大埋深投料豎井溜管輸送混凝土應(yīng)用研究

(山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 運城 044000)

1 工程簡介

山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市境內(nèi)，工程總體走勢為東南—西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫區(qū)引水，向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。工程南依黃河與河南隔河相望，北及涑水河與臨汾市接壤，東與晉城市相連，涵蓋了運城市中東部的大部分地區(qū)。工程建設(shè)任務(wù)是解決運城市的鹽湖區(qū)、聞喜縣、絳縣、夏縣、垣曲縣五縣(區(qū))農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水問題，年引水量為2.47億m3。工程引水干線主要建筑物包括輸水線路、進水塔、泵站、調(diào)蓄水庫和末端出水池。輸水干線線路總長59.60km，布置有兩條隧洞和一座箱涵，縱坡均為1/3000。其中,1號隧洞為圓形壓力洞，長5.77km，洞徑5m；2號隧洞為無壓洞，長52.80km，巖石洞段為城門洞形，底寬3.80m，頂拱為半圓型，總凈高5m。

施工Ⅴ標7～9號支洞及其控制主洞即為小浪底引黃工程2號隧洞巖石洞段的一部分，其中8～9號支洞及其控制主洞均在中條山東麓群山內(nèi)，埋深約250～420m。隧洞采用先開挖初支，后C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度為：Ⅲ類圍巖30cm，Ⅳ類圍巖35cm，Ⅴ類圍巖40cm。

2 襯砌混凝土運輸方式選擇

7號支洞為平洞，汽車運輸，縱坡i=15.4%，8號、9號支洞均為斜井，絞車有軌運輸，縱坡分別為i=36.6%、i=31.3%。8號、9號支洞及其控制主洞段7.23km開挖任務(wù)已全部完成，其中，8號支洞控制主洞上游繼續(xù)向7號支洞方向開挖，8號支洞交叉口以下5.57km具備襯砌條件。

原計劃7～9號支洞控制主洞襯砌混凝土全部在7號支洞洞外拌和，用混凝土罐車運輸，但7號支洞控制主洞下游處于擔(dān)山石組(Z1d)含礫石英巖、余家山組(Ptzyj)白云山大理巖角度不整合接觸帶和中條山東麓深大斷裂帶內(nèi)，隧洞橫穿斷裂帶寬度約1.2km，開挖過程中經(jīng)常發(fā)生塌方、突水、涌泥等不良地質(zhì)情況，導(dǎo)致實際開挖進度嚴重滯后于計劃進度，目前借用8號上游工作面兩面同時進行開挖。在控制總工期不變的前提下，只能通過優(yōu)化混凝土襯砌施工組織來實現(xiàn)。

3 方案比選

根據(jù)現(xiàn)場情況，初步確定混凝土運輸三種備選方案。

9號支洞絞車運輸方案：9號支洞絞車運輸拌和干料至交叉口，二次加水拌和，罐車運輸至施工工作面。

8號支洞皮帶機運輸方案：8號支洞加皮帶機，運輸拌和干料至交叉口，二次加水拌和，罐車運輸至施工工作面。

8～9號支洞之間溜管豎井運輸方案：從8～9號支洞之間合適位置打豎井，用豎井內(nèi)溜管輸送熟料混凝土至洞內(nèi)，混凝土罐車運輸至施工工作面。

3.1 技術(shù)比較

3.1.1 9號支洞絞車運輸方案

洞內(nèi)布置拌和站，拌和干料在洞內(nèi)二次加水攪拌，考慮運輸和倒運過程中原材料不可控掉落損失，對質(zhì)量會稍有影響；施工時對絞車鋼絲繩進行定期檢測、軌道日常進行維護檢修，絞車運輸混凝土較安全；由于鋼筋、拌和干料等均需從9號支洞絞車運輸進洞，因運輸效率低且洞內(nèi)潮濕，不可存放拌和干料，導(dǎo)致投入人力物力大、工效低，試運行后平均一天只能完成一倉(10m)底板混凝土襯砌。預(yù)測完成8～9號支洞5.57km長的混凝土襯砌任務(wù)約需980天。

3.1.2 8號支洞皮帶機運輸方案

洞內(nèi)布置拌和站，拌和干料在洞內(nèi)二次加水攪拌，可保證混凝土拌和、澆筑質(zhì)量要求；大坡度皮帶機易產(chǎn)生“飛車”現(xiàn)象，對人員和設(shè)備產(chǎn)生極大的安全隱患；支洞斷面小，皮帶機、絞車同時運行和日常維護存在較大安全風(fēng)險；單工作面兩套臺車跳倉施工，鋼筋從9號支洞運輸下料。預(yù)測完成8～9號支洞5.57km長的混凝土襯砌任務(wù)約需580天。

