向家壩工程電纜兼排風豎井卷揚提升系統的安全技術改造與運行控制

唐生懷, 方善新, 胡德正

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

目前,水利水電工程豎井開挖支護施工主要采用卷揚提升系統進行物料及人員運輸,在溪洛渡、向家壩等大型水電工程的豎井開挖支護施工中,還利用卷揚提升系統吊掛金屬結構平臺作為支護工作平臺以提高施工速度。卷揚提升系統是施工中的重大危險源,對其進行安全、有效的設計、安裝、運行既是確保開挖支護工作順利進行的關鍵,又是確保施工作業人員職業安全健康的根本保證。

2 工程概況

2.1 電纜兼排風豎井

向家壩水電站是金沙江梯級開發中的最后一個梯級,位于四川省與云南省交界處的金沙江下游河段。由中國水電七局向家壩施工局(以下簡稱施工局)承建的地下引水發電系統土建及金屬結構安裝工程位于金沙江右岸,其中電纜兼排風豎井位于開關站。電纜兼排風豎井開挖平面尺寸:14.20 m×11.20 m(長 ×寬),電纜兼排風豎井井底開挖高程為 291.74 m,井頂開挖高程為509.50 m,總高度 217.76 m;電纜兼排風豎井底部與主變洞貫通,頂部與地面開關站相連。

2.2 施工程序

電纜兼排風豎井開挖支護的主要施工程序:反井鉆機自上而下 φ216導孔施工→反井鉆機自下而上 φ1.4 m導井施工→自下而上 φ6 m導井開挖→自上而下全斷面擴挖支護(圖 1)。

圖 1 提升系統改造后擴挖示意圖

(1)φ1.4 m導井形成后,采用卷揚系統提升吊籠作為井內通道自下而上將 φ1.4 m導井徑向擴挖形成 φ6 m導井。為避免爆破飛石撞擊,在豎井頂部最后一排炮開挖前拆除卷揚提升系統。

(2)井口全斷面自上而下開挖支護 15 m后,再次安裝卷揚提升系統作為運輸通道及工作平臺,而后自上而下實施全斷面擴挖支護。

3 改造前卷揚提升系統的構造及組成

根據電纜兼排風豎井的施工特點,施工局編制了專項措施,設置了卷揚提升系統,主要由以下三部分組成。

3.1 龍門架系統

龍門架設計最大荷載 10 t,跨度 14 m,立柱高5 m。龍門架天梁斷面尺寸為 800 mm×1 000 mm,基本構件為 4根 14b槽鋼,輔助焊接 5#角鋼為綴條,為高次靜定結構件;立柱斷面尺寸為 800 mm×800 mm,基本構件為 4根 6.3#角鋼,輔助焊接有 5#角鋼為綴條,為雙軸對稱軸心受壓結構件;斜撐桿基本構件為 2根 14b槽鋼,輔助焊接 5#角鋼為綴條,為細長結構式受壓結構件。該龍門架于 2008年 7月17日經地方質監部門驗收合格。

3.2 工作平臺系統

工作平臺為 12.2 m×9.2 m金屬結構平臺,由 14a槽鋼焊接構成,平臺中間鋪馬道板,四周布置可以垂直、水平轉動的鋼筋網片,其在垂直狀態時作為安全護欄,在掛網及錨噴支護作業時將網片放下,作為平臺的一部分。平臺下面安裝有 2 m長的 6根 φ108焊管支腿。平臺理論 重 量為4.33 t,限載 5 t。

提升工作平臺的 4臺 JM5卷揚機(分別編號為 1～4#,額定功率 11 kW,均為雙抱閘制動系統;額定繩速 9 m/min,配用 φ22鋼絲繩,額定容繩量 300 m)布置在電纜兼排風豎井的四個邊角上,其金屬結構基礎由 18#工字鋼與 14a槽鋼焊接而成;鋼絲繩與工作平臺四個角的吊耳直接連接。4臺卷揚機采用“串聯”方式進行電氣連接,并達到既可同時運行、又可單獨運行的功能要求。卷揚機于 2009年 1月 18日安裝調試完成,并經地方質監部門檢驗合格。

