700m级超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用

【摘 要】本文是对某输水隧洞工程超深竖井正井法施工凿井设备选型及应用进行总结，通过对煤矿行业正井法施工工法的引进、消化和吸收，提高了700m级超深竖井施工速度，形成一套水利工程超深竖井施工设备选型配置方案及施工工艺，值得后续类似工程参考借鉴。

【关键词】超深竖井；设备选型；应用

1 引言

水利工程竖井深度超过500m的工程较少，但在煤矿开采施工中超过500m的工程并不少见，但大都属临时通道，不永久保留，水利工程中竖井作为长期的施工通道存在，对其耐久性和安全性有较高的要求。同时工程追求与其他工程均衡施工的需要，往往施工工期紧张，这就要求配置高强度的机械化凿井设备施工。

由于受到地质条件和工程的特有性质，水利水电工程大断面超深竖井需要选择正井法施工，为确保施工安全，竖井垂直提升系统引进矿山立井凿井的成套设施，并结合水工竖井的施工特点，进行提升系统凿井设备选型及技术改造，竖井正井机械化施工技术在水利水电工程建设中的成功引进和应用，一方面解决了深竖井地质条件复杂、安全保证率低等施工难题，另一方面降低了施工成本，加快了施工进度，填补了水利水电工程深竖井正井机械化快速施工技术的空白。

2 设计概况

某输水工程某标隧洞总长为18.2km，主要包括TBM施工段（15.632km）、辅助洞室段(0.4km)及钻爆法施工段(2.168km)。主洞采用1台TBM施工，断面形式为圆形洞，洞径7.03m。根据地形地质及施工分段规划，TBM分两个施工段，独头逆坡掘进施工。其中TBM1段长度为5.255km，TBM2段长度为10.377km，在TBM2段中间位置256+900桩号处设置S3-1竖井，井口高程1206.500m，与主洞交点高程538.386m，井深668.114m，净直径7.6m。

竖井井颈段28m范围采用HW150钢拱架，榀距1.0m；φ25砂浆锚杆，长3.0m，间排距l.0m；φ8@200mm钢筋网片，C25喷护混凝土，厚18cm。井颈段边挖边衬砌时，临时支护可以取消。永久支护采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度0.5～0.8m。井筒段600m深度以内，采用0.50m厚C30钢筋混凝土衬砌；超过600m深度，采用0.55m厚C30钢筋混凝土衬砌。

3 施工总规划及总体施工方案

根据竖井井筒技术特征及设备配备，采用Ⅴ型金属井架、XFJD-6.10型伞钻凿岩、2台HZ-6型中心回转抓岩机装渣、JKZ-3.6×3提升机2台、配5m³（2个）吊桶座钩翻渣、有效高度4.5m整体下移式金属模板砌壁，进行短段掘砌混合作业。

井颈段洪积碎石土层采用挖掘机直接破土、装车，人工风镐、铁锹配合开挖修边，直接采用挖掘机装渣，自卸车运输至弃渣场；进入风化岩层挖掘机不能正常使用时采用钻爆法施工，井深9m以内无法采用伞钻钻孔时采用YT-28手风钻钻孔；待井深超过9m可以使用伞钻后采用XFJD-6.10型伞钻钻孔，开挖段高不超过2.5m，开挖完成立即进行锚网喷支护施工，然后再进行钢筋混凝土砌筑，砌筑段高4.5m（开挖两个循环砌筑一次）。井筒施工18m后进行井口永久封口盘及吊盘安装悬挂等施工。井颈段进行边挖边衬砌时，临时支护取消。

井筒段进入基岩段采用钻爆法施工，主要采用XFJD-6.10型伞钻钻孔和HZ-6型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣，井壁砌筑采用4.5m有效高度单缝伸缩式整体移动金属模板，竖井采用3.0m³底卸式吊桶下料入仓。

提升设备：提升机选用2台JKZ-3.6×3型矿用提升机，配2个5m³吊桶座钩翻渣。井架设双侧溜渣槽，地面运渣采用自卸汽车将渣石运到弃渣场。

本工法的核心是采用机械化设备施工工艺，简称“四大一深”；即提升选用凿井专用大提升机，配大吊桶；出渣选用大抓岩机；凿孔采用伞钻深孔凿孔、光面爆破；衬砌采用抗冲击组合钢模板。

