地下厂房竖井开挖支护及混凝土衬砌施工技术.docx

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1、中国电建POWERCHINA水电十四局科技项目地下厂房竖井开挖支护及混凝土衬砌施工技术成果文本中国水利水电第十四工程局有限公司2017年1月1 .研制背景12 .技术原理23 .创新亮点24 .工序流程及操作要点74.1 地下厂房竖井开挖支护施工74.1.1 竖井导孔施工74.1.2 竖井导井施工84.1.3 竖井一次扩挖施工94.1.4 竖井全断面开挖（二次扩挖）支护施工114.2 地下厂房竖井混凝土衬砌施工144.2.1 施工流程14422J-j）155 .质量控制195.1 反井钻机导孔施工质量控制措施195.2 竖井全断面开挖支护施工质量控制措施205.3 竖井滑模混凝土衬砌施工质量控

2、制措施216 .效益分析226.1 竖井开挖支护施工效益分析226.2 滑模衬砌竖井混凝土施工效益分析231 .研制背景竖井开挖施工方法有全断面一次开挖法和导井开挖法两种方式，其中传统导井法开挖方式有正井、正反井结合法、深孔爆破法、吊罐法、爬罐法。反导井施工通常采用吊罐法、爬罐法或普通法掘进反井法，传统导井法施工目前在水利水电工程中应用比较普遍，施工工艺应用较为纯熟，但需要人员及设备至开挖掌子面进行钻爆施工，因此在施工过程中均不可避免地存在着安全隐患，而通风散烟困难，进度也容易受限制等。据统计，深度在IOOm左右的洞室导井开挖一般日平均进尺在1.5m左右。人工导井施工方法对井深有一定的限制，深

3、度越深，施工难度越大、安全隐患更多。反井钻机导井法施工于1950年在北美首先发展，60年代中期，这种方法在欧洲，特别是德国开始受到欢迎，当时反井钻机钻孔直径可达12m,深度为150-200m,而到70年代初期，钻孔直径可到2.0-2.4m,钻孔深度可达250500m0发展到今天，世界上已有众多厂家生产反井钻机，典型的有美国罗宾斯公司可提供28种型号的产品，钻孔直径从1.26.0%钻孔深度可达900叫德国维尔特公司生产的HGIO0、160、210、250、330SP系列,钻孔直径从146.0m,钻孔深度可达IOOOmo我国自70年代开始研制反井钻机，并先后在媒炭和冶金系统中应用，产品多集中于小直

4、径扩孔的反井钻机，典型产品有苏南煤机厂生产的1M-90、1M-120.1M-200系列、长沙矿山研究院生产的TYZ1Oo0、TYZ1200TYZ1500o1992年水电系统第一次引进反井钻机，在十三陵抽水蓄能电站的出线2洞、调压井和高压管道斜井等工程上使用反井钻机进行导井法施工，并取得了较好的施工效果。此后反井钻机又在河南小浪底水利枢纽工程、山西万家寨引黄入晋工程、云南大朝山水电站通风竖井（四条总长486m）、贵州三板溪水电站、云南小湾水电站、湖北水布城地下厂房等工程的竖井及斜井施工中发挥较大的作用，目前反井钻机施工导井法已广泛用于竖井实际施工中，技术成熟、工艺完备。竖井混凝土衬砌最早利用脚手

5、架固定组合刚模板进行浇筑，衬砌的方法有两种，一种是随着掌子面的掘进，搭设脚手架边掘边衬。第二种是将竖井开挖完成后从井底边搭设脚手架边浇筑混凝土。上述两种方法均存在浇筑效率低、劳动强度大、现场施工环境差、安全风险高、施工缝较多等缺点，在深度较大竖井衬砌中，利用该法衬砌竖井混凝土已经很难满足当下施工进度要求，随着滑模技术的出现，采用滑模衬砌竖井混凝土成为可能，经过近20年的发展，水电站地下厂房竖井滑模衬砌施工技术日趋成熟。从材料的运输，滑模的安装、滑升、拆除以及混凝土的抹面收光、养护等方面均实现了程序化、流水化作业，且各道工序间相互不影响，使得竖井混凝土的衬砌速度和质量均有了空前的提高。2 .技术

