向家壩工程電纜兼排風豎井卷揚提升系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)人員職業(yè)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)改造后擴挖示意圖

(1)φ1.4 m導井形成后,采用卷揚系統(tǒng)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(tǒng)。

(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(tǒng)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(tǒng)的構造及組成

根據(jù)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(tǒng),主要由以下三部分組成。

3.1 龍門架系統(tǒng)

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(jiān)部門驗收合格。

3.2 工作平臺系統(tǒng)

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(wǎng)片,其在垂直狀態(tài)時作為安全護欄,在掛網(wǎng)及錨噴支護作業(yè)時將網(wǎng)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(tǒng);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(lián)”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(jiān)部門檢驗合格。

3.3 載人吊籠系統(tǒng)

載人吊籠為 2.6 m×2.6 m×2.7 m(長 ×寬×高)鋼結構無頂?shù)趸\,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(tǒng)存在的問題

卷揚提升系統(tǒng)安裝調試后,通過一段時間的運行,發(fā)現(xiàn)在設計、安裝、運行等方面存在一些問題。

4.1 工作平臺系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)象。

(3)無緊急停止開關,當出現(xiàn)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(xiàn)跑偏導致鋼絲繩發(fā)生跳繩滑脫現(xiàn)象。

(5)電氣控制系統(tǒng)有缺陷,綜合保護裝置未進行有效調整,曾發(fā)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(tǒng)存在的問題

(1)吊籠無穩(wěn)繩,在運行中旋轉,曾出現(xiàn)鋼絲繩絞繞現(xiàn)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(xiàn)象。

(3)無緊急停止開關,當出現(xiàn)緊急情況時不能有效進行應急處置。

5 卷揚提升系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)全面進行安全技術改造。

5.1 工作平臺系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)為 2.2,剛度安全系數(shù)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(lián)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(shù)為 6.01倍,滿足規(guī)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(tǒng)的改造

(1)將吊籠頂部用鋼筋網(wǎng)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(shù)為 14.69倍,滿足規(guī)范不小于 14倍的安全要求;載物時的安全系數(shù)為 8.62倍,滿足規(guī)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(tǒng)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(wěn)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(wěn)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(tài),確保吊籠平穩(wěn)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(tǒng)一設置卷揚提升系統(tǒng)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(tǒng)示意圖

6 卷揚提升系統(tǒng)的運行控制

卷揚提升系統(tǒng)改造完成后,業(yè)主、監(jiān)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(jiān)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(jù)卷揚提升系統(tǒng)運行工況,制定了《卷揚提升系統(tǒng)安全操作流程》、《卷揚提升系統(tǒng)電器操作流程》、《卷揚機安全技術操作規(guī)程》、《安全監(jiān)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(guī)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(tǒng)限員限載規(guī)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(yè)的限載量進行了明確規(guī)定。

6.2 合理配置人力資源,加強現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)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(jiān)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(guī)程、流程進行操作并做好日常運行、維護、保養(yǎng)工作及記錄;②每月對全體作業(yè)人員進行安全操作規(guī)程流程交底。

(2)落實隱患排查制度。①系統(tǒng)改造完成后,在使用前組織進行安全檢查;②每周業(yè)主、監(jiān)理、施工局三方聯(lián)合對卷揚提升系統(tǒng)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(huán)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(qū)管理員組織分包商現(xiàn)場負責人、安全員、卷揚機工、監(jiān)護人員按《卷揚提升系統(tǒng)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(lián)絡信號、用電設施等進行檢查和試運行,在確認提升系統(tǒng)正常后方可入井。

(4)加強運行監(jiān)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(jiān)護員,井內有1名兼職安全監(jiān)護員;工作平臺運行時在井口設置 4名兼職安全監(jiān)護員,監(jiān)督卷揚提升系統(tǒng)的運行情況及作業(yè)人員的安全作業(yè)狀態(tài),并按《檢查監(jiān)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(xiàn)場配置足夠的滅火器材、安全繩及安全帶;②當出現(xiàn)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(wǎng)片未收回及固定牢固或出現(xiàn)其它異常等情況之一時,不得運行卷揚提升系統(tǒng);③當鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、斷股、隆起、繩芯外露等情況時,必須停止作業(yè),更換鋼絲繩。

7 結 語

改造后的卷揚提升系統(tǒng)是目前水電工程豎井施工中比較完備的提升系統(tǒng),從運行情況看,卷揚提升系統(tǒng)從改造后到現(xiàn)在,總體運行情況基本良好,處于受控狀態(tài),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(xiàn)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(shù)為6.01倍,僅滿足《水電水利工程施工通用安全技術規(guī)程》DL/T5370-2007規(guī)定的卷揚機鋼絲繩安全系數(shù)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(xiàn)單邊偏重現(xiàn)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(xiàn)有工況下,嚴格按限載規(guī)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(wǎng)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(shù)為 9.09倍,完全滿足規(guī)范及安全規(guī)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(guī)則性。

(3)系統(tǒng)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(tǒng)整體設計與安裝是難點。水電工程豎井施工卷揚提升系統(tǒng)為特種設備,屬非標產品,目前由非特種設備專業(yè)資質的人員進行設計,且卷揚提升系統(tǒng)由非專業(yè)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(guī)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(yè)有比較成熟的卷揚提升系統(tǒng)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(yè)單位對卷揚提升系統(tǒng)進行設計、安裝;(3)可由卷揚機專業(yè)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(guī)范,DL/T5162-2002[S].

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