3.3 載人吊籠系統

載人吊籠為 2.6 m×2.6 m×2.7 m(長 ×寬×高)鋼結構無頂吊籠,吊籠自重約 1.34 t,載物限載 2.5 t,載人限 3人 /次;吊籠采用 1臺 JM10卷揚機(編號 5#,額定功率 22 kW;額定繩速 10 m/min,配用 φ26鋼絲繩)通過吊籠頂部的動滑輪提升。人員、設備及材料通過長約 4 m、寬約 1 m的鋼結構人行天橋進入吊籠。為防止吊籠上升時碰撞龍門架天梁,在天梁下部 30～40 cm位置分別設置了上限位器及上極限限位器。

4 卷揚提升系統存在的問題

卷揚提升系統安裝調試后,通過一段時間的運行,發現在設計、安裝、運行等方面存在一些問題。

4.1 工作平臺系統存在的問題

(1)工作平臺剛度不足,運行中因受力不均局部支撐有變形現象。

(2)卷揚機為無槽卷揚機且無自動排繩裝置,卷揚機在運行中存在壓繩現象。

(3)無緊急停止開關,當出現緊急情況時不能有效進行應急處理。

(4)安裝質量有缺陷,卷揚機曾在運行中出現跑偏導致鋼絲繩發生跳繩滑脫現象。

(5)電氣控制系統有缺陷,綜合保護裝置未進行有效調整,曾發生過超載時綜合保護裝置不動作的情況。

4.2 載人吊籠系統存在的問題

(1)吊籠無穩繩,在運行中旋轉,曾出現鋼絲繩絞繞現象。

(2)卷揚機為無槽卷揚機,呈無自動排繩裝置,卷揚機在運行中存在壓繩現象。

(3)無緊急停止開關,當出現緊急情況時不能有效進行應急處置。

5 卷揚提升系統的安全技術改造

電纜兼排風豎井在全斷面開挖支護 74 m后,因卷揚提升系統存在上述問題,于 2009年 3月 20日停止進行開挖支護施工,重新編制專項安全技術措施,對卷揚提升系統全面進行安全技術改造。

5.1 工作平臺系統的改造

(1)新制作的工作平臺(長 ×寬 ×高為 12.2 m×9.2 m×1.0 m),由 φ108、φ48鋼管焊接形成格構式鋼結構件,下有 6根 3 m高的φ108鋼管支腿;平臺上層鋪設鋼筋網片,下層鋪竹條板進行防護,以防止爆破飛石損壞;平臺自重為 8.67 t,最大載重量 2 t,經驗算:強度安全系數為 2.2,剛度安全系數為 1.7,滿足要求(圖 2)。

圖 2 改造后吊裝入井的工作平臺示意圖

(2)提高了 4臺卷揚機的安裝精度;將卷揚機卷筒擋板加高 5 cm,并設置了防跳繩裝置。

(3)在井口護欄四個邊角位置按電氣串聯方式設置了 4個緊急停止開關,按下任意一個緊急停止開關可同時控制所有卷揚機不運行。

(4)將 4臺 JM5卷揚機 φ22鋼絲繩的公稱抗拉強度由 1 470 MPa更換為 1 670 MPa(6×37+FC,合成纖維芯,最小破斷拉力 238 kN)。按最不利荷載組合驗算,單根鋼絲繩的安全系數為 6.01倍,滿足規范《建筑卷揚機》GB/T 1955-2008不小于 3.55倍(卷揚機工作級別為 M3)的要求。

(5)調整卷揚機電氣綜合保護裝置(型號:JD-5B電動機綜合保護器),設定了限載額度;將卷揚機檔位全部設為“零”檔,在達到 4臺卷揚機運行 30 m行程時產生了 10 cm誤差,基本達到同步運行。

5.2 載人吊籠系統的改造

(1)將吊籠頂部用鋼筋網片進行防護,防止物體打擊。

(2)吊籠用兩臺 JM10卷揚機(22 kW)起吊,分為主卷揚機(編號 5#)及輔助卷揚機(編號 6#)。主輔卷揚機鋼絲繩直徑均為 φ26(6×37+IWR鋼芯,公稱抗拉強度 1 670 MPa,最小破斷拉力 360 kN),主鋼絲繩長 270 m、輔助鋼絲繩長275 m;按最不利荷載組合驗算,單臺卷揚機鋼絲繩載人時的安全系數為 14.69倍,滿足規范不小于 14倍的安全要求;載物時的安全系數為 8.62倍,滿足規范《建筑卷揚機》GB/T 1955-2008不小于 3.55倍(卷揚機的工作級別為 M3)的要求。

