洪屏地下厂房排烟竖井开挖实例

8.1.8.1　概述

洪屏抽水蓄能电站地下厂房排烟竖井垂直总长度为231.31m，为超长竖井的开挖施工。排风竖井主要由竖井段、下平洞段组成，其中竖井顶部高程为360.0m，底端高程为128.69m，总深为231.31m;高程360m～340m段井室断面为D=7.2m，钢筋混凝土衬砌厚度50cm;高程339m～132.05m段井室断面为D=6.2m。下平洞连通主变排风洞和通风兼安全洞，下平洞总长53.4m，典型断面尺寸(宽×高)13.5m×6.9m。石方井挖工程量7032m3。

8.1.8.2　竖井开挖施工技术

(1)施工流程。

完成井口明挖后，采用反井钻机钻设直径1.4m孔，再用手风钻进行两次扩挖。为了防止在扩挖工程中渣料堵塞导井，第一次扩挖成3.0m孔洞，第二次周边孔采用光爆技术一次开挖成型。

(2)主要施工方法。

1)井口明挖。

首先进行覆盖层土方的剥离，采用反铲沿开口线按照设计坡比，自上而下进行开挖。井口两侧边坡石方开挖采用预裂爆破方式，沿施工主干道修筑临时施工便道出渣。井口开挖过程中，遵循“边开挖边支护”的原则，及时进行边坡的喷锚支护，两侧边坡采用锚杆挂网喷C25 混凝土的组合进行支护，系统锚杆型号为Φ25，L=6m，梅花型间隔布置。

2)反井钻机基础施工及轨道铺设。

根据反井钻机施工要求，反井钻机首先应进行基础面开挖及混凝土浇筑施工。当混凝土达到7天龄期强度后，进行轨道安装，钢轨(22kg/m、10m/根)对称布置于井口两边，轨距69cm，轻轨之间街头夹板(鱼尾板)连接，在钻机车后轮以外钢轨采用锚杆与基础固定。待轨道铺设安装完成、钻机吊装就位并调平后再浇筑二期混凝土。

3)反井钻机就位。

钻机车运输吊装就位是整个反井钻机安装运输的关键工序。反井钻机主机进场顺序依次为:钻机车、操作车、泵车，当所有部件吊装完成后，由钻机车牵引操作车、泵车沿轻轨推引至工作面。反井钻机基本就位后，接通工作电源，启动钻机车，操作钻机臂架，使其中心线与水平面夹角成60°或90°，与洞中心线吻合，钻头对准测量预先放样的起孔点。测量再次对钻杆倾角及中心线复测，精确定位，其偏差通过地脚螺栓微调。通过复查，满足施工精度后，锁紧地脚螺栓，并回填混凝土。主机工作面基础浇筑混凝土。

4)正导孔施工。

在进行正导孔施工前先进行开孔钻进，深度约5m。待开孔结束后拆去扶正器和开孔钻杆，换上正常钻进的钻具组合。正导孔开始钻进时采用高转低速钻压，随后在钻进过程中视地质情况合理调节钻压。在每根钻杆钻进结束时，上下方向提动钻头，待孔内的石屑冲洗并排完后再接钻杆钻进。

5)反扩孔施工。

待排风竖井下平洞开挖至少超过竖井部位30m后，才可进行反扩孔施工。正导孔钻穿岩层后，在下平洞拆下导孔钻头和钻杆，换接上Φ1.4m反扩孔钻头，并在钻杆末端套接上事先加工好的丝扣挂钩。同时调节动力水头出轴转速，并拆去洗液软管，用三通管将冷却水泵的水分出一股引至扩孔钻头以冷却钻头和降尘。在扩孔钻头末全部进入钻进时，为防止钻头剧烈晃动而损坏机具，采用地钻压和低钻速钻进，待钻头全部钻进时再加压。反井钻机施工如图8-13所示。