6、原理地下厂房竖井导井施工完成后，根据设计开挖断面、地质条件等因素考虑是否进行一次扩挖，设计开挖断面大或地质条件较好，采用反井法将导井一次扩挖扩至直径为3m3.5m,然后再利用正井法将竖井扩挖至设计断面。设计开挖断面小或地质条件较差则直接利用正井法将导井全断面扩至设计断面，竖井未经一次扩挖进行全断面扩挖施工时要采取措施防止爆破时石渣堵塞导井。一次扩挖及全断面扩挖（或二次扩挖）均在竖井井口布置提升系统，施工人员、材料及小型机具均通过吊笼运至作业面。竖井滑模通过千斤顶沿爬杆的的爬升而顶升模板装置衬砌混凝土，混凝土经安装固定于井壁的溜管输送至作业面，为防止混凝土在溜管中发生骨料分离，溜管每隔1015m

7、安装一个缓降器。钢筋、爬杆及其他工器具和人员通过吊笼送至作业面。爬杆采用15寸钢管制作，爬杆的接头处通过螺纹连接。混凝土入仓经振捣后达到起滑条件（仓内混凝土面距离模板顶部30Cm左右）启动液压千斤顶提升滑模装置，位于滑模底部抹面平台上的施工人员立即对新露出的混凝土成型面利用原浆进行抹面收光处理，布置于抹面平台底部的养护水管（花管）不间断喷水对混凝土进行养护。3 .创新亮点地下式竖井开挖前先开挖支护完成井口及井底通道，敞口式竖井开挖前开挖支护完成井底通道，然后在井口竖井设计中心位置安装反井钻机进行竖井导井的施工，导井施工先利用反井钻机自上而下施工导孔，导孔贯通后在竖井底部安装反拉钻头，将导孔自下

8、而上反拉至直径为1.4m或更大的导井。导井施工完成后根据围岩情况及设计开挖洞径等因素采用一次或两次将导井扩至设计断面。其中一次扩挖至设计断面采用自上而下方式；两次扩挖第一次采用自下而上方式，第二次采用自上而下方式扩至设计断面。采用滑模模进行地下厂房竖井混凝土衬砌，布置吊笼提升系统运输材料、人员，井壁安装溜管输送混凝土。滑模在井底安装并经过校正后通过滚珠型液压千斤顶沿爬杆的爬升而顶升模板装置衬砌混凝土，平均每天可衬砌6m,衬砌完混凝土后滑模从竖井上井口拆除。提升系统设计与布置时，考虑竖井开挖与混凝土衬砌全过程的施工需要，提升系统在开挖时一经安装布置到位，就可满足后续所有施工过程的需要，减少二次拆

9、装所占用的时间及资源，从而进一步加快施工进度并节约投资。采用滑模衬砌竖井混凝土与传统搭设脚手架浇筑混凝土的方法相比具有衬砌速度快、劳动强度小、施工环境好、井内通风好、周转材料使用量小、安全风险小、无施工缝、混凝土衬砌质量有保障等优点。与传统边掘边衬的施工方法相比，由于是先开挖完成后围岩收敛趋于稳定，不受爆破影响，因此，还具有渗水量小、混凝土连续衬砌施工整体性好的特点。在地下厂房竖井开挖支护及混凝土施工过程中完成以下创新活动：1）在混凝土输送溜管中安装缓降器为防止发生骨料分离，确保混凝土施工质量，在混凝土输送溜管中每隔IOm15m安装一根溜管。受井深值影响，在深度较大的竖井进行滑模混凝土施工时，

10、溜管输送混凝土工程量较大，输送频率较高，缓降器底部钢板经常出现摩透的情况，最终导致混凝土从摩透的孔洞溢出。在给井内施工人员安全造成影响的同时，进行溜管修复也存在巨大困难，井内混凝土施工也不得不停止。水电十四局通过对传统缓降器使用过程中存在的问题进行分析、总结的基础上，设计并发明一种混凝土垂直输送缓降器并申请国家实用新型发明专利（专利号：Z1200820048558.7）o缓降器结构如下图3.1所示：图3.1缓降器结构示意图如图所示，混凝土首次下料时，从缓降器上口进料后混凝土落在缓降器底部钢板上，在挡板的作用下，混凝土会在缓降器底部钢板上堆积一定厚度的混凝土，当堆积高度超过挡板刚度后，混凝土沿缓

11、降器下口出料进入下一节溜管中。当后续下料过程中进入缓降器的混凝土与堆积在缓降器底部钢板上的混凝土发生碰撞并产生二次拌合，在避免发生骨料分离的同时又确保溜管底部钢板不会被磨损，避免了缓降器被摩透的情况发生，确保井内滑模混凝土顺利施工，杜绝因缓降器摩透和修复缓降器带来的施工风险，节约时间，提高施工效率。2)选用绞车作为提升系统提升设备竖井施工现有载人提升系统中选用普通卷扬机作为提升设备安全隐患较高且不符合国家规范要求，竖井施工各阶段的运吊笼在运行的过程中都载人，因此不能选用普通卷扬机作为提升设备。煤矿生产企业在生产时选用矿用提升绞车进行提升运输作业，其较普通卷扬机在结构设计、安全保护及操作控制等方

