尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工安全技术方案.doc

安全技术方案尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工安全技术方案1 工程概述清远抽水蓄能电站装机容量1280MW，位于广东省清远市的清新县太平镇境内，地理位置处于珠江三角洲西北部，直线距广州75km。枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房洞室群及开关站、永久道路等部分组成。尾水调压井为埋藏式，位于尾水隧洞发电水流左侧，尾水调压井中心线距尾水隧洞中心线15.0m，井深115.60m，高程156.0040.40，由大井和升管段两部分构成，大井开挖直径19.4m，深63.0m，高程156.0093.00，其顶部设置成球状穹顶，穹顶高程156.00152.00；升管开挖直径10.6m，深52.6m，高程93.0040.40，升管下部与尾水隧洞相连。目前尾水调压井下部水平连接洞及大井段（高程156.0093.00）已开挖支护至设计轮廓线，升管段一次扩挖已完成，一次扩挖直径为3.5m。升管段二次扩挖至设计轮廓线，升管段二次扩挖采用正井法。2 编制依据本方案主要根据以下内容进行编写：1）水电水利工程爆破施工技术规范（DL/T51352001）；2）水电水利工程施工安全防护设施技术规范（DL5162-2002）；3）水电水利工程施工通用安全技术规程（DL/T5370-2007）；4）水电水利工程土建施工安全技术规程（DL/T5371-2007）；5）水电水利工程斜井竖井施工规范（DL/T5407-2009）；6）水工建筑物地下开挖工程施工技术规范（DL/T5099-2011）；7）水电水利工程锚喷支护施工规范（DL/T5181-2003）；8）水电水利工程施工作业人员安全技术操作规程（DL/T5373-2007）；9）水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范（DL/T5061-1996）；10）一般用途钢丝绳（GB/T20118-2006）；11）煤矿用JTP型绞车安全检验规程（AQ1033-2007）；12）建筑卷扬机（GB/T1955-2008）；13）吊笼有垂直导向的人货两用施工升降机（GB26557-2011）；14）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）；15）钢结构设计规范（GB50017-2003）；16）钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001）；17）施工现场临时用电安全技术规范（JGJ46-2005）；18）起重机用铸造滑轮直径的选用系列与匹配（JB/T9005.2-1999）；19）起重机用铸造滑轮绳槽断面（JB/T9005.1-1999）；20）材料力学（宋子康、蔡文安编，同济大学出版社出版）；21）五金手册（邹振戊等编，机械工业出版社出版）；22）建筑施工手册（江正荣编，中国建筑工业出版社出版）；23）施工技术方案尾水调压井开挖支护措施（FCB2011B2-02-040）。3 尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工金属结构布置安装3.1 尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工井口布置尾水调压井升管段二次扩挖及支护须在井口上部（穹顶）布置天轮及其检修平台、楼梯，井口下部（与尾调通气洞底部同高程）布置施工平台、井架、吊笼、提升设备、牵引钢丝绳、转向滑轮等提升系统和相关附属设施。穹顶开挖支护时为井身段开挖支护有关设施设置吊点锚杆等，吊点锚杆规格25，锚杆长5.0m，入岩4.5m，外露0.5m，当吊点锚杆和穹顶系统锚杆（锚杆2515001500，L=6.0m，入岩5.85m，外露0.15m）位置冲突时，以系统锚杆代替吊点锚杆，锚杆入岩深度满足系统锚杆的要求（入岩5.85m），外露长度满足吊点锚杆的要求（外露0.5m）。锚杆砂浆采用M30，现场拌制严格按照试验室开出的配合比进行拌制。采用“先注浆，后插杆”的施工工艺，在锚杆安插时，先将注浆管插至距孔底50100mm，随砂浆的注入缓慢均匀拔出，浆液注满后立即将锚杆插入。注浆过程中，浆液从锚杆孔附近流出应堵填，以免继续流浆。保证锚杆注浆的饱满密实。1）井口施工平台：井口施工平台是参照现行钢结构设计规范（GB50017-2003），结合以往施工经验自行设计加工。井口施工平台长13300mm，宽4000mm，骨架主梁采用两根I32a工字钢，次梁采用I18a工字钢，上面满铺3mm厚钢板。主梁一端（靠近尾调通气洞一端）通过7根25锚杆（锚杆长5.0m，入岩4.5m）固定在尾调通气洞底板基岩上，另一端用16根锚固在穹顶上的25锚杆通过25圆钢焊接在主梁上对平台进行反拉固定。