6)反井钻机撤场。

除Φ1.4m扩孔钻头由上部工作面撤场外，其余部件撤场方法与进场方案相同，但拆除步骤与安装步骤顺序相反。

图8-13　LM-200型反井钻机施工示意图

当反扩孔施工至井口附近时，由于反井钻机自身的技术要求，扩挖钻头不能直接提出井口，扩孔结束后，拆去钻杆，将钻头固定在轨道上。在井口留3m以上的岩体和混凝土，反井钻机整体安全撤离后再进行开挖。采用手缝钻钻孔对预留层及基础混凝土以灌注静态爆破剂(8～10kg/m3)等方式进行爆破，以保证扩挖钻头能安全从井口提出。

7)井脸锁口支护。

在扩挖钻头安全从井口提出之后，立即进行井口锁口支护。锁口锚杆Φ25，@1m，L=6.0m，入岩5.9m，外扩角10°。

8)导井第一次扩挖(扩挖成Φ3.0m)。

井内交通系统及安全系统:较深竖井主要解决的是人员的上下交通、材料运输及安全通道问题。人员和材料运输设置一个无轨吊篮，在吊篮两侧设一稳定钢绳，钢绳下部设配重(500kg)，设专用卷扬机，在吊篮上设捕绳器(bf-111 型)，在上井架上设缓冲器，以解决瞬间制动后人员材料的缓冲击。安全系统主要是设备的安全和控制、信号系统，主要设备安全是卷扬机的运行速度(4m/h～8m/h)，制动系统为自动和手动结合。控制信号为电铃和灯光两个并联，安排专人管理，控制线与吊篮同步下井，由井内人员控制信号，井口值班人员操作，信号为井内外双向互动为了防止在扩挖工程中渣料堵塞导井，采取两次扩挖成型。第一次扩挖成Φ3.0m的溜渣井，第二次扩挖成型。扩挖均采用YT-28 型汽腿式风钻，配Φ22 的对边钢钎、一字型合金钻头进行钻孔作业，钻孔采用湿式凿岩法。

为防止人员掉入导井和便于施工，导井用铁栅栏满铺(用Φ12mm的钢筋焊制成直径为4.0m铁栅栏，栅栏孔径15cm×15cm)。铁栅栏中心与导井中心重合，并在栅栏周围用Φ14mm锚筋插入岩石内，固定栅栏，防止铁栅栏滑动。此次扩挖不需要严格控制开挖线，只需保证扩挖后的中心线竖井中心线大致重合即可。

9)导井第二次扩挖。

第一次扩挖形成较大的溜渣井后，可以立刻进行第二次扩挖但在二次扩挖前需要进行严格的测量控制，以确保开挖轮廓线符合设计要求。设计轮廓扩挖规格线控制:从洞外控制网经测量导线引控制点到井口附近，竖井井口15m以上扩挖井口井架未安装前，制作垂直移动控制点，用垂球把控制点引在开挖掌子面放线。井口15m以下扩挖待井口井架安装到位后，把井口控制点引到井架上，在井架上做好激光准直仪支座，再把激光准直仪固定在支座上，进行校核合格后再用激光束导向，井下用钢尺放样，并定期检查准直仪的精度，同时检查上一排炮的超欠挖情况。

导井第一次、第二次扩挖均采用光面爆破技术，Ⅱ类、Ⅲ类围岩单循环进尺约3m，Ⅳ类围岩单循环进尺约2.5m，爆破网路采用非电毫秒雷管微差延时网路，非电雷管起爆。爆破作业流程:钻孔→验孔装药→联网→警戒→爆破→排险清理→支护。

