斜井長距離混凝土泵送技術(shù)

袁華俊,劉 野,劉則啟

(1.秦皇島市引青管理局,河北秦皇島 066000;2.遼寧地礦井巷建筑工程公司,遼寧朝陽 122000)

斜井長距離混凝土泵送技術(shù)

袁華俊1,劉 野2,劉則啟2

(1.秦皇島市引青管理局,河北秦皇島 066000;2.遼寧地礦井巷建筑工程公司,遼寧朝陽 122000)

以降云頂隧洞混凝土泵送為例,分析了斜井長距離混凝土泵送存在的問題、堵管機理及解決的方法,并論述了斜井長距離混凝土泵送設計與操作流程。

斜井;長距離;混凝土泵送;堵管

0 引言

在小斷面隧洞施工中,襯砌混凝土輸送方式有2種:一是礦車運輸,該種運輸操作簡單,但運輸時易產(chǎn)生混凝土離析而影響質(zhì)量,同時生產(chǎn)效率低、勞動強度大;二是混凝土泵送,泵送混凝土質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、勞動強度小,但存在泵送距離和堵管問題。隨著混凝土泵送設備與技術(shù)的發(fā)展,混凝土泵送越來越多地使用在隧洞施工中。引青濟秦東西線對接工程降云頂隧洞由斜井和主洞構(gòu)成,襯砌混凝土需經(jīng)過斜井轉(zhuǎn)到主洞內(nèi)。本工程泵送技術(shù)的難點是斜井泵送和長距離泵送。

1 工程概況

降云頂隧洞主洞全長3217 m,其中一標段主洞長1615 m。一標段共布置2個斜井和1個進口作為施工主洞的出入口。1號斜井長110 m,傾角23°,2號斜井長320 m,傾角16°。主洞斷面為馬蹄形,開挖直徑3.0 m,凈直徑2.4 m。隧洞平面布置圖見圖1。

2 混凝土泵送方案的確定

圖1 隧洞平面布置圖

混凝土泵送方案有2種:接力泵送和直接泵送。接力泵送就是由多臺混凝土泵接力式向前泵送,接力泵送需要將混凝土泵安放在井下主洞內(nèi)。此方案優(yōu)點是可解決斜井部位的堵管和長距離輸送;缺點是小斷面隧洞中,混凝土泵的體積受到限制,每個泵的輸送距離較短,需要多臺混凝土泵,機械故障多,管理不方便,費用高。直接泵送就是利用地表一臺混凝土泵直接將混凝土輸送到襯砌工作面。此方案優(yōu)點是設備用量少,管理方便;缺點是斜井部位和長距離輸送容易堵管,技術(shù)要求高。經(jīng)綜合考慮,確定采用直接泵送方案。

3 斜井泵送存在的問題及解決方法

3.1 存在的問題

當泵送管路向下傾角大于4°時,一般情況下,輸送管內(nèi)混凝土靠自重就可以克服與管壁間的粘滯力而下滑。本工程斜井角度大于16°,混凝土下滑是不可避免的?；炷料禄瑫a(chǎn)生2種后果:

(1)石子與砂漿分離,即產(chǎn)生混凝土離析現(xiàn)象;

(2)混凝土在下滑力作用下,首先聚集在斜井底部,使斜井輸送管形成密閉的空間,造成輸送管內(nèi)存儲有空氣。

3.2 堵管機理

斜井泵送堵管機理有2種。

(1)混凝土在輸送管內(nèi)下滑時,石子下滑得快,砂漿下滑得慢,從而造成石子與砂漿分離,石子將聚集在一起,由于石子沒有砂漿的包裹,石子與輸送管管壁之間的阻力將大增,從而造成堵管,而無法進行混凝土輸送。

(2)混凝土下滑到井底后,斜井底部管路首先被堵住,造成輸送管內(nèi)存儲有空氣,當空氣推動混凝土向前移動時,砂漿阻力小,走得快,石子阻力大,走得慢,從而造成砂漿與石子分離。同樣,由于石子沒有砂漿的包裹,石子與輸送管管壁之間的阻力增大,從而造成堵管,而無法進行混凝土輸送。另外氣體存在后,氣體將水析出,形成干節(jié),也可造成堵管。

3.3 解決的方法

為了解決石子與砂漿分離,可增加下滑阻力和調(diào)整混凝土配合比。具體方法如下:

(1)在斜井鋪管時,增加一些彎管;

(2)在開始泵送時,在輸送管內(nèi)塞入海綿橡膠球及浸濕的水泥袋;

(3)適當增加水泥摻量,減少石子用量,增加砂子用量,從而增加砂漿與石子的粘結(jié)力,減少石子聚集的可能性,待斜管內(nèi)充滿混凝土后,再改為正?；炷帘盟?。

