文登電站無(wú)爆破切割技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

左從兵

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 引言

抽水蓄能電站作為儲(chǔ)能領(lǐng)域中最為成熟的技術(shù)，具有電力系統(tǒng)最可靠、壽命周期最長(zhǎng)、容量最大、最經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。相較于國(guó)外，我國(guó)抽水蓄能電站發(fā)展較晚，但發(fā)展十分迅速。截至2018年年底，我國(guó)已投運(yùn)的抽水儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模高達(dá)29.99 GW，占全國(guó)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)總規(guī)模的96%。

隨著抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的大發(fā)展，復(fù)雜環(huán)境下的地下洞室越來越多，對(duì)大型洞室開挖過程中圍巖保護(hù)要求越來越高，施工技術(shù)水平要求也越來越高。地下廠房開挖施工技術(shù)經(jīng)幾代水電人摸索總結(jié)，由人工開挖到借助機(jī)械設(shè)備鉆孔爆破，施工效率越來越高，施工技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。礦山切割施工多用于露天采石和混凝土梁體切割分解[1-2]，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)切割設(shè)備研究較多，但切割技術(shù)大規(guī)模用于地下廠房開挖施工尚無(wú)實(shí)例，文登電站首次在地下廠房建設(shè)過程中采用無(wú)爆破切割技術(shù)。

2 工程概況

文登抽水蓄能電站地下廠房從右向左依次為副廠房、主機(jī)間和安裝間，開挖全長(zhǎng)214.5 m，跨度為26.5(25)m，開挖高度為53.5 m。高邊墻開挖要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)難度大。

文登電站地下廠房區(qū)巖性以二長(zhǎng)巖為主，呈混熔狀態(tài)。廠房區(qū)地表裸露巖體以弱風(fēng)化為主，局部強(qiáng)風(fēng)化，整個(gè)地下廠房圍巖等級(jí)為Ⅰ類。文登電站地下廠房結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 文登電站地下廠房結(jié)構(gòu)

3 無(wú)爆破切割施工

地下廠房長(zhǎng)度為214.5 m，圓盤鋸縱向切割長(zhǎng)度214.5 m，邊墻采用2臺(tái)圓盤鋸進(jìn)行切割，中間采用圓盤鋸進(jìn)行橫向切割共68個(gè)循環(huán)。切割完成后在底部進(jìn)行鉆孔，每隔20 cm打設(shè)15 cm深鉆孔；在巖石頂部每隔2.4 m打設(shè)5個(gè)深20 cm孔，分解完成后采用叉車配合20 t自卸車進(jìn)行裝卸運(yùn)輸。

3.1 圓盤鋸切割施工流程

施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→軌道安裝→圓盤鋸安裝→圓盤鋸切割→切割完成。

(1)施工準(zhǔn)備。施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況提前做好技術(shù)、施工設(shè)備等準(zhǔn)備，對(duì)切割工序分班組進(jìn)行詳細(xì)施工交底。

(2)測(cè)量放樣。切割前，測(cè)量人員利用全站儀準(zhǔn)確定出場(chǎng)地切割線位置，用紅漆每5 m做1個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，標(biāo)識(shí)切割線位置。

(3)軌道敷設(shè)。根據(jù)已放樣的切割線位置及需要的切割深度進(jìn)行圓盤鋸軌道定位敷設(shè)。

(4)圓盤鋸安裝。在軌道安裝完成后安裝圓盤鋸，采用重叉車配合安裝。安裝完成后立即檢查圓盤鋸切割邊線是否符合設(shè)計(jì)要求。

(5)圓盤鋸切割。確保切割邊線無(wú)誤后進(jìn)行切割施工。切割分兩步進(jìn)行，軌道安裝及圓盤鋸就位之后，進(jìn)行小鋸片(直徑2.4 m)切割，有效深度80 cm；小鋸片達(dá)到切割有效深度后，更換大鋸片(直徑3.6 m)進(jìn)行切割，有效切割深度145 cm(見圖2)。

圖2 圓盤鋸小(大)鋸片切割施工

3.2 圓盤鋸切割技術(shù)主要施工工藝

(1)垂直分離施工工藝

對(duì)開挖巖體采用圓盤鋸垂直切割，硬質(zhì)石材切割效率為6～12 m2/h，垂直切割有效高度1.45 m，1臺(tái)機(jī)械1 d可切割100 m(見圖3～圖6)。