第一次扩挖、第二次扩挖各类围岩的爆破设计分别如图8-14、图8-15所示。

将工作面松渣全部扒下导井后，盖好下料导井井盖，才能出渣，用装载机配合自卸车在排风竖井下平洞出渣。

图8-14　排风竖井第一次扩挖爆破设计图

图8-15　排风竖井第二次扩挖(Φ7.2m)爆破设计图

8.1.8.3　提升系统安全技术

本工程排烟竖井垂直总长度为231.31m，为超长竖井。为此，需对开挖施工中如何加强垂直运输的安全控制进行妥善设计。施工中采取坐标控制、精确计算、支护控制、合理选用提升设备，垂直起降限位控制、实时监控，确保施工安全。

排烟竖井提升系统，主要用于第一次(第二次)扩挖，施工示意图如图8-16、图8-17所示。

图8-16　第一次扩挖施工方法示意图

图8-17　第二次扩挖施工方法示意图

(1)提升系统布置方案。

1)井口系统。

在井口高程360m位置采用钢管铺设竹跳板封闭井口(留设吊篮吊物进出通道，通道口周围设置防护栏)，对井内起保护作用。同时在井口周边布置50cm高混凝土锁口挡墙，另外设置2.0m固定防护栏杆，固定防护栏杆采用密目网进行封闭。

2)导井封孔盘。

导井施工完毕后，进行扩挖作业前，须对反井钻机扩孔进行封堵，保证竖井内施工人员及竖井下方安全。封口盘在人员孔钻装药连线之后进行放炮后由卷扬吊起，以防爆破时崩坏封孔盘。封孔盘用安置在工作盘上的卷扬机提升封堵在施工工作盘的孔口位置，作为爆破作业防护。

3)提升设备。

竖井提升利用卷扬机通过导向定滑轮，将设备提起。提升工作盘横梁采用1 根I28a工字钢。卷扬机采用慢速卷扬(牵引速度9.9m/min)，工作盘选用直径Φ22mm钢丝绳(1870MPa，型号为6×37b)，并设置稳绳保证载人吊篮的安全使用。为保证安全，卷扬额外配置手拉减速刹车，以在紧急时刻停止卷扬工作。

4)工作盘。

工作盘一方面是用来防止井口落物直接落入工作面，保护工作人员的安全;另一方面，工作盘用来暂时存放工作器具，放炮时防止飞石直接飞出井口。同时，工作盘可用于辅助支护、灌浆作业施工，保证开挖支护作业立体交叉进行施工，提高施工进度。工作盘的制作骨架采用∠75 角钢以及8#槽钢制作，盘中间留孔，用来保证人员和运输材料上下，盘表面采用4mm的花纹钢板，所有工作孔都设置防护栏，防护栏下部设置20cm的挡脚板。

5)材料及人员运输牵绳。

竖井开挖前10m的垂直运输采用人工牵绳的方法，当工作盘形成后靠卷扬起吊吊篮完成材料垂直运输;人员上下竖井开挖前10m使用爬梯，并在爬梯上设置护笼，爬梯固定在在井壁侧，当工作盘形成后靠载人吊篮来完成人员上下。

(2)安全监控设施布置。

1)机具安全设置。

卷扬机安全制动装置:为保证施工安全，卷扬机选用慢速双抱闸卷扬，并安装手动制动装置。

限位器:在井口钢梁下设置临界接触点相应钢丝绳位置，安装双限位器，当工作盘或吊篮提升至指定位置时，触发限位器装置，卷扬机停止工作。

2)影像实时监控。

为确保实时掌握竖井升降及工作面施工情况，安装监控设备实时监控，在吊篮上安装摄像装置，广角监控，在井口布置监控显示器，进井下作业时行实时监控并存储。监控设施见表8-5。

表8-5　监控设施

续表

(3)提升系统主要设备选型及验算。

1)提升系统的布置。

提升系统由一台7t 卷扬机(牵引速度9.9m/min)组成，卷扬机布置在井口，其基础安置在C20混凝土基础上，Φ25 锚杆固定。

2)吊装设备选型。

工作盘卷扬机选择

7t 卷扬主要作为吊装工作盘使用，且工作盘主要用途为封闭下方工作面，短期用于人员进行喷护或部分灌浆作业以及载人吊篮临时停放。卷扬机主要考虑施工荷载和自重，其中包括:工作工作盘重量、小型机具材料重量及施工荷载、人员重量。工作盘重量根据设计由75#角钢及8#槽钢焊接成桁架结构，铺设4mm钢板，总量为1.2t，小型材料及施工荷载为2t，人员荷载为0.075×5=0.4t。