根据施工方案，结合本工程施工特点及总体规划，超深竖井机械化掘砌施工设备配套方案见表1。

表1 超深竖井井筒施工设备配置方案

4.1 凿井设备选型需考虑因素

竖井施工中，核心设备是提绞系统选型，主要包括提升设备、提升容器、及金属井架等，在设备选型时要结合竖井设计用途、竖井深度、井筒直径、勘测围岩条件和工期要求来选择施工工艺与凿井施工设备配套选型，确定主要设备技术参数和系统配置，一般需考虑以下几个方面的问题：

1）为井筒快速施工创造条件，在保证安全质量前提下，尽可能布置大容量的提升容器。

2）布置中各种设备的轮廓尺寸，例如：吊桶、吊盘、各种管卡、安全梯、井架、天轮等均应满足《凿井工程图册》（煤炭工业出版社）相关技术要求。

3）各种设备之间，设备、管线与井壁之间，设备、管线之间及设备、管线通过各孔口的间隙均遵照《煤矿安全规程》（2016版）的规定，深竖井井筒断面配置中存在钢丝绳罐道提升容器安全间隙选择的问题，国内规范《有色金属矿山井巷工程设计规范》 （GB50915-2013）第 4.2.2 条规定，采用钢丝绳罐道的井筒，竖井提升容器之间最小间隙为450mm（设防撞绳时，容器之间的最小间隙为200mm），容器与井壁或井梁之间最小间隙为350mm[1]。

4）井筒、天轮平台、地面提升机与绞车布置按以下几点考虑：

①尽可能减少转入平巷开挖时的改绞工作量。

②保证井筒掘砌时测量方便，不受悬吊设备影响。

③井筒内设备布置尽量便利掘砌作业和操作维修方便。

④井筒设备布置尽量使井架受力均衡并避免使天轮平台、翻矸平台、封口盘、吊盘等设计复杂化。

⑤提升机与凿井绞车的仰角、偏角符合有关设备的技术规定，前后左右间距在使用时互不干扰。

4.2 井架设备选型

选择凿井井架的原则是：能够安全地承担施工荷载，包括提升机拉力、风荷载作用及井架基础地基承载力；保证足够的过卷高度；角柱跨距和天轮平台尺寸满足井口施工材料、设备运输及天轮布置的需要。本工程选型V型井架，满足井筒凿井施工的要求。

主体架角柱跨距：16×16m，天轮平台尺寸：7.5×7.5m，井架高度：26.3m，卸渣台高度：10.5m，井架自重：77.097T，允许过卷高度：6m。

井架选择依据煤炭工业出版社《简明建井工程手册》立井凿井钢井架的编制说明：V型钢管井架适用于6.0～8.0m井径，1000m以内井深的凿井，适用于伞形钻架钻眼，汽车排渣。井架选型参考表见表2[2]。

表2 竖井凿井井架选型参考表

4.3 凿井提升机选型

1）主轴装置

①主轴装置组成及结构要求

主轴装置主要由主轴、卷筒、支轮、轴承座及调绳机构等组成，卷筒采用两半式、塑衬式结构，调绳机构采用径向齿块式调绳离合器，制动盘采用可拆组合式，两半闸盘用高强度螺栓与卷筒联结，成对安装在卷筒上，采用大平面摩擦副来传递力矩，制动盘与卷筒之间有配合止口作径向定位，两半闸盘之间用键作轴向定位。

②主轴

主轴由单个大锻件、经热处理工艺制造而成，材质采用中碳合金钢。主轴及其附件按启动运行、事故情况下最大扭曲负荷设计制造，具有足够的抗弯曲和抗扭矩强度，其危险断面的安全系数和最大挠度符合规范要求，紧急制动前后，没有残余变形，并考虑电磁效应的影响，变径处光滑处理避免应力集中。主轴进行无损探伤检测，并提交最终检测报告。