圖 3 載人卷揚提升系統差速同步器示意圖

(3)通過差速同步器調整兩臺卷揚機的同步性。要求輔助卷揚機(6#)繩速比主卷揚機(5#)繩速略快;差速同步器安裝在龍門架上(圖 3),混凝土平衡塊重 996 kg(在綜合考慮鋼絲繩及吊籠自重、最大承載量后確定),在兩側軌道內運行(軌道由 20a槽鋼、5#角鋼組成,軌道與平衡塊之間的間隙為 5 mm±1 mm),正常運行距離為 1.5 m;差速同步器上部設置兩組行程限位器(型號:JLXK1-511,下同),下部設置一組行程限位器。差速同步器運行原理:吊籠上升(下降時的工況相反)且當平衡塊觸及上行程限位器時,輔助卷揚機停止運行,輔助鋼絲繩在平衡塊重力帶動下與主鋼絲繩同步運行;當平衡塊下滑觸及下行程限位器時,輔助卷揚機自動啟動,主輔卷揚機同時運轉,達到同步運行要求。

(4)增設一臺 JM5卷揚機,配 270 m長鋼絲繩(φ12,6×37+FC,公稱抗拉強度 1 470 MPa)及 700 kg的混凝土配重塊(65 cm×65 cm×65 cm正方體 C20混凝土)作為吊籠的穩繩(圖 4)。

(5)將提升吊籠的掛鉤改為萬向鉤;主卷揚機的鋼絲繩系掛在萬向鉤上,輔助卷揚機的鋼絲繩直接與吊籠頂部的鋼絲繩連接。

(6)在主卷揚機鋼絲繩、吊籠穩繩的水平行程范圍內設置了行程限位器,以保證鋼絲繩始終處于張緊狀態,確保吊籠平穩運行。

(7)在能觀察到所有卷揚機的位置設置操作室,在操作室內統一設置卷揚提升系統控制臺,在控制臺上設置了緊急停止開關,以便于卷揚機操作手應急控制。

圖 4 改造后的卷揚提升系統示意圖

6 卷揚提升系統的運行控制

卷揚提升系統改造完成后,業主、監理及施工局組織了負荷試驗和內部驗收,合格后報地方質監部門進行安全鑒定并取得了合格證,于 2009年8月 1日正式投入使用。同時,在運行方面采取了以下控制措施。

6.1 完善管理制度,做到有章可循

(1)根據卷揚提升系統運行工況,制定了《卷揚提升系統安全操作流程》、《卷揚提升系統電器操作流程》、《卷揚機安全技術操作規程》、《安全監護人員崗位職責》、《電纜豎井入井安全須知》、《電纜豎井施工安全管理十項規定》,明確了具體的操作程序、操作方式及安全注意事項并細化成安全檢查表。

(2)制定了《卷揚提升系統限員限載規定》:吊籠載人限員 5人 /次,載物限載 2 t;工作平臺限載 4.5 t,并對吊籠載物運行的單次運輸量、工作平臺單工序作業的限載量進行了明確規定。

6.2 合理配置人力資源,加強現場管控

電纜兼排風豎井施工難度大,安全風險高,尤其卷揚提升系統是施工重大危險源。為此,通過加大電纜豎井的人力資源配置增強電纜豎井的安全監管力量,見表 1。

表 1 電纜豎井全斷面開挖技術與安全管理人員配置表

6.3 強化日常安全監管,落實安全制度

(1)落實安全教育及持證上崗制度。①對卷揚機工進行操作技能培訓和取證培訓,做到持證上崗。卷揚機工嚴格按照操作規程、流程進行操作并做好日常運行、維護、保養工作及記錄;②每月對全體作業人員進行安全操作規程流程交底。

(2)落實隱患排查制度。①系統改造完成后,在使用前組織進行安全檢查;②每周業主、監理、施工局三方聯合對卷揚提升系統進行隱患排查;③每月施工局安全部門及設備物資部門組織一次專項檢查,對檢查出的隱患進行閉環管理。

(3)強化入井管理,落實職工帶班制度。每天入井前,由施工局片區管理員組織分包商現場負責人、安全員、卷揚機工、監護人員按《卷揚提升系統運行前安全檢查記錄表》對架體、鋼絲繩與滑輪、限位保護裝置、吊籠、聯絡信號、用電設施等進行檢查和試運行,在確認提升系統正常后方可入井。

(4)加強運行監控,落實崗位責任制。每班在井口井底有 1人作為專職安全監護員,井內有1名兼職安全監護員;工作平臺運行時在井口設置 4名兼職安全監護員,監督卷揚提升系統的運行情況及作業人員的安全作業狀態,并按《檢查監護記錄表》的要求如實記錄。

