拉力傳感器在超深豎井正井法施工中的應(yīng)用

黃 浩， 代 強(qiáng)

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

無論是煤礦行業(yè)還是水利水電行業(yè)，豎井均為項(xiàng)目施工過程中不可避免的一個(gè)分部工程。豎井常采用“反井鉆機(jī)法”或“正井法”施工?！胺淳@機(jī)法”[1]即先自上而下采用反井鉆機(jī)打施工導(dǎo)孔，然后自下而上通過旋轉(zhuǎn)刀盤施工導(dǎo)井形成出渣通道，再自上而下擴(kuò)挖成導(dǎo)井，渣料通過導(dǎo)井從下井口出渣。該方法要求豎井底部必須有交通通道。而“正井法”[2]則采取在上井口安裝正井系統(tǒng)，通過井架、天輪、絞車、穩(wěn)車、鋼絲繩、吊盤、載人罐籠及出渣桶形成懸吊系統(tǒng)[3]，自上而下對(duì)井身進(jìn)行開挖支護(hù)施工。在正井法施工中，吊盤作為井下最主要的施工平臺(tái)為井下施工人員提供施工空間以及安全保障，同時(shí)亦為吊盤底部的中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)提供懸吊點(diǎn)，是整個(gè)正井法施工系統(tǒng)中最重要的部分。因此，在吊盤上下行過程中如何對(duì)其進(jìn)行調(diào)平成為關(guān)鍵難題。以某抽水蓄能電站為例，闡述了拉力傳感器在超深豎井正井法施工中的應(yīng)用情況。

中東某抽水蓄能電站位于以色列東北部的Gilboa 山脈，靠近約旦河谷下游，距以色列第二大城市特拉維夫120 km。抽水蓄能電站由上水庫、輸水系統(tǒng)(引水隧洞、閘門井、引水調(diào)壓井、高壓豎井、引水岔管、引水支管)、地下廠房系統(tǒng)工程(進(jìn)廠交通洞、應(yīng)急兼電纜洞、主副廠房洞、主變洞、母線洞、排水廊道及各施工支洞)、尾水系統(tǒng)(尾水支管、尾水岔管、尾調(diào)通氣洞、尾水調(diào)壓室及尾水調(diào)壓井、尾水隧洞)、下水庫、地面開關(guān)站及進(jìn)場道路組成。

引水調(diào)壓井及高壓豎井上下相連，井深達(dá)507.6 m，其中引水調(diào)壓井深62.5 m，高壓豎井深445.1 m。調(diào)壓井上部13.8 m開挖支護(hù)后直徑為18.1 m，襯砌后直徑為16.1 m；下部48.7 m開挖支護(hù)后直徑為15.6 m，襯砌后直徑為14 m；高壓豎井開挖支護(hù)后直徑為5.2 m，鋼襯后直徑為4 m。屬于超深豎井。

2 技術(shù)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路

在正井法施工過程中，吊盤下井后將不會(huì)再出井、直至開挖支護(hù)完成。吊盤通常為三層結(jié)構(gòu)，由3臺(tái)穩(wěn)車通過鋼絲繩及天輪平臺(tái)上的天輪進(jìn)行懸吊，同時(shí)配備三根穩(wěn)繩保證吊盤穩(wěn)定。3根鋼絲繩懸吊點(diǎn)均勻分布在吊盤上。吊盤下懸吊中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)。在井下工作面爆破之前，吊盤由井口控制室的操作人員進(jìn)行提升操作、遠(yuǎn)離工作面以防止爆破作業(yè)對(duì)吊盤造成破壞，爆破完成、通風(fēng)散煙后，操作人員將吊盤下放至工作面附近以保證中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)能夠進(jìn)行出渣操作。正井系統(tǒng)布置情況見圖1。

圖1 正井系統(tǒng)布置圖

在需要將吊盤上下移動(dòng)時(shí)，因懸吊穩(wěn)車保險(xiǎn)閘、動(dòng)力電機(jī)等啟動(dòng)很難達(dá)到同步，穩(wěn)車運(yùn)行過程中，液壓閘的阻力也不一定完全相同，因此，在吊盤上下時(shí)會(huì)不可避免地造成吊盤傾斜。國內(nèi)采用的解決方法：在吊盤上下運(yùn)行時(shí)，井內(nèi)吊盤上有起重工負(fù)責(zé)吊盤運(yùn)行平衡狀態(tài)監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)吊盤不平時(shí)其會(huì)發(fā)出信號(hào)通知井口、停止運(yùn)行，然后再調(diào)整個(gè)別穩(wěn)車，直到吊盤平衡后再同時(shí)起落吊盤。整個(gè)調(diào)整過程需反復(fù)溝通多次而導(dǎo)致調(diào)平困難且耗時(shí)長。