垂直提升重物的最大拉力Fn计算见式:

Fm=Km×(G0+qoL)(kN)

式中:Km—与滑轮运行有关的阻力系数，取1.03;(www.xing528.com)

qo—钢丝绳单位质量，1.63kg/m;

L—钢丝绳计算长度，m，取竖井深度;

G0—最大载重量

由于人货不能混运。因此:

载物时最大载重量为:

Fm=Km×(G0+qoL)

=1.03×(1.2+2+1.63×231/1000)

=3.68t

载人时最大载重量为:

Fm=Km×(G0+qoL)

=1.03×(1.2+0.4+1.63×231/1000)

=2.04t

考虑到工作盘运行工况，卷扬机选择7t。

3)工作盘钢丝绳计算。

钢丝绳运输工况为:钢丝绳强度等级1870MPa，钢丝绳型号为6×37b(合成纤维蕊钢丝绳)。选用直径22mm钢丝绳，此时，可承受荷载为:1870×106×3.14×11×11/106/9.8/1000=72.44t，因此:

卷扬机载人时安全系数为:72.44/2.04=35.5＞15，符合要求。

载物时安全系数为:72.44/3.68=19.68＞10，符合要求。

4)工作盘卷扬机卷筒大小选择。

根据常规设计，卷筒大小一般为卷筒直径的30～60 倍，因此，卷筒直径选用D≥22×60=1320mm(根据卷扬厂家出厂规格具体选择)

5)7t 卷扬提升用钢梁验算。

基本工况:卷扬提升通过桁架上的钢梁，采用滑轮垂直吊运工作盘及吊笼，钢梁选用1 根I28a工字钢，工字钢采用Q235-B.F 钢材。

竖井工作盘采用75#等边角钢作为主体结构，外侧采用8#槽钢焊接在桁架主结构上。整体全部为桁架结构，在盘体上侧采用4mm花纹钢板满铺封闭(预留过人孔)。

材料基本参数:工字钢选用钢材抗弯强度f=215N/mm2，抗剪强度fv=125N/mm2。

I28a工字钢截面特性:

A=5537mm2　　Ix=7115cm4

Wx=508.2cm3　　Sx=292.7cm3

H=280mm　　tw=8.5mm

B=122mm　　L=500mm

整体稳定性分析:

H/B=280/122=2.29＜6，L/B=500/122=4.1＜57，整体稳定性符合要求。

工字钢梁强度验算:

钢梁最大弯矩Mx=1/4ql=0.25×3.2×1000×9.8×1×1000=7.84×106N·mm

工形截面塑形发展系数γx=1.05

抗弯强度验算:

f=Mx/γxWx=7.84×106/(1.05×508.2×103)=14.7＜215N/mm2

8.1.8.4　施工安全措施

(1)扩挖施工中的通讯。

对讲机通信:工作盘、竖井井口及下平洞监护人员均配备一部对讲机，并各设置一部电铃进行通讯联络，制定相应的信号规则。由专业人员负责，一旦出现意外情况，马上采取应急措施。

监控对讲一体化:在吊篮上安装报报警通信装置与监控设置联动一体化，实行有声传输，在井口操作室安装警报器，井下作业出现险情时，即可采取措施，进行防范处置。

(2)竖井开挖施工安全措施。

竖井开挖前做好技术交底与安全交底，落实到各作业班组，提高安全意识，保证开挖期间的施工安全，同时将采取以下措施进行控制:

