三道灣水電站出線豎井正井法開挖及方案優(yōu)化

王其德, 姜凌宇, 李江明

(中國水利水電第五工程局有限公司第一分局,四川 成都 610066)

1 工程概況

三道灣水電站位于甘肅省張掖市肅南縣境內(nèi)的討賴河干流上,是出山口已建冰溝水電站的上一梯級電站,為閘壩引水式,總裝機容量 3×30 MW,屬Ⅲ等中型工程,主要建筑物為 3級建筑物,次要建筑物為 4級建筑物,臨時建筑物為 5級建筑物。電站由樞紐、引水發(fā)電隧洞、調(diào)壓井、高壓水道及地下廠房等建筑物組成。

出線豎井設(shè)計頂高程為 2 136.00 m,底部高程為 2 024.15 m,井身 111.85 m,井身開 挖 直 徑 為10.00 m,井身支護形式為系統(tǒng)錨桿錨噴支護和型鋼環(huán)向支護。出線豎井開挖支護設(shè)計情況見圖 1。

2 施工方案調(diào)整

出線豎井的作用僅為通風出線。但由于施工條件的限制,地下廠房進廠交通洞要求在開工后8個月提交工作面,故原投標時考慮采用的反井鉆機法開挖出線豎井的方案不能實現(xiàn),地下廠房主體施工也無法盡早展開。經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),洞口有現(xiàn)成的施工道路可以直接利用,為盡早提供施工工作面,加快施工進度,經(jīng)與業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理單位協(xié)商決定改變原施工方案及程序,先從出線豎井開始施工,在豎井底部打開主廠房的施工通道,以豎井作為母線洞、通風洞及部分廠房穹頂?shù)某鲈ǖ?盡早打開主廠房施工工作面。因此,豎井就成為關(guān)鍵線路上的關(guān)鍵項目,其工作面需要提前展開施工,對豎井的開挖施工方式也相應做出調(diào)整,由原設(shè)計的利用反井鉆自上而下鉆導孔,自下而上擴挖溜渣井,再自上而下鉆爆擴挖至設(shè)計斷面,留渣至底部母線洞后裝運出渣的方式進行施工更改為在豎井頂部架設(shè)龍門式起重機自上而下鉆爆施工,用龍門式起重機吊運至豎井頂部的出渣方式,即全部采用正井法施工。

圖1 出線豎井開挖支護圖

3 正井法施工采用的方法和設(shè)備

正井法施工過程中,鉆爆、支護、出渣等工序交替進行,開挖支護順序為自上而下進行施工。主要利用 1臺 HD60小挖掘機裝渣,利用 10 t龍門式起重機提升至井口臨時堆渣區(qū)(圖 2),再用ZL50裝載機裝 20 t自卸汽車運至渣場。

圖 2 正井法開挖出渣示意圖

開挖出渣配備的主要機械設(shè)備包括 1臺 HD 60型小挖掘機(斗容 0.6 m3)、1臺 MH10 t-6 m-10 m型龍門式起重機、自制 2.5 m3料斗 1個、1臺 ZL50型裝載機和 2輛 20 t自卸汽車。

正井法開挖出渣情況見圖 2,豎井正井法施工龍門式起重機平面布置見圖 3。

圖 3 豎井正井法施工龍門式起重機平面布置示意圖

4 施工中存在的問題

在工程施工過程中,渣料水平運輸?shù)裙ば蚓軡M足施工需求。但由于受噴護時間較長和裝渣及龍門式起重機提升速度等因素影響,嚴重制約了施工進度,無法在 11月初完成豎井井身開挖施工的任務(wù)目標,具體表現(xiàn)突出的問題為:

(1)按照確保施工安全和常規(guī)施工機械配置原則,豎井施工配備的起重機的主要工作是進行井內(nèi)設(shè)備及材料吊運工作等,使用頻率不高,通用的提升設(shè)備為慢速卷揚機。進場后,因工期緊、任務(wù)重,暫時購置不到滿足施工要求的設(shè)備。經(jīng)過考察研究,從公司內(nèi)部其它工地調(diào)撥了 1臺MH10 t-6 m-10 m型門式電動葫蘆起重機(起重能力 10 t,最大理論提升速度僅為 6 m/min)用于施工。在前 40 m井身開挖支護施工過程中,由于其提升速度過慢,導致吊渣時間過長,前 40 m吊渣單次工作循環(huán)平均時間達 13 min。進而使整個開挖支護施工工序時間延長,嚴重制約了施工進度。

(2)在渣料垂直運輸過程中采用單個料斗施工,導致渣料在提升和空斗降落過程中挖掘機基本處于閑置狀態(tài),挖掘機裝渣時間約 7.5 min,兩個設(shè)備不能同時作業(yè),從而影響循環(huán)時間。

(3)在井口料斗倒渣過程中,由于料斗和鋼絲繩之間為卡環(huán)連接,倒渣過程中需頻繁提升鋼絲繩并旋轉(zhuǎn)卡環(huán)螺栓,時間較長(約 3 min),從而影響循環(huán)作業(yè)時間。