施工平台从尾调通气洞方向进来依次设置大井开挖吊物孔、升管开挖吊物孔、中心吊物孔3个吊物孔，吊物孔尺寸为（长宽）2370mm1870mm，平台及吊物孔周边设置安全护栏，护栏底脚用2mm厚钢板设置500mm高踢脚板。井口平台分别在大井开挖吊物孔、升管开挖吊物孔上设置自制井架，一个井架高4700mm，另一个井架高4450mm，底部长3000mm，宽2500mm，顶部长2000mm，宽2500mm。井架由4吋钢管构成主框架，四个立柱底部用16mm钢板做支撑脚，框架顶部用18工字钢焊接成滑轮安装支撑架，上部安装滑轮（组）。2）穹顶天轮架及其附属设施：穹顶天轮架长3000mm，宽1800mm，主骨架由20b槽钢构成。天轮架用20根锚固在穹顶上的25锚杆通过25圆钢焊接在槽钢骨架上进行反拉固定。天轮架上焊接两根18，L=1800mm的工字钢作为滑轮组支架，滑轮组根据开挖、混凝土浇筑、灌浆吊点的实际位置与框架焊接。天轮架外围设置安装检修平台，平台长4656mm，宽4056mm，平台中心预留与天轮架尺寸相同的孔洞，平台主骨架由18构成，上面满铺3mm厚花纹钢板，平台周边设置安全护栏，护栏底脚用2mm厚钢板设置500mm高踢脚板。检修平台用8根锚固在穹顶上的25锚杆通过25圆钢焊接在工字钢骨架上进行反拉固定。通往检修平台的天梯由3架钢楼梯及两个休息平台组成，从下往上依次是天梯1，天梯2，天梯3，天梯3与检修平台连接。天梯2和3结构相同，梯长5333mm（斜长），高3500mm，与水平面夹角41；天梯1梯长5703mm（斜长），高4391mm，与水平面夹角50。楼梯由两条6mm厚200mm宽钢板做主骨架，3mm厚花纹钢板做踏步；休息平台由10槽钢构成主骨架，上面满铺5mm厚花纹钢板。天梯两边设置护栏。天梯1与天梯2之间的休息平台底部用由角钢组成的桁架式钢立柱支撑，天梯2和天梯3及二者之间的休息平台由13根锚固在穹顶上的25锚杆通过25圆钢焊接在天梯骨架上进行反拉固定。天轮架及其附属设施详见附图812。井口施工平台和穹顶天轮架及其附属设施等焊接构件，在施焊前，对施焊区域进行打磨除锈，严格按照图纸要求的焊缝长度和高度，由取得焊工资格证的人员施焊。焊接完成后敲除焊渣，进行外观检查及探伤检验，确保焊缝饱满密实。检查完成后对焊缝刷防锈漆。3）提升设备及吊笼：提升设备的工作原理是用电动机通过传动装置驱动带有钢丝绳的卷筒来实现载荷移动，尾水调压井升管段二次扩挖载人、载物运输采用两台单绳缠绕式绞车同步提升吊笼，提升井盖采用卷扬机作为提升设备。吊笼采用按照规范水电水利工程施工通用安全技术规程（DL/T5370-2007）要求设计制作的自制吊笼。（1）提升设备选择井盖提升设备选用新购的10t普通卷扬机，卷扬机的参数要求见下表。表1 卷扬机参数要求表项目参数项目参数要求备注10t卷扬机最大牵引力100kN最大行驶速度0.33m/s钢丝绳直径26mm容绳量400m 载人、载物提升设备选用新购的两台JTP1.21.2P 10t绞车，绞车的参数和技术要求见下表。表2 绞车的参数和技术要求表项目参数项目参数要求备注JTP1.21.2P 10t绞车最大牵引力100kN新购最大行驶速度0.75m/s钢丝绳直径32mm容绳量360m技术要求设计制造厂家生产的绞车必须符合国家规程、规范要求；绞车为电控、无极变速，绞车的工作级别为重级，绞车出绳方向为下出绳。绞车配有限位器、超速器、限载装置、排绳器；电气控制配有过载保护、过流保护、通讯信号、紧急安全开关，所有电器必须为防水型产品。（2）提升系统布置方案尾水调压井升管段二次扩挖提升系统布置按载人、载物吊笼，利用施工平台的吊物孔来实现。井口布置两台JTP1.21.2P 10t绞车和一台10t普通卷扬机，中心吊物孔用于牵引井盖，升管二次开挖吊物孔用于载人、载物运输。载人、载物吊笼自制，10t普通卷扬机钢丝绳绕过布置在尾水调压井穹顶位置上的天轮提升井盖。两台JTP1.21.2P10t绞车通过施工平台井架1上的转向滑轮共同牵引载人、载物吊笼。升管段进行二次扩挖及支护（除扒渣）施工时，升管段井口均采用井盖封口。载人、载物吊笼布置两根稳绳，稳绳顶端固定在井架上，低端固定在升管段井口井盖骨架上。为了减小吊笼的横向摆动，在吊笼顶部布置稳绳盘，稳绳盘穿在吊笼的两根稳绳上。在大井内稳绳盘随吊笼上下，当吊笼下降通过升管段井口井盖处的预留孔时，稳绳盘被井盖挡住并停放在井盖上，当吊笼上升通过此处时，吊笼和稳绳盘接触后随着吊笼的提升稳绳盘随之上升。尾水调压井升管段提升系统布置详见附图1、附图2，升管段井口井盖布置图详见附图3，吊笼及稳绳盘结构图详见附图4。（3）卷扬机、绞车布置铰车（卷扬机）按照规划位置安装，安装前浇筑基础混凝土。混凝土浇筑要清除浮渣至新鲜基岩，并冲洗干净，混凝土台要高出原地面30cm。采用M30螺栓进行固定，根据厂家提供相关数据，固定螺栓不少于8根，因此现场施工时至少布置8根锚杆对固定螺栓进行固定。为便于铰车（卷扬机）的安装，安装前每台设备加工一个预埋螺栓固定支架，将所有预埋螺栓固定在支架上，支架上焊接连接板，将连接板和锚杆焊接牢固，锚杆选用25锚杆（入岩2m，外露0.25m），每根螺栓不少于1根锚杆进行固定。绞车布置按照附图1、附图2进行，绞车基础施工及绞车安装按照厂家提供资料组织施工。