為了防止輸送管內(nèi)存儲空氣,在斜管上端安裝排氣閥。在開始泵送混凝土時打開排氣閥;在斜管內(nèi)充滿混凝土后關(guān)閉排氣閥。斜段布管時要保證管路坡度一致,避免高低起伏太大,以防起伏段空氣無法放出,而存儲有空氣。若斜井坡度變化太大,在管路變坡處應安裝排氣閥排出輸送管內(nèi)的空氣。

4 長距離泵送存在的問題及解決方法

4.1 存在的問題

(1)混凝土在輸送管內(nèi)離析是客觀存在的,當輸送距離短時,混凝土離析還未達到堵管程度就被泵出管外,也就沒有發(fā)生堵管;當輸送距離長時,混凝土離析越來越嚴重,達到一定程度就發(fā)生了堵管;

(2)輸送管路加長后,可能堵管部位增多,堵管概率加大;

(3)混凝土在輸送管內(nèi)運行時間加長,會造成流動性下降,泵送阻力加大。

長距離泵送混凝土失敗的原因主要是長時間處理堵管,既浪費大量的混凝土,又沒有施工進度,最后不得不放棄泵送混凝土。

4.2 堵管機理

正常泵送的混凝土在管道中心形成柱狀流體,流動時呈懸浮狀態(tài),表面包有一層水泥漿,水泥漿作為潤滑劑與管壁接觸,骨料之間基本上不產(chǎn)生相對運動。當某些粗骨料運動受阻時,后面的粗骨料運動速度受其影響而滯緩,致使形成粗骨料集結(jié),而附近的砂漿被擠走,余下的間隙由小骨料填充,水泥漿潤滑層被破壞,運動阻力加大,速度變慢,直至運動停止而堵管。

4.3 解決的方法

造成堵管的因素很多,主要有混凝土原材料、混凝土配合比(水灰比、砂率、坍落度、外加劑)、混凝土拌和、混凝土泵、輸送管及管件、輸送管布設、泵送混凝土操作等。解決堵管問題應全面考慮、統(tǒng)一管理。解決堵管既是技術(shù)問題,也是管理問題。

5 斜井長距離混凝土泵送設計

本標段混凝土最難泵送位置為標段交界處,其布管線路:泵站到斜井洞口80 m,2號斜井320 m (傾角16°),2號斜井井底至標段交界470 m,合計泵送距離870 m。下面以此為例,介紹混凝土泵送設計。

5.1 輸送管路

5.1.1 對輸送管及管件的要求

(1)輸送管路在工作狀況下將承受較高壓力,應具有足夠的強度。

(2)為滿足骨料在輸送管路中的運行,應選擇適當直徑的輸送管。輸送管內(nèi)徑一般由混凝土中粗骨料的最大粒徑?jīng)Q定。由于管路中同一截面內(nèi)三個粗骨料的相互擠壓可引起堵管事故。所以,可按骨料最大粒徑的3～4倍選擇輸送管內(nèi)徑。此外,還應考慮管路對混凝土的摩擦阻力?；炷僚帕肯嗤瑫r,管路內(nèi)徑越小,混凝土流速越高,則摩擦阻力越大,也就需要較大的推送力。

(3)為滿足改變方向、口徑等要求,設有各種角度的彎管和錐管。為了減小輸送阻力,應盡量少使用彎管和錐管。

(4)為保證管路可靠的密封性能,應選用高壓管卡和高壓橡膠密封圈。輸送管連接是管路敷設的重要環(huán)節(jié),如果管卡部位密封不好,水泥漿將向管外泄漏,從而減少混凝土柱滑動所需的潤滑成分,增大了輸送阻力,嚴重時會出現(xiàn)混凝土離析現(xiàn)象,成為干混凝土,而發(fā)生堵管事故。另外在長距離混凝土輸送時,泵送壓力較大,易產(chǎn)生管卡損壞。

(5)管路內(nèi)壁應光滑,無銹蝕,無壓癟等缺陷,以減小輸送阻力。

5.1.2 輸送管及管件的選擇

根據(jù)工程特點、施工現(xiàn)場情況,輸送管均選用壁厚4.5 mm的高壓無縫鋼管,輸送管直徑125 mm,每根長度3.0 m。詳細輸送管及配件用量見表1。

表1 輸送管及管件用量一覽表

5.2 泵送設備

5.2.1 泵送設備的選擇

衡量混凝土泵技術(shù)性能的主要指標是:最大理論混凝土輸送量和最大泵送混凝土壓力。降云頂隧洞斷面小,設計每延米襯砌混凝土方量3.0 m3,每次澆筑20 m,包括超挖回填共需混凝土75 m3,每次澆筑混凝土方量不大。然而本工程要求的最大泵送距離為870 m,其中包含320 m斜井,折算成水平距離為1021 m,屬長距離輸送。根據(jù)最大泵送距離,結(jié)合施工現(xiàn)場情況,最終選用ZLJ5110THB型柴油車載混凝土泵1臺。