(5)做好應急管理,落實應急制度。①在現場配置足夠的滅火器材、安全繩及安全帶;②當出現超載、信號不明、使用工作平臺載人上下、吊籠安全門未關、工作平臺活動網片未收回及固定牢固或出現其它異常等情況之一時,不得運行卷揚提升系統;③當鋼絲繩出現斷絲、斷股、隆起、繩芯外露等情況時,必須停止作業,更換鋼絲繩。

7 結 語

改造后的卷揚提升系統是目前水電工程豎井施工中比較完備的提升系統,從運行情況看,卷揚提升系統從改造后到現在,總體運行情況基本良好,處于受控狀態,滿足施工需要。筆者在實踐中有以下幾點體會:

(1)工作平臺設計是要點。現工作平臺設計偏重,卷揚機噸位偏小,按最不利荷載驗算:單根φ22鋼絲繩的最大負荷為 4.04 t,比 JM5卷揚機額定承載力 5 t略小;單根鋼絲繩的安全系數為6.01倍,僅滿足《水電水利工程施工通用安全技術規程》DL/T5370-2007規定的卷揚機鋼絲繩安全系數不低于 6倍的最低要求。若平臺上的施工荷載分布不均勻,出現單邊偏重現象,卷揚機綜合保護器將自動跳閘,工作平臺將停止運行。

改進方法:①在現有工況下,嚴格按限載規定使用工作平臺,同時均勻分布荷載;②在設計工作平臺時,在滿足強度、剛度的前提下,盡量減小工作平臺的重量,可用型鋼作骨架,輔以鋼筋網片形成工作平臺;③可將 4臺 JM5卷揚機改為 4臺JM10卷揚機,配 φ26鋼絲繩(6×37+IWR鋼芯,公稱抗拉強度 1 670 MPa,最小破斷拉力 360 kN),按最不利荷載組合驗算:單根鋼絲繩的安全系數為 9.09倍,完全滿足規范及安全規程要求。

(2)設備選型是關鍵。目前,提升工作平臺的 4臺 JM5卷揚機選型有缺陷,卷筒一端為擋板,另一端為齒輪,若卷揚機滿繞鋼絲繩時,鋼絲繩易滑到齒輪上損壞。

改進方法:在設備選型時,應選擇帶槽卷筒的雙抱閘型卷揚機,卷筒兩側均應為擋板,這樣既可防止鋼絲繩滑落到齒輪上損壞,又可提高排繩的規則性。

(3)系統布置是重點。提升工作平臺的 4臺JM5卷揚機目前布置在井口四個邊角上,直接通過鋼絲繩提升工作平臺,不利于卷揚機有效排繩,為此,施工局購買了一套自動排繩器在 6#卷揚機上做試驗,但未成功。目前,采取減少卷筒鋼絲繩的實際繞繩量、將剩余的鋼絲繩放在工作平臺上,當卷筒上只剩 6圈鋼絲繩時在工作平臺上放長鋼絲繩的方法來解決。但此法可能會損壞鋼絲繩且比較繁瑣。

改進方法:可將卷揚機移到井口外,在井口設置導向滑輪,以保證卷筒與導向滑輪中心線垂直對正。對于從卷筒中心線到第一個導向滑輪的距離,帶槽卷筒按大于卷筒寬度的 15倍、無槽卷筒按大于 20倍控制。

(4)系統整體設計與安裝是難點。水電工程豎井施工卷揚提升系統為特種設備,屬非標產品,目前由非特種設備專業資質的人員進行設計,且卷揚提升系統由非專業隊伍進行安裝。從設計至安裝均存在不同程度的質量缺陷,這在水電工程市場是一個共性問題,目前尚未得到根本性解決。

改進方法:(1)按照《建設工程安全生產管理條例》的有關規定,可由建設單位牽頭、由工程設計單位在設計文件中提出指導性意見;(2)礦山行業有比較成熟的卷揚提升系統設計、安裝經驗,在同類工程施工時,可甄選有相應資質的礦山行業單位對卷揚提升系統進行設計、安裝;(3)可由卷揚機專業廠家進行設計、安裝。

[1] 水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊(第二卷):施工技術[M].北京:中國水利水電出版社,1997.

[2] 水電水利工程施工安全防護設施技術規范,DL/T5162-2002[S].

[3] 水電水利工程土建施工安全技術規程,DL/T5371-2007[S].