（4）吊笼、钢丝绳载人、载物吊笼采用满足规范水电水利工程施工通用安全技术规程（DL/T5370-2007）要求的吊笼。吊笼结构图详见附图4。提升井盖的卷扬机牵引钢丝绳及吊笼稳绳均选用公称抗拉强度为1670MPa，直径26mm的637S纤维芯钢丝绳。吊笼牵引钢丝绳选用公称抗拉强度为1670MPa，直径32mm的637S纤维芯钢丝绳。（5）转向滑轮尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中所用的转向滑轮及天轮、参照起重机用铸造滑轮直径的选用系列与匹配（JB/T9005.2-1999）表1的要求设计并加工。吊笼顶部的滑轮按照附图4中的要求加工。3.2 尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工金属结构安装流程穹顶吊点锚杆施工天轮、天轮架、检修平台安装检修楼梯安装卷扬机（绞车）安装钢丝绳布置施工平台安装安装护栏安装井架安装吊笼限位装置及信号系统安装调试、试运行载重试验运行。3.3 安装方法及注意事项3.3.1 安装准备1）熟悉图纸及相关资料，进行技术交底。2）清点和清理尾水调压井金属结构安装各构件。3）架设安装场施工用临时电源。4）准备和检查各起吊用具。3.3.2 尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工安装方法及注意事项1）穹顶吊点锚杆施工及注意事项尾水调压井金属结构安装前，必须将尾水调压井一次和二次扩挖时所用的穹顶全部的吊点锚杆进行施工，施工选择尾水调压井穹顶开挖时便于锚杆施工的时段进行施工,当吊点锚杆和尾水调压井穹顶系统锚杆位置冲突时，以系统锚杆代替吊点锚杆，锚杆入岩深度满足系统锚杆的要求（入岩5.85m），外露长度满足吊点锚杆的要求（外露0.5m）。2）天轮、天轮架、天轮检修平台安装及注意事项天轮、天轮架、天轮检修平台在尾水调压井一次扩挖结束后进行安装，用于尾水调压井大井二次扩挖及支护和升管段二次扩挖及支护施工时井盖的起吊工作。安装时在地面上将天轮和天轮架点焊牢固，利用8吨汽车吊将天轮架起吊到天轮架固定锚杆的安装位置，利用另一台装有吊篮的8吨汽车吊将作业人员起吊到安装位置，利用4个手拉葫芦将天轮架四个角和顶部的锚杆连接牢固。撤掉第一台8吨汽车吊，作业人员在第二台汽车吊吊篮中对天轮架和固定锚杆进行焊接，每焊接固定天轮架的一个角，拆除一个手拉葫芦，直至所有的吊点锚杆全部和天轮架焊接完毕，所有的手拉葫芦均拆除即可完成天轮台架的安装工作。用同样的方法安装天轮检修平台，安装天轮检修平时要注意在起吊时避免天轮检修平台和已安装的天轮架碰撞以及焊接天轮检修平台与固定锚杆时伤到天轮架固定锚杆。天轮架、天轮检修平台吊点锚杆（含井口施工平台吊点锚杆）布置图详见附图5、附图6，结构图详见附图7。3）检修楼梯安装及注意事项在尾水调压井一次扩挖结束二次扩挖前安装天轮检修楼梯，楼梯安装时从下到上进行安装，即先从靠近地面的楼梯开始安装，每安装一段用吊点锚杆固定一段，安装时用2台8吨汽车吊及手拉葫芦配合安装，方法同安装天轮、天轮架及检修平台的方法一致。天轮检修楼梯安装完成之后，根据现场实际布置情况。检修楼梯吊点锚杆布置图详见附图8，检修楼梯布置图详见附图9，楼梯结构图详见附图10、附图11。4）卷扬机（绞车）安装及注意事项根据水电水利工程施工通用安全技术规程（DLT5370-2007）第9.2.3条的规定临时电梯、提升吊笼的卷扬机的基础牢固，安装稳固。卷扬机固定采用螺栓固定。混凝土浇筑前，按照卷扬机底座各螺栓预留孔之间相对距离等参数，加工制造一个卷扬机预埋螺栓固定支架，该支架上开设的所有孔均与卷扬机底座相同（孔径及孔之间的距离），将所有预埋螺栓用螺母（每根螺栓固定在支架上时，支架的上、下各有一颗螺母）固定在支架上，将连接板和预埋螺栓焊接牢固。在卷扬机安装位置根据预埋螺栓之间的距离打锚杆（每根螺栓至少一根），锚杆入岩2m，外露0.25m。将卷扬机预埋螺栓固定支架移至卷扬机安装位置，调整好支架位置及高程后将所有预埋螺栓连接板和锚杆焊接牢固。最后浇筑混凝土，混凝土浇筑完成后达到一定的强度后拧掉每根预埋螺栓上的螺母。利用汽车吊将卷扬机起吊至卷扬机基础正上方，利用人工将卷扬机底座上的所有孔和预埋螺栓对准，一次性将卷扬机安装到位，最后拧紧预埋螺栓螺母即可完成卷扬机的安装工作。绞车安装按照生产厂家要求进行基础施工及安装工作。5）钢丝绳布置将绞车（卷扬机）钢丝绳绕过各转向滑轮后查看钢丝绳落点和各孔口的位置（按照施工图纸的位置进行确定）以及绞车（卷扬机）和天轮（转向滑轮）的相对位置，保证绞车（卷扬机）卷筒的中心线和天轮的中心线在一条线上，若不满足要求，要对天轮（转向滑轮）做适当的微调，位置调整合适后，即可焊接天轮（转向滑轮）。6）施工平台安装及注意事项在尾水调压井次扩挖结束次扩挖前必须将施工平台和所有反拉钢筋从穹顶固定锚杆处接至井口，焊接反拉钢筋时人员站在检修平台及楼梯上进行焊接，但每次在检修楼梯及检修平台上进行作业的人员不得超过2人。在检修楼梯和检修平台上够不着的反拉钢筋利用施工升降吊篮起吊人员至顶部进行焊接作业。