針對(duì)上述難題，考慮到導(dǎo)致施工吊盤不平衡的根本原因是多個(gè)穩(wěn)車牽引鋼絲繩起吊施工吊盤不同步引起的各鋼絲繩之間受力不平衡導(dǎo)致吊盤傾斜，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)控各鋼絲繩在起吊過程中的受力狀態(tài)即能很好地監(jiān)控吊盤的平衡狀態(tài)。該項(xiàng)目技術(shù)人員設(shè)計(jì)了拉力傳感器[4]配合攝像頭的控制系統(tǒng)。即在吊盤的鋼絲繩懸吊吊點(diǎn)位置、吊環(huán)與鋼絲繩吊鉤之間加裝了6臺(tái)拉力傳感裝置(3根懸吊繩、3根穩(wěn)繩)，在拉力傳感器受到相對(duì)拉力時(shí)，在傳感器的液晶顯示界面會(huì)顯示此時(shí)的拉力數(shù)值。當(dāng)?shù)醣P平衡時(shí)，6臺(tái)拉力傳感器數(shù)顯儀顯示的拉力會(huì)反映在液晶顯示界面上。安裝該拉力監(jiān)控系統(tǒng)后，平地上的信號(hào)工即可以直接觀察到每根穩(wěn)車的受力情況，了解吊盤的水平狀況。當(dāng)其中一根吊盤鋼絲繩受力與起始受力狀態(tài)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，即表明這根繩與其它繩不同步，此時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使該穩(wěn)車鋼絲繩的受力在相應(yīng)的范圍內(nèi)，從而基本上一次即可將盤調(diào)平。

吊盤(含以上設(shè)備材料)的總重量為10.6 t、單個(gè)拉力傳感器最大荷載為20 t，實(shí)際受力為3～3.5 t，拉力數(shù)值無線傳輸至液晶顯示屏讀出。

無線數(shù)顯智能拉力測試儀[5]采用上海甘壇儀器有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，傳輸距離為200 m左右。但由于該井筒深度為507 m，儀器不能有效將鋼絲繩端受到的拉力數(shù)值傳輸?shù)降孛娼邮诊@示屏。為解決這個(gè)問題，技術(shù)人員將拉力測試器的顯示屏放在吊盤上，然后再增加一套光纖傳輸?shù)谋O(jiān)控器[6]，即在井內(nèi)施工吊盤上設(shè)置一個(gè)攝像頭、對(duì)準(zhǔn)拉力測試器的顯示屏，通過光纖信號(hào)將顯示器上的拉力數(shù)值傳輸?shù)降孛婵刂剖覂?nèi)，使控制室內(nèi)的監(jiān)控人員通過電腦顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)控拉力數(shù)值的變化情況。拉力傳感器見圖2，數(shù)顯儀見圖3。

拉力傳感器的用途主要是要反映出吊盤鋼絲繩端所受到的拉力。技術(shù)人員先在吊盤吊耳上安裝一個(gè)卸扣，然后安裝拉力器的測試裝置，再通過卸扣與鋼絲繩端頭連接。安裝完成后，打開測試器的電源即可在數(shù)顯儀上看到鋼絲繩端的拉力值。

圖2 拉力傳感器示意圖

圖3 數(shù)顯儀示意圖

顯示器全部集中安裝在吊盤上，然后在合適的位置布置一個(gè)光纖攝像頭，調(diào)整好攝像頭的位置，然后將清晰的顯示數(shù)值傳到地面監(jiān)控儀上。攝像頭采集井下數(shù)據(jù)的過程見圖4，地面監(jiān)控示意圖見圖5。

圖4 攝像頭采集井下數(shù)據(jù)示意圖

根據(jù)施工需要，經(jīng)常會(huì)將吊盤提升或下降，操作人員根據(jù)顯示器上顯示的數(shù)值可以直觀地了解到每根鋼絲繩的受力情況。當(dāng)拉力傳感器數(shù)顯儀上顯示的拉力數(shù)值出現(xiàn)較大變化時(shí)，井下吊盤即有可能是發(fā)生了傾斜。通過對(duì)準(zhǔn)拉力傳感器液晶顯示界面的攝像頭、采用無線傳輸?shù)姆绞綄⒗?shù)值的變化畫面?zhèn)鬏數(shù)娇刂剖业碾娔X顯示界面上，控制室的操作人員即可以通過電腦顯示界面的數(shù)值變化精確控制穩(wěn)車減速，使數(shù)值重回吊盤平衡時(shí)的初始狀態(tài)，達(dá)到調(diào)平的目的。

圖5 地面監(jiān)控示意圖

自2018年11月正井系統(tǒng)投入運(yùn)行至2020年1月完成整個(gè)引水調(diào)壓井及高壓豎井的開挖支護(hù)，該拉力傳感器使用良好，在整個(gè)開挖支護(hù)過程中，吊盤調(diào)平過程順利，有效操作率明顯提高，很好地保證了井下施工人員的安全，提高了施工效率。

3 結(jié) 語

拉力傳感器在中東某抽水蓄能電站高壓豎井中的成功應(yīng)用，保證了小斷面超深豎井開挖支護(hù)過程中的施工安全，提高了豎井施工效率，取得了很好的應(yīng)用效果，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為其他類似工程提供借鑒。