5.2.2 混凝土泵的技術(shù)性能

最大理論混凝土輸送量:87/58(低壓/高壓) m3/h;最大泵送混凝土壓力:14/9(高壓/低壓) MPa;額定功率:174 kW;允許最大骨料粒徑:碎石40 mm,卵石50 mm;混凝土輸送管內(nèi)徑:“125/150 mm;外形尺寸(長×寬×高):8890 mm×2490 mm× 3000 mm;總質(zhì)量:11020 kg。

5.2.3 混凝土泵的最大水平輸送距離驗算

根據(jù)混凝土泵的最大出口壓力、配管情況、混凝土性能和輸出量,按下式進行計算:

式中:Lmax——混凝土泵的最大水平輸送距離,m; Pmax——混凝土泵的最大出口壓力,14 MPa; ΔPH——混凝土在水平輸送管內(nèi)流動每米產(chǎn)生的壓力損失,Pa/m。

式中:k1——粘著系數(shù),k1=(3-0.1S)×100,Pa; k2——速度系數(shù),k2=(4-0.1S)×100,Pa/m/s; t1——在活塞推動下混凝土流動的時間;t2——分配閥的閥門轉(zhuǎn)換時混凝土停止流動的時間;t2/t1的比值約為0.2～0.3,取0.3;S——混凝土的坍落度,取22 cm;β——徑向壓力與軸向壓力之比值,取0. 9;V——輸送管內(nèi)混凝土平均流速,取0.83 m/s。

計算結(jié)果表明ZLJ5110THB型柴油車載混凝土泵能滿足施工要求。

5.3 混凝土原材料及配合比

5.3.1 粗骨料

粗骨料的最大粒徑與混凝土輸送管徑之比要控制在一定數(shù)值之內(nèi),目的是防止混凝土泵送時堵管。粗骨料的形狀對混凝土的泵送性能也產(chǎn)生影響,一般表面光滑的圓形或近似圓形的粗骨料比尖銳扁平的要好,因為后者單位體積的表面積比前者大,也就需要更多的砂漿去包裹其表面。根據(jù)混凝土泵、輸送管及工程實際情況,粗骨料選用“5～25 mm連續(xù)級配的碎石。

5.3.2 細骨料

細骨料對混凝土可泵性的影響遠大于粗骨料?；炷猎谳斔凸苤许樌鲃邮巧皾{潤滑管壁和粗骨料懸浮在砂漿中的緣故。實踐證明,中砂更適宜泵送。

5.3.3 水泥、粉煤灰與引氣劑

水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,對水泥的要求是和易性好,不易泌水。

泵送混凝土對細粉含量要求較大,為了減少水泥用量,在拌合物中摻入粉煤灰,粉煤灰摻量為水泥用量的10%～15%。摻入粉煤灰后可提高混凝土的和易性及可泵性,減少泌水和離析。

引氣劑可以提高混凝土的流動性和可塑性,減少泌水和離析。混凝土流動性增加后,可減小泵送壓力,從而提高泵送距離。引氣劑還可降低混凝土坍落度損失。因管路太長,混凝土從泵送開始到襯砌工作面,約需要40 min,若泵送過程中出現(xiàn)意外造成泵送中斷,時間會更長,所以引氣劑選用緩凝型,保證混凝土攪拌后3 h內(nèi)不初凝。

5.3.4 混凝土配合比

泵送試驗表明,泵送距離小于560 m時,坍落度可選19 cm;當泵送距離大于560 m時,坍落度控制在22 cm比較適宜。如果加大坍落度,混凝土易泌水,容易產(chǎn)生離析并形成堵管;如果減小坍落度,將增大泵送壓力,混凝土泵送困難,泵送距離受限制。泵送混凝土配合比見表3。

表3 C25泵送混凝土配合比

6 斜井長距離混凝土泵送操作流程

混凝土泵車啟動后,應先泵送適量的水以濕潤混凝土泵車的料斗、混凝土缸及輸送管內(nèi)壁等直接與混凝土接觸的部位。經(jīng)泵水檢查,確認混凝土泵和輸送管中無異物后,再泵送水泥漿、泵送1∶2水泥砂漿、泵送與混凝土內(nèi)除粗骨料外的其他成份相同配合比的水泥砂漿,其目的是進行混凝土泵和輸送管內(nèi)壁潤滑。

