贯人度，根据多次调试，最大掘进进尺1.2 m，每次支护长度为3m，因此设备每挖1 m进行换步一次，每3m进行二次支护，每6 m水管、风管等进行一次延伸。2）出渣：竖井出渣与竖井掘进同步进行，竖井刀盘掘进下来的渣土，通过刀盘刮渣板运至中心集渣筒。首先斗式提升机将中心立柱集渣筒内的渣土提升至主机上部的储渣仓，通过储渣仓将渣土倒运至吊桶内，再通过提升机将吊桶吊运至井架翻渣平台，石渣通过溜渣仓至地面后再由自卸车运至指定区域。（2）换步。每开挖完1 m进行一次钻机换步，钻机换步主要是通过来回调整撑靴位置来实现掘进循环开挖。（3）井壁支护。掘进每完成3m时进行井壁支护，需要支护班人员下井，进行材料的倒运，安装锚杆、挂网、喷射混凝土等井壁支护施工。（4）风水管线延伸。掘进每完成6 m时，对供风管、供排水管、风筒（采用轻质材料）管线进行延伸。其中供风管、供水管、排水管为井壁固定，风筒采用细钢丝绳垂吊于井中，上述管线均利用提升机输送至井下吊盘进行安装。（5）通信系统。地面提升机司机、竖井掘进机司机、井下信号工（临时）与井口信号工之间联络采用电铃打点信号装置系统，备用对讲机及随掘进机延伸布置的有线电话等通信设备。正常施工运行过程中，以打点信号装置系统为主进行上下通信联络。在提升机房操作台、竖井掘进机主控室、井架翻渣台和竖井掘进机第四层吊盘等位置，设置电铃打点对讲信号装置系统，通过一整套通信系统的联络有效保证了施工人员的安全。（6）导向控制。SBM设备在该工程应用中，为确保精准导向开挖，在其设备上安装导向系统。该系统主24地下工程要采用光电传感技术，配合竖井常规测井技术。通过在竖井中央安装一组激光引导器，为竖井中心与设备提供校准参考，在设备中心和撑靴平台分别设置。通过2 束激光发射器、激光靶，采用图像定位算法得出滚动角；采用倾角仪测得掘进方向两个轴上的偏转角度；达到设备导向的目的，防止竖井轴线的偏差。2.3.4拆机待竖井开挖结束后进行SBM及地面提升配套设施拆除，首先利用地面提升配套设施拆除吊盘和主机，并严格按照“先安装后拆卸，后安装先拆卸”的要求进行有序拆除，吊盘及主机拆除之后再利用汽车起重机进行地面提升配套设施拆除。2.4SBM施工特点根据SBM在整个排风竖井中的应用，具有以下施工特点：（1）SBM能够掘进、衬砌、清出石渣多工序同步进行施工，与钻爆法施工相比，在特定的情况下，具有较高的经济和社会效益。在级或级围岩环境下，根据SBM施工经验和技术参数，月进度平均可达1 2 0 m/月以上。（2）SBM设备具有对瓦斯等易燃易爆及浑浊气体的检测功能，对危险行为提前识别，进行通风及警报呼叫，大大提高了施工环境的安全。（3）SBM将传统的爆破破岩方法改为机械切割，大幅度降低围岩扰动，从而减小地层扰动，提高施工地质安全性。（4）SBM设备采用远程控制系统，操作人员无须下井，施工人员安全性高。（5）SBM设备配有导向系统，随时纠正竖井轴线的偏差，施工精度高。3应用情况与效果SBM在整个工程的应用情况为：2 0 2 1 年9月正常掘进2 0 2 1 年1 2 月2 8 日竖井顺利贯通。排风竖井贯通标志着世界首台全断面硬岩竖井掘进机在抽水蓄能领域中成功应用，在其领域中实现零的突破。SBM在整个工程的应用效果如下：（1）此次开挖的排风竖井深度1 98 m，正常施工情况下日平均进尺2.0 3.0 m，在2 0 2 1 年9月2 8 日进尺4.83m，达到施工最高纪录。（2）采用SBM开挖施工，避免了常规爆破开挖法对围岩的扰动破坏，开挖成型直径大且质量好，井壁平整光滑，基本不存在超欠挖情况，经测算可节省工期约1/5，节约超欠挖处理费用2 0 万元左右。（3）采用SBM进行排风竖井全断面开挖施工，洞壁光滑平整，成型质量好，竖井轴线偏差在1%内。SBM开挖效果图详见图1。图1SBM开挖效果图（4）整个建设过程处于可控的安全、稳定和高质量状态。相比常规竖井施工方法，免去了人工爆破，降低了施工安全风险等级，减小了岩石扰动与噪声污染，大幅度降低了资源投人，进一步提高了施工效率，环境保护显著提升，施工中未发生安全或质量事故，得到了业主和监理方的一致好评。4结语SBM竖井掘进机在浙江宁海抽水蓄能电站排风竖井施工中的成功应用，实现了国内抽水蓄能电站领域竖井施工零的突破，同时在其领域首次实现了井下无人掘进的突破性成果。SBM具有多工序并行施工作业、施工质量优、安全性高、环保效果好等特点，明显提高了社会效益和经济效益，同样也是水利水电工程施工行业发展的必然趋势，在后续类似工程中值得推广应用。参考文献1孟继慧，夏万求，彭泽豹SBM施工风险分析及管控措施一以宁海抽水蓄能电站竖井工程为例J.建井技术，2 0 2 1，42（6）：7.2唐雄，代强50 0 m级超深竖井开挖方案的比选与施工J四川水力发电，2 0 1 9（3）：49-51.3毕国先竖井开挖施工技术与质量控制的相关性研究J建筑技术开发，2 0 1 9，46（5）：6 5-6 6.