12、面具有优越性，水电十四局根据水电工程斜、竖井施工特点及安全保护要求，与专业厂家合作，设计并制作出满足水电工程斜、竖井施工的改进型提升绞车。申请的用于斜竖井施工的JTP改进型提升绞车(专利号：Z1201420411300.4)被国家知识产权局授予实用新型专利。该绞车具有以下保护功能：(1)速度手柄零位联锁当速度手柄处于中间零位时，零位继电器闭合允许安全回路接通。当安全回路断电后，速度手柄必须回到零位，安全回路才允许重新接通。(2)制动闸制动手柄联锁当工作闸手柄在全抱闸位置时，其限位开关检测到工作闸手柄在零位，发出零位到位信号，允许安全回路接通。(3)测速断线保护当主测速机或编码器损坏或断线时，P

13、1C判断后实现安全保护功能。(4)变频器故障等电气传动部分保护当变频器出现故障或其他一次故障；当由于短路、过负荷、欠压、失压或司机人为紧急停车等原因而掉主电源时，断开安全回路。(5)制动油压高保护液压站制动油压超过要求时，电接点压力表上触点闭合，相应继电器得电后断开安全回路。(6)错向保护当绞车实际运行方向与预选方向不同时，P1C判断后实现安全保护。(7)等速超速当绞车运行速度达到或超过最大速度的5%时，P1C判断后安全回路断开。(8)P1C输出安全制动继电器当P1C判断系统发生重故障时(P1C内软件安全回路断开时)，相应继电器失电，安全回路断开。(9)减速过速保护减速过程中，若绞车运行超速，

14、安全回路断开。(10)过卷开关过卷开关分别装在深度指示器和井架上。当提升容器超出正常停车位0.5米时，相应的过卷开关动作，安全回路断开。(11)过卷切换开关当提升容器过卷后，若需继续开车，应根据容器的过卷方向选择过卷切换开关位置，安全回路方能重新接通，绞车只能向过卷的反方向开车。待过卷故障解除后，将过卷切换开关重新扳回工作位置。(12)深指失效保护当深度指示器出现与主传动机构脱开或断轴时，P1C检测后进行安全保护。(13)闸瓦磨损开关闸瓦磨损到一定程度时，开关动作，相应继电器得电，断开安全回路。(14)松绳保护当绞车发生松绳现象时，松绳开关动作，相应继电器动作，断开安全回路，绞车实现安全制动。

15、(15)调绳联锁绞车在运行中，如果此时旋转调绳调闸开关，安全回路断开，实现误操作保护；(16)稳定性好，可靠性高根据提升工艺控制要求及信号系统发出的信号指示，P1C程序控制绞车的启动、运行、减速、停车等过程，运行平稳可靠。实现绞车的全自动、半自动或手动运行，满足绞车控制工艺要求及各种安全联锁保护要求。实现绞车的行程监视和位置闭环控制，具有完善的深度、速度显示及控制功能，采用多路光电编码器实现对绞车的运行速度及位置的数字化检测和控制，提高系统控制精度以及可靠性。实现绞车主回路控制器件无触点化的要求，采用P1e控制，硬件配置简单，软件编程灵活，调试方便且维护量小。系统动静态性能好，具有良好的闭环性能。通过提高绞车运行的安全可靠性和控制技术水平，降低设备故障率，提高生产效率，减轻操作人员的劳动强度发挥重要作用。缓降器的应用成功解决了竖井滑模衬砌混凝土时，混凝土输送困难的难题，使得滑模衬砌竖井混凝土不受井深的限制，截止目前，利用本技术采用滑模衬砌竖井混凝土的最大井深为230m。3）一种提升设备防坠落试验用的脱绳装置地下厂房竖井混凝土施工时，为保证提升系统的安全可靠性，在吊笼中安装防坠器，从井口至井底沿吊笼两侧安装两根制动钢丝绳，钢丝绳穿过吊笼上的抓捕器，当提升钢丝绳松弛（钢丝绳断裂或绞车跑车）时，抓捕器就会立即动作抓捕制动钢丝绳防止吊笼坠落，保护吊笼中及井内施