拉力傳感器在超深豎井正井法施工中的應用

黃 浩， 代 強

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

無論是煤礦行業還是水利水電行業，豎井均為項目施工過程中不可避免的一個分部工程。豎井常采用“反井鉆機法”或“正井法”施工?！胺淳@機法”[1]即先自上而下采用反井鉆機打施工導孔，然后自下而上通過旋轉刀盤施工導井形成出渣通道，再自上而下擴挖成導井，渣料通過導井從下井口出渣。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，通過井架、天輪、絞車、穩車、鋼絲繩、吊盤、載人罐籠及出渣桶形成懸吊系統[3]，自上而下對井身進行開挖支護施工。在正井法施工中，吊盤作為井下最主要的施工平臺為井下施工人員提供施工空間以及安全保障，同時亦為吊盤底部的中心回轉抓巖機提供懸吊點，是整個正井法施工系統中最重要的部分。因此，在吊盤上下行過程中如何對其進行調平成為關鍵難題。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(引水隧洞、閘門井、引水調壓井、高壓豎井、引水岔管、引水支管)、地下廠房系統工程(進廠交通洞、應急兼電纜洞、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(尾水支管、尾水岔管、尾調通氣洞、尾水調壓室及尾水調壓井、尾水隧洞)、下水庫、地面開關站及進場道路組成。

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

2 技術難點及設計思路

在正井法施工過程中，吊盤下井后將不會再出井、直至開挖支護完成。吊盤通常為三層結構，由3臺穩車通過鋼絲繩及天輪平臺上的天輪進行懸吊，同時配備三根穩繩保證吊盤穩定。3根鋼絲繩懸吊點均勻分布在吊盤上。吊盤下懸吊中心回轉抓巖機。在井下工作面爆破之前，吊盤由井口控制室的操作人員進行提升操作、遠離工作面以防止爆破作業對吊盤造成破壞，爆破完成、通風散煙后，操作人員將吊盤下放至工作面附近以保證中心回轉抓巖機能夠進行出渣操作。正井系統布置情況見圖1。

圖1 正井系統布置圖

在需要將吊盤上下移動時，因懸吊穩車保險閘、動力電機等啟動很難達到同步，穩車運行過程中，液壓閘的阻力也不一定完全相同，因此，在吊盤上下時會不可避免地造成吊盤傾斜。國內采用的解決方法：在吊盤上下運行時，井內吊盤上有起重工負責吊盤運行平衡狀態監視，當發現吊盤不平時其會發出信號通知井口、停止運行，然后再調整個別穩車，直到吊盤平衡后再同時起落吊盤。整個調整過程需反復溝通多次而導致調平困難且耗時長。

針對上述難題，考慮到導致施工吊盤不平衡的根本原因是多個穩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致吊盤傾斜，因此，實時監控各鋼絲繩在起吊過程中的受力狀態即能很好地監控吊盤的平衡狀態。該項目技術人員設計了拉力傳感器[4]配合攝像頭的控制系統。即在吊盤的鋼絲繩懸吊吊點位置、吊環與鋼絲繩吊鉤之間加裝了6臺拉力傳感裝置(3根懸吊繩、3根穩繩)，在拉力傳感器受到相對拉力時，在傳感器的液晶顯示界面會顯示此時的拉力數值。當吊盤平衡時，6臺拉力傳感器數顯儀顯示的拉力會反映在液晶顯示界面上。安裝該拉力監控系統后，平地上的信號工即可以直接觀察到每根穩車的受力情況，了解吊盤的水平狀況。當其中一根吊盤鋼絲繩受力與起始受力狀態出現較大偏差時，即表明這根繩與其它繩不同步，此時可以對其進行適當的調整，使該穩車鋼絲繩的受力在相應的范圍內，從而基本上一次即可將盤調平。

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

無線數顯智能拉力測試儀[5]采用上海甘壇儀器有限公司生產的產品，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值傳輸到地面接收顯示屏。為解決這個問題，技術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的監控器[6]，即在井內施工吊盤上設置一個攝像頭、對準拉力測試器的顯示屏，通過光纖信號將顯示器上的拉力數值傳輸到地面控制室內，使控制室內的監控人員通過電腦顯示器實時監控拉力數值的變化情況。拉力傳感器見圖2，數顯儀見圖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。技術人員先在吊盤吊耳上安裝一個卸扣，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光纖攝像頭，調整好攝像頭的位置，然后將清晰的顯示數值傳到地面監控儀上。攝像頭采集井下數據的過程見圖4，地面監控示意圖見圖5。

圖4 攝像頭采集井下數據示意圖

根據施工需要，經常會將吊盤提升或下降，操作人員根據顯示器上顯示的數值可以直觀地了解到每根鋼絲繩的受力情況。當拉力傳感器數顯儀上顯示的拉力數值出現較大變化時，井下吊盤即有可能是發生了傾斜。通過對準拉力傳感器液晶顯示界面的攝像頭、采用無線傳輸的方式將拉力數值的變化畫面傳輸到控制室的電腦顯示界面上，控制室的操作人員即可以通過電腦顯示界面的數值變化精確控制穩車減速，使數值重回吊盤平衡時的初始狀態，達到調平的目的。

圖5 地面監控示意圖

自2018年11月正井系統投入運行至2020年1月完成整個引水調壓井及高壓豎井的開挖支護，該拉力傳感器使用良好，在整個開挖支護過程中，吊盤調平過程順利，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 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用，保證了小斷面超深豎井開挖支護過程中的施工安全，提高了豎井施工效率，取得了很好的應用效果，所取得的經驗可為其他類似工程提供借鑒。