3.1.3 8～9號支洞之間溜管豎井運輸方案

提高混凝土拌和物坍落度檢測頻率可保證拌和物質(zhì)量；增加配料器限制投料速度、溜管安裝緩沖器可保證下料過程中拌和物質(zhì)量，避免骨料分離；洞內(nèi)增加儲料器可保證混凝土澆筑質(zhì)量要求；8～9號支洞之間投料豎井溜管運輸方案，洞內(nèi)豎井底部30m范圍堵水灌漿、鋼絲繩吊裝溜管措施可保證施工、運行安全；雙工作面施工，鋼筋分別從8號、9號支洞運輸下料。預(yù)測完成8～9號支洞5.57km長的混凝土襯砌任務(wù)約需390天。

3.2 經(jīng)濟可行性比較

由于9號支洞絞車運輸方案預(yù)測工期過長，故排除此方案；采用8號皮帶機運輸方案進行混凝土澆筑總費用約785.44萬元；采用8～9號支洞之間投料豎井溜管運輸方案進行混凝土澆筑總費用422.80萬元。

3.2.1 一次性投入費用

采用8號支洞皮帶機運輸方案一次性投入費用約351.19萬元，其中包括洞外拌和系統(tǒng)、皮帶機運輸系統(tǒng)、洞內(nèi)儲料倉和洞內(nèi)二次拌和系統(tǒng)等費用；采用8～9號支洞之間投料豎井溜管運輸方案一次性投入費用約345.69萬元，其中包括洞外拌和系統(tǒng)、投料豎井系統(tǒng)、洞內(nèi)儲料倉和洞內(nèi)接料系統(tǒng)等費用。

3.2.2 運行維護費用比較

采用8號支洞皮帶機運輸方案運行維護費用約106.70萬元，主要包括增配人工費、備品備件等費用；采用8～9號支洞之間投料豎井溜管運輸方案運行維護費用約17.65萬元，其中包括拔管、磨損件更換和備品備件等費用。

3.2.3 隧洞襯砌混凝土澆筑費用比較

8號支洞皮帶機運輸方案增加運輸費約214.27萬元，二次拌和費用約113.28萬元；8～9號支洞之間投料豎井溜管運輸方案增加運輸費用約59.45萬元。

通過上述比較分析，綜合考慮，采用8～9號支洞之間混凝土投料豎井溜管運輸方案。

4 方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場施工條件、埋深和附近圍巖地質(zhì)情況，選定豎井位置在距離8號支洞口約2.30km的河道右岸臺地樁號30+390附近，該處洞頂埋深約255m，地層為涑水群衛(wèi)家?guī)X組(Asw)，巖性為混合巖化黑云斜長、二長片麻巖夾斜長角閃巖，該洞段圍巖較完整，洞室整體穩(wěn)定性較好，洞內(nèi)滲漏水少。

4.1 設(shè)計難點和要點

方案設(shè)計難點主要是隧洞埋深大，打設(shè)豎井深，目前國內(nèi)最深混凝土豎井不到200m，該豎井為255m，因此，對豎井垂直度、混凝土輸送過程等方面提出更高要求。

方案設(shè)計要點主要是緩沖器設(shè)計和配合比調(diào)試。

參考其他工程上相關(guān)經(jīng)驗并咨詢相關(guān)專家，選擇了較經(jīng)濟簡便、易操作、可現(xiàn)場加工的三角斜錐形擋板緩沖器，后經(jīng)實驗室反復(fù)試驗論證，確定擋板斜面與溜管軸線以成45°～50°夾角為宜，緩沖器間距6m。

通過實驗室調(diào)試結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，確定配合比(重量比)，膠凝材料∶水∶砂∶石=1∶0.45∶1.94∶2.78。

4.2 豎井方案

根據(jù)樁號30+390附近地形地貌，編制了投料豎井施工方案：在投料豎井附近安裝一座JZC500拌和站，混凝土拌和熟料通過溜槽進入井口3m3儲料斗，通過帶有自動計量裝置的接料斗垂直下料至投料豎井混凝土溜管內(nèi)，輸送至洞內(nèi)5m3儲料斗，再用8m3罐車運輸混凝土至工作面。

4.2.1 混凝土投料豎井

混凝土投料豎井布置在樁號30+390處。圖1為豎井示意圖。

圖1 豎井示意圖

豎井孔徑600mm，孔深約255m；井壁管為φ529×6mm螺旋鋼管，每節(jié)長12m，對焊連接，井壁管周圍回填水泥漿固定；溜管為φ219×8mm無縫鋼管，每節(jié)長6m，溜管采用法蘭連接，溜管上下端固定，中間每隔50m設(shè)一環(huán)形膠墊，防止溜管晃動碰撞井壁；溜管每隔6m設(shè)置一組三角斜錐形擋板緩沖器(見圖2)。