所有反拉钢筋接至地面后为防止对次扩挖造成影响，可将反拉钢筋斜拉至调压井周围支护锚杆上进行焊接固定，待井口施工平台摆放就位后，将所有反拉钢筋在尾部从系统锚杆上切割下来以便于安装施工平台。为防止次扩挖爆破作业时飞石伤到井口平台，以及爆破对井口平台焊缝及固定锚杆造成影响，井口施工平台在大井次扩挖至距井口15m的位置时进行安装。安装井口施工平台时，将井口施工平台摆放在井口，利用布置在井口的卷扬机钢丝绳将施工平台远离井口的一边稳固连接，8吨汽车吊连接在施工平台的另一边并将施工平台向井口移动，每移动一次，启动卷扬机将钢丝绳提起一次，直至施工平台就位。施工平台就位后，立即选择合适的反拉钢筋用手拉葫芦将施工平台悬空的一端固定起来。测量人员在现场对施工平台的安装位置进行校核，平台安装人员根据测量人员校核的结果对施工平台的位置进行调整，调整高程可选用千斤顶，调整平面位置时可在施工平台端部绑扎钢丝绳以及撬棍等方法用人工进行调整。位置调整合适后，先进行施工平台固定端与井口锚杆的焊接，固定端所有锚杆焊接完毕后，即可进行反拉钢筋与施工平台的焊接，先从施工平台悬空端的端部钢筋开始焊起直至将所有的反拉钢筋全部焊接完毕。钢筋采用搭接焊，焊缝采用双面焊，焊缝长度10cm，焊缝高度10mm，钢筋与钢板的焊接长度及焊缝高度和钢筋与钢筋的焊接要求相同，尾水调压井所有反拉钢筋焊缝（钢筋与钢筋、钢筋与钢板）均要进行焊缝外观质量、焊接长度、焊缝高度以及焊缝的无损探伤等相关质量检查。7）护栏安装井口施工平台护栏和井口施工平台在车间加工，加工完成后为便于井口施工平台的运输，护栏可先不予井口施工平台焊接，在井口施工平台安装完毕后，立即将井口施工平台所有临边用已加工好的护栏围起来，护栏立杆与井口施工平台必须焊接牢固。8）井架安装井口施工平台井架安装时利用8吨汽车吊将井架从尾调通气洞吊至施工平台上，起吊时利用方向绳和人工来调整井架的位置，使得井架的安装位置符合要求。井架就位后立即将井架的四条支腿和井口施工平台焊接牢固。将转向滑轮点焊在井架顶部，布置钢丝绳，检查钢丝绳的落点及卷扬机卷筒中心线和井架上的转向滑轮的相对位置，达到要求后，对卷扬机底座和转向滑轮进行焊接。井架安装完成之后必须将井架的三个侧立面沿井架立柱用护栏围起来，护栏与井架和井口施工平台必须焊接牢固，井架剩余的一个侧立面安装方便人员进出吊笼和材料运输的单开门。井架结构图详见附图13。9）吊笼安装利用8吨汽车吊将吊笼吊至施工平台上，将吊笼和钢丝绳以及方向绳连接牢固，启动铰车，将吊笼提起后缓慢放入井口施工平台孔口中，铰车起吊吊笼时，利用人工控制方向绳来防止吊笼摇摆碰到井架，井架就位后解除方向绳。10）限位装置及信号系统安装限位装置和信号控制线均沿尾调通气洞顶拱和尾水调压井穹顶进行布置，牵引至吊笼中，以免对施工通道造成影响。信号线采用五芯线。11）调试、试运行调试提升系统的信号控制系统、限位装置和安全保护装置以及吊笼的运行情况，满足要求后方可进行提升系统的载重试验。12）载重试验按照建筑卷扬机（GB/T1955-2008）的要求对卷扬机提升系统进行1.25倍载重量的动载试验，试验合格经验收同意使用后方可投入运行。按照煤矿用JTP型绞车安全检验规程（AQ1033-2007）的要求对绞车提升系统进行1.2倍载重量的动载试验，试验合格经验收同意使用后方可投入运行。4 尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工安全分析4.1 尾水调压井穹顶固定锚杆安全分析尾水调压井穹顶布置用于反拉井口施工平台、天轮检修平台和天轮架固定，反拉楼梯等锚杆共计57根，锚杆均采用25螺纹钢锚杆，锚杆入岩4.5m，外露0.5m。其中用于反拉井口施工平台的锚杆16根，固定检修平台的锚杆8根，固定天轮架的锚杆20根，用于反拉楼梯的锚杆13根，锚杆均采用M30砂浆进行注浆，锚杆具体布置详见附图5、附图8，井口施工平台结构图详见附图12。4.1.1 尾水调压井穹顶固定锚杆锚固力计算根据锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）第4.2小节，采用全长粘结型25普通水泥砂浆锚杆，水泥砂浆强度M30，42钻孔。尾水调压井穹顶固定锚杆锚固力：Nt=LaDqr/K式中，Nt锚杆锚固力（kN）；La锚杆锚固长度，取4500mm；K安全系数，取1.6；D锚固体直径，取42mm；qr水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值，取1.0Mpa。代入以上数值：Nt=LaDqr/K=45003.144211.6=370.91kN。25螺纹钢筋最大拉力F=A；式中：F25螺纹钢筋最大拉力；A25钢筋截面面积，A=D2/4=490.625mm2；材料许用应力，螺纹钢许用应力为310MPa；F=A=310106490.62510-6=152094N=152.094kN。根据广东清远抽水蓄能电站水道及厂房土建工程招标文件的要求，25锚杆拉拔力为127kN，经现场进行锚杆拉拔试验，锚杆的锚固力均可达到127kN，综述以上计算和要求，尾水调压井穹顶布置的入岩4.5m，采用M30砂浆注浆的25锚杆其每根锚杆拉拔力均按127kN进行受力分析时，锚杆的锚固力和钢筋的拉力均满足要求。