圖3 地下廠房Ⅱ?qū)忧懈罘謱邮疽?單位：cm)

圖4 圓盤鋸布置示意(單位：cm)

圖5 圓盤鋸切割軌道分布示意(單位：cm)

圖6 切割荒料分解示意(單位：cm)

(2)完整料原石分解施工工藝

①石料底部采用人工錘擊分解料原石，首先采用YT-18手風(fēng)鉆每隔20 cm打設(shè)深15 cm孔。單鉆打孔速度為1 m/min，一次分解石料長(zhǎng)度30 m，分解效率為9～12 m2/h。

②采用繩鋸切割石料底部，相比人工錘擊分解更平整，一次切割面積50 m2左右，繩鋸切割速度為8～10 m2/h，底部切割完成后采用人工按需求尺寸錘擊分解料原石。

(3)原石分解完成后運(yùn)輸及存放

料原石分解完成后，采用30 t重叉車將料原石裝至20 t自卸平板車上，采用插銷進(jìn)行固定運(yùn)至指定場(chǎng)地進(jìn)行存放。

4 有限元分析模型的建立

采用圓盤鋸切割開挖地下廠房施工，因切割過程中鋸片振動(dòng)幅度較大，易造成鋸片刀頭磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡鋸現(xiàn)象。為提高圓盤鋸切割穩(wěn)定性和效率，需進(jìn)一步優(yōu)化圓盤鋸切割施工。以模態(tài)振型和固有頻率為基礎(chǔ)建立的模型在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，可以把自由振動(dòng)的特點(diǎn)體現(xiàn)出來，通過物理系數(shù)對(duì)固有頻率和系統(tǒng)振型向量的比值進(jìn)行確定[3]。

由于鋸片的共振會(huì)引起振幅的改變，一般振幅的反應(yīng)較強(qiáng)烈，會(huì)急劇增大，振動(dòng)模型會(huì)隨之產(chǎn)生，但是產(chǎn)生的模型均屬于單一模型。圓盤鋸在使用過程中，實(shí)際轉(zhuǎn)速要避開各階臨界轉(zhuǎn)速，避免產(chǎn)生共振，從而使圓盤鋸保持穩(wěn)定。

根據(jù)圓盤鋸鋸片的特點(diǎn)，對(duì)圓盤鋸鋸片振動(dòng)微分方程進(jìn)行推導(dǎo)。利用以下假設(shè)進(jìn)行推導(dǎo)，假設(shè)應(yīng)合理，能夠保證工程計(jì)算精度。

(1)圓盤鋸鋸片沿厚度方向的變形不計(jì)。

(2)要求與中面的法線垂直，而且在變形過程中始終要求垂直。

在上述假設(shè)條件下，利用極坐標(biāo)系，結(jié)合彈性力學(xué)理論可推導(dǎo)出圓鋸片的自由振動(dòng)微分方程[4]:

其中:

將式(2)作為式(1)的解:

式中，ω為圓盤鋸鋸片的固有頻率；H為圓盤鋸鋸片的厚度；ρ為圓盤鋸鋸片體積密度；D為公式推導(dǎo)中間符號(hào)；ωm為各個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率；Wm為相應(yīng)的振型函數(shù)。

式中，Jn(βr)為第一類貝塞爾函數(shù)；Nn(βr)為第二類貝塞爾函數(shù)；In(βr)為第一類修正貝塞爾函數(shù)；Kn(βr)為第二類修正貝塞爾函數(shù)；C1、C2、C3、C4為由邊界條件確定的常數(shù)。

假設(shè)圓鋸片的外圓周(r＝b)為自由邊，在此時(shí)彎矩與剪力值均為0，即:

將上述條件代入式(7)中，得到方程組為:

取夾緊比q＝a/b；特征值a＝βb。依據(jù)貝塞爾函數(shù)導(dǎo)數(shù)的定義可推導(dǎo)出:

綜合上式，可得圓盤鋸鋸片的固有頻率為:

式中，α為圓盤鋸鋸片的特征值；b為圓盤鋸鋸片的半徑；E為圓盤鋸鋸片的慣性模量；μ為圓盤鋸鋸片的摩擦系數(shù)。

由式(11)可知，圓盤鋸鋸片的固有頻率主要決定于3個(gè)參數(shù)，即b、H、a。圓盤鋸鋸片的固有頻率與厚度H、特征值a成正比，與鋸片半徑b成反比，而特征值a取決于夾緊比[5-6]。