圖2 緩沖器

4.2.2 吊裝

溜管采用法蘭連接，法蘭與管道焊接，再與管道周邊加筋焊接，溜管上每隔12m焊接吊點(見圖3)，吊點距法蘭約50cm，采用雙筒卷揚機安拆溜管，每次安拆12m，人工配合倒鏈卸管至附近場地。

圖3 每12m焊接吊點

4.2.3 洞內(nèi)儲料斗

投料豎井下方布置容積為5m3儲料斗，采用I20a工字鋼制作支架，底部下料口設(shè)置弧形開關(guān)板，并配備附著振搗器。

4.3 注意事項

投料豎井井口、井底固定，確保系統(tǒng)安全；投料豎井孔深約255m，無檢修空間，井口布置卷揚機吊裝系統(tǒng)，確保發(fā)生堵管后能夠起吊處理；選擇合適的混凝土配合比、外加劑，保證混凝土順利輸送；通過井口計量系統(tǒng)控制下料速度，在溜管內(nèi)增加緩沖器減小混凝土下料速度，避免溜管、緩沖器短期內(nèi)被擊穿和溜管堵管現(xiàn)象；通過混凝土運輸系統(tǒng)輸水洗管，洞內(nèi)沉淀排水；溜管運行期間保證上下電話通信暢通，如出現(xiàn)問題即刻停止。

4.4 質(zhì)量安全保證措施

每次投料前用清水濕潤溜管，投入砂漿后，再勻速下混凝土料，投料完畢，及時洗管；試驗人員常駐現(xiàn)場，混凝土澆筑時及時調(diào)整施工配合比、檢驗混凝土坍落度；每澆筑5000m3混凝土檢修溜管一次，提升溜管，逐節(jié)檢修維護更換破損管件。

5 投料豎井施工方案

5.1 投料豎井

在樁號30+390處布置投料豎井，孔徑600mm，孔深約255m，垂直度保證在0.5°/200m以內(nèi)，安裝φ529×6mm螺旋鋼管做護壁管，安裝φ219×8mm無縫鋼管做溜管運輸混凝土，溜管采用法蘭連接，每6m設(shè)置一組緩沖器。

5.1.1 鉆井

采用WTD-L800鉆機鉆井，由30.3m3/min螺桿空氣壓縮機供風(fēng)，鉆井步驟為：一開鉆進→二開先導(dǎo)孔鉆進→三開擴孔。

一開鉆進：地表覆蓋層采用φ400空氣潛孔錘鉆穿覆蓋層并鉆進完整基巖0.5m，每5m進行測斜糾偏，土層段用φ377×6mm護管。

二開先導(dǎo)孔鉆進：采用φ255空氣潛孔錘鉆孔至設(shè)計深度，完整基巖層每25m進行測斜糾偏。

三開擴孔：采用φ355、φ600空氣潛孔錘分兩次擴孔至設(shè)計深度、設(shè)計孔徑，安裝護壁管。

5.1.2 安裝護壁管固井

鉆孔完成后，用20t汽車吊安裝φ529×6mm護壁管，護壁管每節(jié)長12m，管道焊接連接，焊接方式為對焊、加筋幫條焊；采用泥漿泵灌注水泥漿固結(jié)井壁與護壁管之間的間隙，防止井壁掉塊、垮塌、涌水、涌沙等，水泥漿液水灰比1∶1～0.5∶1。

5.1.3 廢棄物處理

為滿足環(huán)保要求，在河道右岸開挖長5m、寬5m、深2m的儲渣池，先導(dǎo)孔施工期間人工配合裝載機清理廢棄物至儲渣池，采用15t自卸汽車定期清理廢棄物運至8號支洞棄渣場；擴孔石渣采用8號支洞洞內(nèi)8t自卸汽車運至主支交叉口，絞車運至洞外，15t自卸汽車倒運至棄渣場。

5.2 安拆溜管

5.2.1 溜管安拆方法

溜管每節(jié)6m，采用法蘭連接，法蘭與管道焊接，再與管道周邊加筋焊接。圖4為法蘭與管道焊接示意圖。

圖4 法蘭與管道焊接示意圖

溜管上每隔12m焊接吊點，吊點距法蘭約50cm，每次安拆12m，安拆溜管時須拆除井口溜槽、儲料斗和計量器等。在井口位置安裝高13m的龍門架，龍門架用I20a工字鋼制作，采用10t雙筒卷揚機通過滑輪組利用200mφ16鋼絲繩(6×7+FC)在孔口安拆溜管，人工配合2t倒鏈拆卸管至附近場地，滑輪組由2個動滑輪、2個定滑輪和1個地輪組成，滑(地)輪自重均為90kg，滑輪直徑350mm，起重力60kN。