因此下述采用M30砂浆注浆的25锚杆（锚杆入岩4.5m，外露0.5m）均按每根127kN的拉拔力进行受力分析。4.1.2 尾水调压井穹顶天轮架固定锚杆受力分析尾水调压井穹顶固定锚杆主要为天轮架固定锚杆，天轮检修平台固定锚杆，井口施工平台反拉锚杆和楼梯反拉锚杆。由于天轮架检修平台和楼梯平时只用于检修人员对天轮涂刷润滑油和天轮的检修工作，其余情况下均不允许其他人员沿检修楼梯上下检修平台，检修平台固定锚杆只承受检修平台自重（1.05吨）及检修人员自重（限两人，总共0.15吨），楼梯反拉锚杆只承受楼梯梯段自重（两架楼梯1共计0.59吨）及检修人员自重（限两人，总共0.15吨）。检修平台和检修楼梯不再承受其他任何荷载，检修平台采用8根25锚杆（入岩4.5m，外露0.5m）进行固定，楼梯采用13根锚杆（入岩4.5m，外露0.5m）进行反拉。由上述3.1.1节对25锚杆（入岩4.5m，外露0.5m）拉拔力的计算可以看出，检修平台及楼梯固定（反拉）锚杆完全满足承载力要求。井口施工平台反拉锚杆将在下面进行专项分析，在此只对天轮架固定锚杆进行受力分析。尾水调压井升管段进行二次扩挖及支护施工过程中，10吨卷扬机钢丝绳绕过穹顶天轮架牵引井盖，井盖在打钻及支护作业中盖在尾水调压井升管段一次扩挖孔口处，此时天轮架固定锚杆不受力。在进行爆破作业时必须将井盖及井盖上面摆放的施工设备提起一定的距离。井盖自重及井盖上面摆放的施工设备总重不超过2.5吨（按2.5吨计），由附图1可知，牵引井盖的钢丝绳和水平面的夹角为22.38，天轮架由20根25锚杆（入岩4.5m，外露0.5m）固定，牵引钢丝绳选用公称抗拉强度1670Mpa，直径为26mm的637s+FC纤维芯钢丝绳，天轮受力分析简图见下图。 图2 天轮受力分析简图图中：F牵钢丝绳牵引力，F牵=G钢丝绳+G井盖；G钢丝绳钢丝绳重力；G井盖井盖自重及载重；F1钢丝绳牵引力沿水平方向的分力；F2钢丝绳牵引力沿竖直方向的分力。直径为26mm的637纤维芯钢丝绳每米重2.36kg，尾水调压井深101m（从井口至井底水平连接洞顶部），穹顶天轮至井口高14.5m，因此钢丝绳悬空最大长度为101+14.5=115.5m，所以G钢丝绳=115.52.3610=2725.8N2.73kN。井盖自重及载重为2.5吨，因此G井盖=2.510=25kN；F牵=25+2.73=27.73kN。F1=F牵cos22.38=25.64kN；F2=F牵sin22.38=10.56kN；在F1作用下天轮架固定锚杆受弯荷载，在F2作用下天轮架固定锚杆受拉。1）天轮架固定锚杆弯曲荷载分析天轮架25固定锚杆外露0.5m，天轮固定锚杆与天轮架搭接焊0.2m。在F1作用下20根25固定锚杆承受的最大弯矩M=F1（0.5-0.2）=24.720.3=7.416kNm，每根25锚杆承受的最大弯矩Mmax=M/20=0.371kNm，天轮架每根25锚杆最大弯曲应力满足下式要求：max=Mmax/wx式中：max每根25锚杆最大弯曲应力；Mmax每根25锚杆最大弯矩，Mmax=0.371kNm；wx25钢筋截面系数，wx=D3/32=1.53cm3；材料许用应力，螺纹钢许用应力为310MPa；max=Mmax/wx=0.3711000/1.53=242.48MPa=310MPa。因此，天轮架固定锚杆弯曲应力满足应力强度要求。2）天轮架固定锚杆拉应力分析在F2作用下天轮架固定锚杆承受拉力，其拉力产生的拉应力必须满足下式要求：=（F牵+F2）/A*N式中： F牵钢丝绳牵引力，F牵=27.73kN F2钢丝绳牵引力沿竖直方向的分力，F2=10.18kN； A25钢筋截面面积，A=D2/4=490.625mm2； N锚杆数量，N=20； 材料许用应力，螺纹钢许用应力为310MPa； =（F牵+F2）/A=（27.73+10.18）1000（490.62520）=3.86MPa=310MPa；因此，天轮架固定锚杆拉应力满足应力强度要求。天轮架承受的拉力F牵+F2=37.91kN远远小于20根25锚杆的锚固力（20127=2540kN），所以锚杆锚固力及钢筋拉应力均满足使用要求。4.2 尾水调压井升管段二次扩挖及支护提升系统安全分析尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中，总共布置两套提升系统，两套提升系统分别为井盖提升系统，载人、载物吊笼提升系统。其中载人、载物提升系统严禁人料混装，载人时不允许载物，载物时只允许搭载一名指挥人员且物料在吊笼中要摆放稳固。提升系统的安全分析从钢丝绳的安全系数、绞车（卷扬机）安全系数、绞车（卷扬机）抗倾覆分析等方面进行分析。4.2.1提升系统钢丝绳安全分析根据水电水利工程施工通用安全技术规程（DLT5370-2007）第9.2.5条表9.2.8-1的要求，载人的升降机、吊篮钢丝绳的最小安全系数为14，其余起吊重物的钢丝绳最小安全系数为6。尾水调压井开挖及支护施工中提升井盖的钢丝绳和吊笼稳绳均选用公称抗拉强度1670Mpa，直径为26mm的637s+FC纤维芯钢丝绳。