2）制动器

采用双闸盘液压盘式制动器，对称布置，满足提升机工作制动和安全制动需要，所产生的力矩与实际提升最大静荷重旋转力矩之比K值不得小于3。制动盘的制动面与制动器闸衬必须保证在允许超载范围内以最大速度下放重物运行时，最少连续两次安全制动而不导致制动阐衬损坏或制动盘过热以致对下次制动效果产生不良影响。制动闸衬的材料应有高抗压强度、韧性、耐热性和耐磨性。

3）液压站

采用恒力矩二级制动液压站，采用双机、双泵装置，一套工作，一套备用。系统采用恒压泵作为工作油源，系统主阀组上的元件主要采用插装阀。油箱上设有加热器，液压站出油口设有滤油器。

液压站应带有的安全制动和工作制动回路，并各自有备用回路。安全制动液压泄油回路数多于两条。 液压站应能满足各种荷载条件下的制动要求，安全可靠性高；液压站各元器件严禁漏油，路连接处密封好，低噪音，易于注油和调节，运行平稳可靠。

4）天轮装置

①天轮采用焊接式结构，由铸造轮毂、轮缘与辐条焊接而成，焊后进行整体退火。轮缘槽内装有PVC衬垫，以防止钢丝绳与轮缘摩擦。

②轴承采用优质轴承，轴承设计使用寿命不小于10万小时。

③天轮装配完成后需做静平衡检验并出并出具检验合格报告。

凿井期间可配置一台双卷筒凿井提升机或两台单卷筒凿井提升机，根据本工程特点，选用2套单钩提升系统，凿井提升机型号为JKZ-3.6×3型，2台凿井提升机布置于井筒两侧。

凿井提升机技术参数：卷筒直径3600mm，卷筒宽度3000mm，最大静拉力22000kg，提升高度：0m/一层，1320m/二层，钢丝绳直径Φ44mm，最大提升速度：7.3m/s，配套减速器XL-1250，减速比15.5，配套电机YR1600KW-10极。

JKZ-3.6×3提升机技术参数见表3，提升能力见表4：

表3 JKZ-3.6×3提升机主要技术参数表

1）管路及管线布置

①根据施工总规划，在竖井井口设置固定供风站。供风站内配置空压机，通过供风管将风送至工作面，根据《凿井工程图册》（第2分册）管路井内吊挂要求，供风管路采用井壁锚杆固定方式，随着竖井掘进下放延伸。

②施工通风采用压入式通风，在竖井井口设置1套风机，风机设在井口以外，风筒从封口盘面引入井下，风筒将新鲜风压入竖井作业面，风筒采用2台JZ-10/1000稳车通过2根18×7-φ32-1770不旋转钢丝绳悬吊，随着竖井掘进下放延伸。

③根据施工用电总规划，根据《凿井工程图册》（第2分册）管路井内吊挂要求，竖井施工期间动力电缆采用井壁锚杆固定方式，每隔20m固定一次，随着竖井掘进下放延伸。

④照明、动力电缆和信号、通讯、放炮电缆的间距不得小于300mm，信号与放炮电缆应远离压风管路，其间距不小于1.0m，放炮电缆须单独悬吊。

⑤当凿井管路采用井内吊挂时，管路应靠吊筒一侧集中布置，直径大的风筒置于中间；压风管、供水管和排水管等对称安设在风筒的两侧。这样便于管路的下放和安装，避免几趟管路分散吊挂在井筒四周，造成吊盘圈梁四处留管路缺口，给吊盘的加工和使用造成困难。

2）出渣系统布置

根据本工程施工特点，井筒段进入基岩段后采用钻爆法施工，主要采用XFJD-6.10型伞钻钻孔和HZ-6型中心回转抓岩机装渣入吊桶内出渣，井壁砌筑采用4.5m有效高度单缝伸缩式整体移动金属模板，中心回转凿井抓渣机的位置要与吊桶的位置配合协调，保证工作面不出现抓岩死角。采用两套单钩提升时，两个吊桶中心应分别布置在抓岩机中心的两侧。采用双套提升设备时，吊桶位置在井筒相对的两侧，使井架受力均衡，也便于共同利用井架水平联杆布置翻矸台。