5.2.2 溜管安拆配套設(shè)備選型計算

φ219×8mm溜管：38.48kg/m×250m=9.62t。

混凝土堵管按照125m計：2400kg/m3×3.43m3=8.23t。

鋼絲繩承重：(9.62t+8.23t)/4根=4.46t。

初步選擇直徑16mm、6×7+FC(公6股、每股7根的纖維芯)鋼絲繩，長度200m，重約200kg,公稱抗拉強度1960MPa，鋼絲繩最小破斷拉力Q=167kN；

該工程實際提升最大靜力：Pmax=(4.46t+0.2t/4)×1000×10/1000=45.1kN，鋼絲繩安全系數(shù)K=Q/Pmax=167/45.1=3.7。

卷揚機選擇：鋼絲繩起重量4.46t+0.2t/4=4.51t，選擇起重量10t雙筒卷揚機。

5.3 洞內(nèi)儲料斗

5.3.1 開挖支護

將樁號30+386.43～30+393.03范圍內(nèi)原Ⅲ類圍巖洞段側(cè)頂拱擴挖至斷面尺寸寬×高=5.2m×7.0m，采用I20a鋼拱架掛網(wǎng)噴漿支護，鋼拱架間距約1m，C20混凝土噴護厚度20cm。

5.3.2 堵水灌漿

安裝間開挖完成后，上下游各15m進行固結(jié)灌漿堵水，灌漿孔間排距2m×2m，孔深3～5m。

5.3.3 儲料斗安裝

儲料斗容積為5m3，底部下料口設(shè)置弧形開關(guān)板，并配備附著振搗器。

5.3.4 廢水處理

安裝間附近布置長3m、寬2m、深1m的沉淀池，收集洗管廢水，沉淀池內(nèi)安裝15kW水泵排水至附近集水井，利用8號支洞下游排水系統(tǒng)排至主支交叉口集水井；定期清理沉淀池淤積物，采用8號支洞洞內(nèi)8t自卸汽車運至主支交叉口，絞車運至洞外，15t自卸汽車倒運至棄渣場。

5.4 拌和系統(tǒng)

拌和系統(tǒng)包括JZC500全自動上料拌和站、2個水泥儲料罐、1個粉煤灰儲料罐和砂石料倉等，采用彩鋼板封閉。拌和站基礎(chǔ)采用C25混凝土澆筑，料倉擋墻采用M7.5漿砌石砌筑；拌和系統(tǒng)場地采用C25混凝土進行硬化，混凝土厚度20cm。

6 溜管投料過程使用效果分析

小浪底引黃工程8～9號支洞之間隧洞襯砌均采用豎井溜管運輸混凝土方案施工，利用三角擋板緩沖器控制下落速度，保證溜管運輸混凝土拌和物的質(zhì)量。在豎井溜管及拌和系統(tǒng)安裝完成后，進行了10天生產(chǎn)性試驗，確定了混凝土配合比及坍落度等參數(shù)。在施工過程中發(fā)生過兩次堵管，經(jīng)檢測分析，一次是由于高溫大風(fēng)導(dǎo)致混凝土坍落度降低而引發(fā)；另一次是由于坍落度偏大、骨料離析后堆積在緩沖器處而引發(fā)。目前，已完成該段隧洞混凝土襯砌的1/3，施工強度在可控范圍內(nèi)。

7 結(jié) 語

小浪底引黃工程8～9號支洞之間隧洞襯砌采用投料豎井溜管運輸混凝土方案施工，在高埋深、施工支洞不能滿足運輸條件和運輸能力的條件下，最大限度地增加了襯砌施工面，保證了工期。利用三角斜錐形擋板緩沖器控制下落速度，保證溜管運輸混凝土拌和物的質(zhì)量。

為了保證隧洞混凝土襯砌質(zhì)量，在安裝和使用豎井溜管過程中應(yīng)注意以下問題：豎井開挖及溜管安裝應(yīng)保證垂直度，以減小混凝土投送過程對管壁的磨損，保證溜管的使用壽命；緩沖器的安裝距離應(yīng)通過試驗確定，距離過短會使混凝土下降速度過慢，易造成混凝土堵管，距離過長會使混凝土離析；每次投料前，應(yīng)先投放不少于5m3的砂漿，起到潤滑和保護溜管的作用，降低堵管概率；實驗員應(yīng)現(xiàn)場嚴格控制混凝土拌和物質(zhì)量，根據(jù)天氣、溫度不定時監(jiān)測出料口、入料倉等部位混凝土坍落度、和易性等指標；對不合格混凝土拌和物應(yīng)立即采取補救措施或廢棄；由于溜管輸送距離長，在隧洞內(nèi)需用混凝土罐車進行15～20min攪拌后方可投料到輸送泵使用；混凝土連續(xù)澆筑結(jié)束后，溜管必須用清水清洗干凈，防止砂漿累次集聚到管壁和緩沖器上，導(dǎo)致下次使用時發(fā)生堵管事故。