吊笼牵引钢丝绳选用公称抗拉强度1670Mpa，直径为32mm的637s+FC纤维芯钢丝绳。由一般用途钢丝绳（GBT20118-2006）表19查得公称抗拉强度1670Mpa，直径为26mm的637s+FC纤维芯钢丝绳的最小破断拉力为373kN，直径为32mm的最小破断拉力为564kN。钢丝绳破断拉力总和=钢丝绳最小破断拉力1.191，因此公称抗拉强度1670Mpa直径为26mm的637s+FC纤维芯钢丝绳的破断拉力总和=1.191373=444.243kN，直径为32mm的钢丝绳破断拉力总和=1.191564=671.7kN。钢丝绳安全系数K=钢丝绳破断拉力总和钢丝绳牵引力。尾水调压井升管段二次开挖及支护施工中，井盖提升系统钢丝绳的牵引重量为2.773吨（井盖自重及载重2.5吨；钢丝绳最大长度115.5m，共0.273吨），钢丝绳牵引力为27.18kN。载人、载物吊笼提升系统钢丝绳的牵引重量为3.04吨（吊笼自重1.5吨，材料1吨（载人时限载4人，75kg/人），钢丝绳最大长度180m，自重0.54吨），钢丝绳牵引力为29.79kN。因此，井盖提升系统钢丝绳安全系数K=444.2327.18=16.346；由于载人、载物的吊笼牵提升系统在上升启动或下降制动时钢丝绳所受的荷载最大，钢丝绳最大荷载为Fmax，根据建筑卷扬机（GB/T1955-2008）附录B的要求，钢丝绳的最大荷载（Fmax）按下式计算：式中：k不均匀系数，k=1.22考虑弹性影响的动载系数，2为1.52.0，本次计算取2.0；a空中悬吊载荷上升启动或下降制动时的加速度或减速度，根据提升设备要求不超过0.5，按0.5计算；g重力加速度，g=9.8m/s2；F牵吊笼匀速运行时钢丝绳的牵引力，F牵=29.79kN；Fmax紧急制动时钢丝绳受到的最大牵引力（含冲击荷载）；Fmax=（1+20.59.8）1.229.79=39.40kN；因此，载人、载物吊笼提升系统钢丝绳安全系数K=671.739.42=17.0414；所以，尾水调压井升管段二次开挖及支护施工中所用的两套提升系统钢丝绳的安全系数均满足规范要求。4.2.2提升系统安全分析根据水电水利工程斜井竖井施工规范（DL/T5407-2009）第7.1.2条的规定，提升吊笼的卷扬机的提升能力，应为计算最大提升力的1.5倍2倍。卷扬机安全系数K=卷扬机额定牵引力卷扬机计算最大提升力。尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中，总共布置两套提升系统，其中1台10t卷扬机提升井盖，2台10t绞车通过一根直径为30mm的钢丝绳同步牵引吊笼，卷扬机及绞车额定牵引力均为100kN。由上述计算得出：井盖提升系统卷扬机最大提升力为27.18kN，载人、载物吊笼提升系统绞车最大提升力为39.40kN。因此，井盖提升系统卷扬机安全系数K=10027.18=3.68；载人、载物吊笼提升系统绞车安全系数K=100（39.42）=5.08；所以尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中布置的两套提升系统提升设备安全系数均满足水电水利工程斜井竖井施工规范（DL/T5407-2009）和水电水利工程施工通用安全技术规程（DL/T5370-2007）的要求。4.2.3 设备抗倾覆及固定锚杆受力分析1）设备抗倾覆分析设备预埋螺栓固定锚杆采用25锚杆进行固定，锚杆入岩2m，外露0.25m。根据锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）第4.2小节，采用全长粘结型25普通水泥砂浆锚杆，水泥砂浆强度M30，42钻孔。尾水调压井升管段二次扩挖施工井口卷扬机固定锚杆锚固力：Nt=LaDqr/K式中：Nt锚杆锚固力（kN）；La锚杆锚固长度，取200mm；K安全系数，取1.6；D锚固体直径，取42mm；qr水泥结石体与岩石孔壁间的粘结强度设计值，取1.0Mpa。代入以上数值：Nt=LaDqr/K=20003.144211.6=164.86kN。25螺纹钢筋最大拉力F=A；式中：F25锚杆（M30螺栓）最大拉力；A25钢筋截面面积，A=D2/4=490.625mm2；材料许用应力，螺纹钢许用应力为310MPa；F=A=310106490.62510-6=152094N=152.094kN。根据广东清远抽水蓄能电站水道及厂房土建工程招标文件的要求，25锚杆拉拔力为127kN，经现场进行锚杆拉拔试验，25锚杆的锚固力均可达到127kN，综述以上计算和要求，尾水调压井井口设备预埋螺栓固定锚杆采用入岩2.5m，M30砂浆注浆的25锚杆其每根锚杆拉拔力均按127kN进行受力分析时，锚杆的锚固力和钢筋的拉力均满足要求。根据卷扬机生产厂家提供的相关数据得知，底座预埋螺栓采用M30螺栓，M30螺栓能够承受比25钢筋更大的拉力，因此可以按照每根螺栓最大承受127kN的拉力对设备进行抗倾覆计算。通过对尾水调压井两套提升系统的分析，井盖提升系统卷扬机所受到的牵引力与水平地面的夹角最大（22.38），因此该卷扬机倾覆的可能性最大，所以选用该卷扬机进行抗倾覆分析。