根据施工进度要求，提升系统出渣强度不小于 60m³/h ，此提升强度为提升系统正常工作状态下的实际生产能力，非铭牌或计算生产能力。布置2套单钩提升吊桶，提升容器容量不小于5m³，数量为2个，地面二次转渣采用一台3m3（ZL-50）型装载机，配20t自卸车运输至指定弃渣场。

3）衬砌混凝土模板及混凝土输送设备

衬砌混凝土模板是正井机械化快速施工具有工艺特征的关键设备，模板性能的好坏直接影响到施工进度及施工质量。根据煤矿施工情况，研发了一套MJY型整体金属下行式液压钢模板，该模板具有抗冲击能力强、刚度大、变形小、拆模及安装方便、快捷等优点，在地面由4台稳车悬吊。模板根据井筒直径进行选型，高度4.5m。衬砌混凝土由井口布置的搅拌站进行拌制，通过溜灰管及缓冲器下料至吊盘集料斗内，经分料器及溜筒输送入模浇筑。当井筒深度超过400m或混凝土标号大于C35时，严禁使用溜灰管进行下料，仅能采用底卸式吊桶下料至吊盘，经分料器输送入模。

4）有毒有害气体监控监测系统布置

竖井施工期间，安装1套有毒有害气体监控监测系统，主要包括显示器、电源、监控线路、监测传感器等，以便随时掌握井下有毒有害气体情况，防止出现有毒有害气体造成安全事故。监控系统控制器安装在井口值班房，在吊盘上安装瓦斯（CH4）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（C02）、硫化氢（H2S）及氧气（O2）监测传感器，监控传输线路通过动力电缆吊挂设施沿着井壁进行固定。

4.5 设备选型分析

参考类似工程设备选型，结合本工程特点，选择2套JKZ-3.6×3单卷筒凿井提升机+V型凿井井架+5m³出渣吊桶+悬吊凿井稳车+双层吊盘+XFJD-6.10型伞钻+HZ6型中心回转抓岩机+变频螺杆空压机+对旋轴流局部通风机+高扬程多级耐磨离心泵+4.5m整体下移式金属模板。通过已掘砌完成段施工相关数据统计分析，选型的设备与工程地质条件及特点等适应性良好，设备匹配度高，施工效益明显。

5 施工组织及劳动力配置（结合设备选型配置劳动力）

700m级超深竖井掘砌施工采取“3+1+1+1+1”劳动组织方式（即3个专业化提升设备特种作业运行班+1个开挖班+1个出渣班+1个混凝土班+1个地面物资后勤保障班，每个提升设备运行班工作8小时，其他班组根据施工内容及进度调配）。

根据工程总体施工部署及进度安排，对各专业及各阶段劳动力进行配置，施工特种作业人员配置见表5，其他劳动力配置见表6。

表5 特种作业人员配置表

通过对超深竖井提升系统施工设备选型的优化组合及合理的劳动力配置及组织，使超深竖井施工得以安全、快速完成。本超深竖井于2021年8月开始施工，截止2022年2月施工完成280m（期间冬休暂停施工2个月），计划2022年8月份施工完成，实际施工时长11个月，平均施工强度61m/月，最高施工强度81m/月。同时在施工中研发了多项专利及工法等科技成果，培养了一批水利工程超深竖井施工方面的专业人才。

水利水电工程超深竖井引进煤炭系统成套的超深竖井施工工艺，大大提高了竖井施工速度，解决了超深竖井地质条件复杂、一次支护效率慢、安全保证率低等施工难题，值得以后的类似工程借鉴。

参考文献：

[1]GB50915-2013，有色金属矿山井巷工程设计规范[S].

[2]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版，2003.

作者简介：邓方华 （1987-），男，陕西西安人，工程师，主要从事水利水电工程、公路、铁路等施工技术管理。联系电话:136****0573。

李康 （1996-），男，陕西西安人，助理工程师，主要从事水利水电工程等施工技术管理。联系电话:134****4419。