5 切割系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

為了對(duì)金剛石圓盤鋸片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究狀態(tài)變量不同狀況，并分析全部鋸片內(nèi)部構(gòu)成變化對(duì)動(dòng)態(tài)性能和作用的影響。

(1)僅以片基體的最大變形量為影響因子，以實(shí)現(xiàn)達(dá)到最佳。

(2)考慮片基體的最大變形量和最大等效應(yīng)力進(jìn)行綜合分析，以實(shí)現(xiàn)達(dá)到最佳。

(3)在第二種情況下，考慮到動(dòng)態(tài)性能，增加模擬分析中第一階固有模態(tài)并進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到最佳。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在選擇金剛石大小一致的情況下，利用有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出的結(jié)果作為上限，具體過程見圖7。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

5.2 優(yōu)化結(jié)果分析

綜合分析以上三種不同情況進(jìn)行分析總結(jié)，得出六組最佳設(shè)計(jì)序列，結(jié)果見表1。鋸片基體質(zhì)量?jī)?yōu)化曲線如圖8所示。

圖8 圓盤鋸鋸片基體質(zhì)量?jī)?yōu)化曲線

表1 圓盤鋸鋸片基體優(yōu)化組合序列結(jié)果

(1)分析表1中SET 5可知，基體質(zhì)量(WT)為45.449 kg，在基體質(zhì)量有所增加的條件下滿足一階固有頻率。

(2)研究表1中的各項(xiàng)組合，在取得最優(yōu)參數(shù)下，新型組合式鋸片基體的一階固有頻率為5.447 2，而初始的一階固有頻率為2.221，基體動(dòng)態(tài)性能得到明顯地提升[7-8]。

6 切割系統(tǒng)安全與環(huán)保設(shè)計(jì)

(1)切割系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

無(wú)爆破切割施工工藝簡(jiǎn)單，安全易操作，相對(duì)傳統(tǒng)爆破施工，將主廠房爆破開挖Ⅲ～Ⅳ級(jí)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)降低至Ⅰ～Ⅱ級(jí)，同時(shí)降低火工品運(yùn)輸受降雪影響的安全風(fēng)險(xiǎn)[9]。

地下廠房洞室交錯(cuò)復(fù)雜，施工作業(yè)面多，干擾大，爆破對(duì)相鄰其它洞室結(jié)構(gòu)物及施工作業(yè)影響較大。采用無(wú)爆破切割施工，減少了爆破振動(dòng)對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)物及開挖面的擾動(dòng)及施工干擾，同時(shí)避免爆破振動(dòng)對(duì)不良地質(zhì)段施工的影響，保證施工安全(見表2)。

表2 施工安全控制對(duì)比

(2)切割系統(tǒng)環(huán)保設(shè)計(jì)

無(wú)爆破切割施工相比傳統(tǒng)爆破開挖施工，不進(jìn)行爆破作業(yè)，減少新的有毒有害物質(zhì)的產(chǎn)生，有效緩解地下廠房系統(tǒng)因通風(fēng)困難造成的工作環(huán)境差的問題，有力保障了施工作業(yè)人員的人身健康[10]。

文登抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)，距洞口500 m為居住村，爆破開挖產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)對(duì)周圍居民影響較大，而無(wú)爆破切割過程不產(chǎn)生新的有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境影響較小(見表3)[11]。

表3 施工環(huán)保控制對(duì)比

7 結(jié)束語(yǔ)

文登電站地下廠房采用無(wú)爆破切割技術(shù)，通過減少火工品的使用，降底施工風(fēng)險(xiǎn)；廠房高邊墻均采用切割，避免開挖邊墻巖體損傷，減小開挖松弛圈的厚度；采用無(wú)爆破切割技術(shù)開挖，擺脫火工品管控限制，實(shí)現(xiàn)地下廠房24 h開挖作業(yè)，提高洞室開挖施工效率。同時(shí)，在施工過程中不會(huì)產(chǎn)生危害施工人員身體健康的有毒物質(zhì)，符合我國(guó)提倡的節(jié)能環(huán)保要求[12]。

采用無(wú)爆破切割技術(shù)進(jìn)行地下廠房的開挖是洞室開挖方式的又一創(chuàng)新，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。