作业人员进入施工现场，必须正确佩戴、使用安全防护用品、用具。开工前，由安全管理部门进行安全交底，施工人员签字后方可进行施工。

竖井开挖要做到开挖过程中应注意爆破方式及爆破参数的控制，尽量减小因爆破装药量过大，对围岩产生扰动破坏。开挖完成后及时进行支护。当遇破碎围岩时，开挖将采用“短进尺、弱爆破、强支护”的原则进行，并尽可能采用光面爆破，开挖过程中不断优化调整爆破参数，尽量减少由于爆破导致的塌方以及大面积松动现象的出现，利于施工安全。

为确保扩挖钻孔及出渣作业时人员及设备的安全，在每次钻孔及出渣作业前，导井口进行防护，防护通过导井封口盘进行，该平台由布置在工作盘上的卷扬提起或就位。

爆破员必须经过专业部门培训，考试合格并取得爆破作业操作证后方可进行爆破作业。

作业前，要由班长和当班安全员对作业现场进行检查，确认作业环境满足施工条件方可进行施工作业。

钻孔必须采用湿式作业，开钻前，钻工应对周围围岩稳定性进行严格检查，随时清除危浮石;扩挖施工时，施工人员下井后，井上安全警戒人员要搭好安全防护栏，防止碎石等杂物坠入井内。

火工品运到现场后，按性能分类存放，远离电源、火源，并派专人看管。

爆破前要设置警戒人员对爆破区域进行检查确认，并安置爆破警示牌，以防止无关人员误闯入危险作业区，爆破结束经爆破员检查无安全隐患后，再通知解除警报。

在竖井下平洞设置安全警示设施，并且安排专人看护警戒，特别是爆破作业时必须监督附近施工人员退出爆破影响区域。

(3)竖井施工支护安全措施。

施工支护前，应根据地质条件、结构断面尺寸、开挖工艺、围岩暴露时间等因素进行支护设计，并向施工作业人员进行交底。

施工人员作业前，应认真检查施工区的围岩稳定情况，需要时应进行安全处理。

作业人员应根据施工作业指导书的要求，及时进行支护。

开挖期间和每茬炮后，都应对支护设施进行检查维护。

对不良地质地段的临时支护，应结合永久支护进行，即在不拆除或部分拆除临时支护的条件下，进行永久性支护。

(4)确保提升系统的安全保险装置。

吊篮的提升系统，应设置下列保险装置:

防止过卷装置;当提升容器超过正常终端停止位置0.5m时，应能自动断电，并使保险闸发生作用。

防止过速装置;当提升速度超过额定速度15%时，应能自动断电，并能使保险闸发生作用。

过负荷和欠电压保护装置。

安装速度限制器，保证提升容器到达终端停止位置前的速度不超过2m/s。

防止闸瓦过度磨损时的报警和自动断电的保护装置。

缠绕式提升装置，应设松绳保护并接入安全回路。

(5)提升系统的安全操作控制。

卷扬机司机应熟悉卷扬机的构造、技术性能和本安全操作规定，并掌握保养和基本维修知识，升降人员的卷扬速度不得超过(牵引速度v=9.9m/min)，牵引荷载不准超过卷扬机额定牵引力，不准降低钢丝绳及连接设备的安全系数。

卷扬机司机必须服从指挥员的指挥，各种信号应预先明确规定，当信号不明确时，应询问清楚方可操作。在特殊情况下，可以执行任何人发出的紧急停止信号。

开机前应先检查制动器性能、钢丝绳连接点、各紧固件机体各部安装情况，发现不正常情况应立即排除，排除不了要及时上报，不准带病运行。

开机前要先发出预备信号，待回信号后方准运行。

卷扬机运行时，必须按限载规定使用，不准超载运行，发现超载有权拒绝启动卷扬机，否则承担连带责任。

作业结束后，要切断电源，封闭开关;在岗位进行交接班，并做好交接班记录。

日常加强提升系统的维修和保养，保证各类制动器、传感器处于灵敏的工作状态，严禁带隐患作业。