(4)由于豎井巖石不好,自穩(wěn)性較差,在受出渣時間長影響后穩(wěn)定性更差,更需采取“強支護”方式及時噴護,因此,原配置的 1臺噴錨機已不能滿足需要,噴護時間較長,從而影響循環(huán)作業(yè)時間。

5 解決問題的方案

根據(jù)以上施工過程中存在的問題,為了加快施工進度,保證工程按期施工進度不受影響,減少出渣垂直運輸所用時間和噴護工序時間是問題的關(guān)鍵。為此,項目部經(jīng)過與多個廠家進行溝通、考察、咨詢,在 2009年 8月中旬開始對施工設(shè)備和工藝流程進行改進,并于 2009年 8月底投入使用。具體改進措施為:

(1)積極與起重機廠家溝通、咨詢,在不改變起重量的情況下對起重機進行改進,即將現(xiàn)有起重機配置的 JM10型慢速卷揚機更改為 JK10型快速起重機,并于 2009年 9月 4日安裝完畢,經(jīng)工程所在地質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督站驗收合格后使用,大大提高了卷揚機的提升速度,提升速度由原來的6 m/min提高至最大 23 m/min,速度增加 3倍,大大提高了豎井的出渣速度,使吊渣單次循環(huán)時間縮短到 5 min以內(nèi)。

(2)增加 1個出渣料斗出渣,2個料斗交替吊運出渣。在 1#料斗提升的同時,2#料斗裝渣,從而節(jié)約了裝渣時間,使出渣循環(huán)時間節(jié)約近 7.5 min。

(3)將出渣料斗與鋼絲繩之間由原設(shè)計的卡環(huán)聯(lián)結(jié)方式更改為滿足吊重設(shè)計要求的吊鉤形式,并增設(shè)安全防脫措施,以掛鉤、摘鉤方式進行施工,從而節(jié)約了卡環(huán)需頻繁旋轉(zhuǎn)銷子所用的時間,井下裝料循環(huán)時間由原來的 7.5 min縮短為0.5 min,使井上卸料循環(huán)時間由原來的 3 min縮短為 1 min(圖 4)。

(4)增加 1臺噴錨機和 6名噴護工,減少噴護作業(yè)時間約 1 h;同時,最大限度地壓縮鉆孔、裝藥、爆破、噴錨支護等工序施工時間。

圖 4 吊耳與鋼絲繩之間連接方式示意圖

通過以上方法的改進,以 40 m深度為例,使單斗垂直出渣時間由原來的 25 min縮短至 15 min,出渣循環(huán)作業(yè)時間縮短了近 20 h,從而大大提高了施工速度和效率。施工方案改進前后豎井開挖支護作業(yè)循環(huán)時間對比情況見表 1、2。按Ⅳ類圍巖單循環(huán)進尺 1.5 m進行統(tǒng)計,表中時間為平均時間。

表 1 出線豎井高程2 136.00～2 078.00 m開挖支護作業(yè)實際循環(huán)時間表

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6 方案優(yōu)化后的施工效果分析

6.1 方案優(yōu)化后的進度情況

通過采取以上優(yōu)化的施工措施,大大縮短了豎井開挖出渣施工循環(huán)時間,有效地加快了施工進度,改進前后豎井開挖支護的實際進度情況統(tǒng)計時間見表 3。

由表 3可知,經(jīng)過改進設(shè)備、優(yōu)化施工方案及流程后,施工循環(huán)時間縮短較多,大大加快了施工進度,于 2009年 11月 5日完成了豎井井身開挖支護施工。開挖及支護總工期為 4個月零 25天。

表 3 出線豎井井身開挖支護施工進尺時間統(tǒng)計表

6.2 采用反井鉆施工進度情況分析

若仍按照原施工方案采用反井鉆法施工,即先利用反井鉆自上而下進行導孔鉆孔施工,再自下而上進行溜渣井擴挖施工,最后再自上而下完成井身二次擴挖、從底部出渣方式施工,結(jié)合配置的 LM200反井鉆施工能力和工程實際情況,施工工期進度情況:導孔鉆孔施工約需 1個月,溜渣井擴挖約需 1.5個月,井身二次擴挖需 3.5個月(平均月進尺按 30 m考慮),總工期約需 6個月。

6.3 優(yōu)化前后施工情況綜合分析

經(jīng)過對上述計劃施工進度和實際施工進度進行對比分析后得知,在設(shè)備改進、施工方案及流程優(yōu)化后,采用正井法進行出線豎井開挖及支護施工在本工程中具有獨特的優(yōu)勢,大大加快了施工進度,縮短了豎井施工工期,而且與采用反井鉆法施工方式相比,施工工期也有所提前,從而為母線洞、主廠房等部位施工提供了工作面,縮短了地下廠房總施工工期。

7 結(jié) 語

正井法施工在甘肅省討來河三道灣水電站出線豎井的實踐和應用中,通過改進設(shè)備、優(yōu)化出渣方案,井身實際開挖進尺最高達到了 25.50 m/月,為正井法施工在豎直洞室開挖及支護施工過程中的應用積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1] 水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計手冊(第二,三卷)[M].北京:水利電力出版社,1997.