卷扬机抗倾覆分析简图见下图。图3 卷扬机抗倾覆计算简图根据江正荣编著的建筑施工手册（中国建筑工业出版社出版）第13.2.4节卷扬机底座压重计算的相关知识，在F牵的作用下，井盖提升系统卷扬机存在绕图中A点所示位置倾覆的可能，要保证提升设备不绕A点倾覆，下式必须成立：式中：F底座固定锚杆锚固力，F=127KN；F牵卷扬机牵引力，F牵=26.20KN；Fx卷扬机牵引力沿水平方向的分力，Fx=F牵cos22.38=24.23KN；Fy卷扬机牵引力沿竖直方向的分力，Fy=F牵sin22.38=9.98KN；G卷扬机自重，由于卷扬机自重不明确，但不影响卷扬机的抗倾覆分析，因为卷扬机自重有利于卷扬机的稳定，当忽略卷扬机自重时分析卷扬机的稳定性时，如果满足要求，则在实际中考虑卷扬机自重时卷扬机一定不被倾覆，因此，在此取G=0；a、b、e、h符号意义见图2；经实测a=0.598m，b=1.542m；经分析e=0.503m，h=0.304m；将以上数据代入中进行分析：；所以，尾水调压井升管段二次扩挖及支护井盖提升系统卷扬机抗倾覆计算满足要求，即井盖提升系统卷扬机在牵引力的作用下没有倾覆的可能性。绞车严格按照厂家要求进行基础处理及安装，在此不再进行抗倾覆计算。注：图3中卷扬机的外形尺寸均根据现有10吨卷扬机实测所得， 10吨卷扬机尺寸若与图3中差别较大，我部将按照此分析方法根据10吨卷扬机尺寸进行抗倾覆验算。2）卷扬机固定锚杆受力分析同样以提升井盖的卷扬机提升系统为分析对象对卷扬机（绞车）固定锚杆进行受力分析，分析简图参照上图3。（1）抗剪验算卷扬机采用M30螺栓进行固定，每根螺栓采用至少一根25锚杆（入岩2m，外露0.25m）进行固定，根据厂家提供相关数据，卷扬机固定螺栓不少于8根，因此现场施工时至少布置8根锚杆对卷扬机固定螺栓进行固定。卷扬机预埋螺栓固定锚杆抗剪能力应满足下式要求：KcFx/（8d24）fv式中：Kc安全系数；Fx卷扬机牵引力沿水平方向的分力，Fx=24.23kN；d固定锚杆直径；fv钢材抗剪强度设计值；根据钢结构设计规范（GB50017-2003）第3.4.1条，fv=170MPa。取安全系数Kc=2.0，将数值代入公式得：2.024230/（83.14d24）170得：d5.74mm所以，尾水调压井升管段二次扩挖施工井口布置的两台卷扬机提升设备选用8根25锚杆满足抗剪强度要求。（2）抗拉验算井盖提升系统卷扬机每根锚杆所受的拉拔力F=Fy8=9.988=1.248kN，其每根锚杆实际所受的拉拔力远远小于每根锚杆能够承受的最大拉力127kN，因此卷扬机固定锚杆所受拉力满足抗拉强度要求。4.2.4 载人、载物吊笼结构计算载物吊笼笼体四角采用4根807的等边角钢，在两个对立的侧面布置两根10槽钢，在吊笼运行中4根807的等边角钢和两根10槽钢承受拉力，吊笼自重1.5吨，运送材料不超过1吨，吊笼本体所受最大拉力为25KN（2.5吨），4根807的等边角钢和两根10槽钢每根型钢均承受F=256=4.17KN的拉力。型钢拉应力满足下式要求：=F/A式中：F型钢承受的最大拉力；A型钢截面面积，10槽钢：A=12.748cm2；807等边角钢：A=10.76cm2。材料许用应力，Q235型钢许用应力为215MPa；因此，对于10槽钢：=4.1710312.74810-4=3.27MPa=215MPa；对于807等边角钢：=4.1710310.7610-4=3.88MPa=215MPa；所以，吊笼笼体的主受力杆件满足吊笼运行时拉应力的强度要求。吊笼底面四周框体采用10槽钢，在框体中间横向设置一根10槽钢，纵向（图示方向）每排布置3根504等边角钢，总共布置两排，每排角钢均和框体10槽钢和框体中间的10槽钢焊接在一起。第一根10槽钢和相邻504等边角钢的布置间距为300mm，504等边角钢之间的布置间距为275mm。由于10槽钢的截面抵抗弯矩（截面系数）大于504等边角钢的截面抵抗弯矩，所以吊笼底面（顶面）受力的薄弱点是504等边角钢，角钢长为0.6m，其所能承受承受的最大荷载满足下式要求：Mmax/wx式中：Mmax最大弯矩；wx材料截面系数，504等边角钢wx=6.71cm3；材料许用应力，Q235钢材许用应力为215MPa；Mmaxwx=6.7110-6215106=1442.65Nm；对于单根0.6m长504等边角钢其最大弯矩出现在角钢中心承受集中荷载F作用力时，此时Mmax=0.3F，综合上面分析结果有0.3F1442.65，得F4809N，即每根0.6m长504等边角钢最大可承受481kg的重量。所以吊笼底面能够最小（因为是按集中荷载分析角钢受力，实际使用中应该是分散或均布荷载，其角钢承受分散或均布荷载的能力要超过集中荷载，因此按照集中荷载考虑的承载量应该是最小承载量）承受48123=2886kg的重量，所以对于载重量1吨吊笼底面采用6根504等边角钢完全满足要求。