在泵送水泥漿前,需將用海綿球及水泥袋捆扎好的堵塞物塞入輸送管內(nèi),使水泥漿在管內(nèi)處于滿管狀態(tài),保證潤滑管路的整個管壁。正常施工中,泵送水泥漿3罐后改泵送水泥砂漿,水泥砂漿由稀漸變濃,泵送5罐左右,水泥用量逐漸接近設計用量,泵送無異常后,按設計配合比正常泵送。

開始泵送時,混凝土泵應處于慢速、勻速并隨時可反泵的狀態(tài)。正常泵送時,泵送要連續(xù)進行,避免停頓。遇有不正常情況,應放慢泵送速度。當混凝土供應不上時,寧可降低泵送速度,也要保持連續(xù)泵送。慢速泵送時,不能超過從攪拌到澆筑的允許延續(xù)時間。

短時間停泵,再運轉(zhuǎn)時要注意觀察壓力表,逐漸地過渡到正常泵送。長時間停泵,應每隔4～5 min開泵一次,使泵正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各兩個沖程。同時開動料斗中的攪拌器,使之攪拌3～4轉(zhuǎn),以防止混凝土離析。停泵時間超過2 h(視氣溫、坍落度而定),宜將混凝土從混凝土泵和輸送管中清除。

斜井泵送時,為防止輸送管內(nèi)存儲空氣,應將設置在管路中的排氣閥打開,在斜管內(nèi)充滿混凝土后再關(guān)閉排氣閥。

當混凝土泵出現(xiàn)壓力升高且不穩(wěn)定,油溫升高、輸送管明顯振動等現(xiàn)象時,不得強制泵送,應立即查明原因,采取措施排除?？上扔媚鹃城脫糨斔凸軓澒?、錐形管等易堵塞部位,并進行慢速泵送或反泵。

混凝土泵送結(jié)束前,應計算尚需混凝土的數(shù)量。輸送管內(nèi)的混凝土可采用泵水的方法泵送入倉。泵水前應從進料口塞入海綿球及捆扎緊的水泥袋,以免壓力水越過海綿球及水泥袋混入混凝土中,造成管路中的混凝土離析。泵水產(chǎn)生壓力可將混凝土推出同時清洗管壁。

最后,拆開混凝土管路,并對輸送管進行人工清洗。

7 其它注意事項

(1)嚴格執(zhí)行操作規(guī)程。在泵送前應作好施工準備,不能因其它原因造成停泵。

(2)斜井段輸送管要用錨桿固定好,用導鏈拉緊,防止泵送時管路下沉。

(3)塌落度不符合要求時,要及時將混凝土從料斗底部放掉,強行泵送極易造成堵管,切忌在料斗中加水攪拌。

(4)在進行反泵、正泵操作后仍未排除堵管時,應及時拆管清洗,否則會使堵管更加嚴重。

(5)加強管理,要將技術(shù)措施落實到實處。

8 結(jié)語

影響混凝土泵送的根本原因是堵管,斜井長距離泵送與常規(guī)泵送相比只是堵管機理的不同和增加了堵管的可能性。造成堵管的原因很多,我們應通過查找原因,分析機理,最終找到解決的方法。另外應加強管理,確保各項措施的落實。降云頂隧洞泵送實踐證明,斜井長距離泵送混凝土是可行的。

[1] JGJ/T 10-95,混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ 55-2000,混凝土配合比設計規(guī)范[S].

[3]GB 50119-2003,混凝土外加劑應用技術(shù)規(guī)范[S].

Long Distance Concrete Pump ing in Inclined Shaft

YUAN Hua-jun1,LIU Ye2,LIU Ze-qi2(1.Qinhuangdao City Yin-qing Authority,Qinhuangdao Hebei 066000,China;2.Liaoning Tunnel Corporation,Chaoyang Liaoning 122000,China)

By the concrete pumping case in a tunnel,the paper analyzed the existing problems of long distance concrete pumping in inclined shaft and the mechanis m of pipe blockingwith the solution;and also discussed the design and opera-tion process.

inclined shaft;long distance;concrete pumping;pipe blocking

TV554

A

1672-7428(2010)04-0078-04

2009-12-04

袁華俊(1971-),男(漢族),湖北黃崗人,秦皇島市引青管理局副局長、工程師,水工專業(yè),從事工程管理工作,河北省秦皇島市海港區(qū)八一路7號;劉野(1963-),男(滿族),遼寧鐵嶺人,遼寧地礦井巷建筑工程公司項目經(jīng)理、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事地下工程施工管理工作,遼寧省朝陽市長江路四段29號;劉則啟(1971-),男(漢族),湖北陽新人,遼寧地礦井巷建筑工程公司項目總工程師、高級工程師,探礦工程專業(yè),從事地下工程施工技術(shù)與管理工作。