吊笼底面采用3mm厚花纹钢板，取其附图4俯视图中阴影部分的钢板进行受力分析，钢板长为600mm，宽为300mm，假定钢板只是在宽度方向两侧与型钢焊接牢固，钢板受力最不利的情况时钢板中部受线性的集中荷载F，其受力分析如下：Mmax/wx式中：Mmax最大弯矩；wx材料截面系数，3mm花纹钢板（300mm600mm）其截面系数wx=bh2/6=600.32/6=0.9cm3；材料许用应力，Q235钢材许用应力为215MPa；Mmaxwx=0.910-6215106=193.5Nm；Mmax=F30010-3/2=15010-3F所以：15010-3F193.5，得F1290N，即3mm厚尺寸为0.6m0.3m的花纹钢板最大可承受1290N的荷载，其每平米可承受1290（0.60.3）=7167N的荷载。每0.4m2的面积上应能承受0.47167=2867N载荷的作用，其满足规范水利水电工程施工安全防护设施技术规范（DLT5162-2002）第10.5.5条的规定载人吊笼每0.4m2的面积上至少能承受1500N载荷作用的要求。4.2.5 提升系统滑轮根据水利水电工程施工安全防护设施技术规范（DLT5162-2002）10.5.4条的规定，滑轮的名义直径与钢丝绳名义直径之比不得小于40。按照此规定，尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中所用的滑轮名义直径最小应为1040mm（直径为26mm的钢丝绳）和1280mm（直径为32mm的钢丝绳）。但实际情况是在尾水调压井大井二次扩挖前安装的天轮架没有足够的空间（天轮架与尾水调压井穹顶之间的距离）来安装直径为1040mm的天轮。载人、载物吊笼的顶部尺寸为1.2m1.2m，其顶部安装两个滑轮，如果按照规定在吊笼上布置两个直径为1280mm的滑轮，则其滑轮两侧的钢丝绳之间的距离将超过2560mm，而该距离已经超过了井口施工平台预留吊物孔的宽度（1870mm）。根据以上分析，若要满足水利水电工程施工安全防护设施技术规范（DLT5162-2002）10.5.4条“滑轮的名义直径与钢丝绳名义直径之比不得小于40”的规定，则必须将前期已经安装好的天轮架和井口施工平台拆除，重新加工并安装天轮架和井口施工平台。由于目前尾水调压井大井已经开挖结束，安装天轮架和井口施工平台已不具备条件，况且经过上述分析天轮架和井口施工平台完全满足尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工的要求。鉴于以上种种原因。在此不按照水利水电工程施工安全防护设施技术规范（DLT5162-2002）10.5.4条的规定选用所需用的各种滑轮。钢丝绳选用637s+FC，钢丝细软；吊笼采用两台同步牵引，相对滑轮不动，为平衡滑轮，因此转向滑轮及天轮参照起重机用铸造滑轮直径的选用系列与匹配（JB/T9005.2-1999）表1的要求设计并加工。吊笼顶部滑轮按照附图4进行加工。4.3 井口施工平台结构分析尾水调压井井口施工平台主梁采用两根I32a工字钢，次梁采用I18a工字钢，主梁一端（靠近尾调通气洞一端）固定在尾调通气洞底部围岩上，另一端用16根25锚杆（锚杆长5m，入岩4.5m）焊接在主梁上对平台进行反拉固定。井口施工平台要满足尾水调压井升管段二次扩挖及支护施工中的使用要求，由于荷载均作用在井口施工平台主梁上，因此在正常的使用条件下，井口施工平台主梁必须满足一定的强度要求，井口施工平台结构图详见附图12，结构分析简图详见图4和图5。施工平台总长13.3m，悬空部分长11.7m，剩余1.6m范围内用地锚锚固在井口基岩面上。在进行施工平台结构强度安全分析时，为了简化计算，将井口施工平台中间的反拉钢筋忽略，只考虑端部反拉钢筋的作用。图4 井口施工平台结构计算简图1图4为载人吊笼提升系统运行时，井口施工平台的受力简图，在F牵的作用下，井口施工平台受到牵引力水平分力、竖直分力以及施工平台自重、井架自重和反拉钢筋、井口固定端支座反力（力矩）等的共同作用。其中牵引力的水平分力Fx对井口施工平台产生一弯矩，竖直分力Fy直接作用在施工平台上，和其他荷载一起使得施工平台受压。图4可简化为图5。图5 井口施工平台结构计算简图2图中：F牵载人吊笼提升系统钢丝绳计算最大牵引力（含冲击荷载），F牵=39.4kN；牵引钢丝绳与水平面的平均夹角，=（12.49+8.54）2=10.52；FxF牵沿水平方向的分力，Fx=F牵cos=39.4cos10.52=38.74kN；FyF牵沿竖直方向的分力，Fy=F牵sin=39.4sin10.52=7.19kN；G井架1自重，G=12.74kN（井架1自重1.3吨）；q施工平台自重均布荷载，施工平台自重3.974吨（38.95kN），施工平台总长13.3m，所以q=38.9513.3=2.93kN/m；F施工平台固定端支座反力；f施工平台反拉钢筋反拉力；M1Fx对井口施工平台主梁产生的弯矩，M1=5170Fx=470038.74=182078kNmm=182.08kNm；M2井口施工平台固定端弯矩；由图5得以下三式：F+f=11.7q+G+Fy；11700f-1/211700（11.7q）-6400（G+Fy）+M1-M2=0；M1+M2=0；代入数值得：F=26.17kN；f=28.04kN；M2=182.08kN