改良型錨噴技術(shù)在敦化電站長(zhǎng)斜井中的應(yīng)用

石 春，程正邦，陳昌文，郝曉輝

（中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京 100120）

近年來，我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)較快，抽蓄電站利用高水頭發(fā)電，水道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必然有斜井工程。斜井開挖一般采用先導(dǎo)井后擴(kuò)挖方式，導(dǎo)井?dāng)嗝孑^小，多采用爬罐或反井鉆等機(jī)械開挖，除不良地質(zhì)段外，導(dǎo)井對(duì)支護(hù)要求不高。斜井?dāng)U挖斷面較大，一般采用鉆爆法施工，開挖后井壁采用錨噴支護(hù)技術(shù)進(jìn)行巖面封閉，不良地質(zhì)段還需增加鋼筋網(wǎng)片與錨桿聯(lián)合受力，確保支護(hù)的整體性，防止水汽侵蝕圍巖、受爆破擾動(dòng)后巖壁松動(dòng)石塊掉落，傷及井下作業(yè)人員或施工設(shè)備。錨噴作業(yè)成為斜井?dāng)U挖施工中必要的、不可或缺的工序，必須緊跟掌子面。然而工程現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，由于供風(fēng)站距離噴射機(jī)較遠(yuǎn)、預(yù)混料集料拌和投料流程、常規(guī)噴射機(jī)性能等原因，在長(zhǎng)距離斜井施工中，按照傳統(tǒng)噴射混凝土施工經(jīng)驗(yàn)，噴射機(jī)的最遠(yuǎn)噴射距離難以超過180m，難以繼續(xù)適應(yīng)長(zhǎng)斜井支護(hù)施工。因此，對(duì)噴射混凝土系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，研究適用于長(zhǎng)距離斜井施工的噴射混凝土技術(shù)，用以滿足安全管控、施工質(zhì)量和進(jìn)度控制。

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程共設(shè)計(jì)有4條斜井，分為上斜井和下斜井。上斜井單長(zhǎng)419.06m，開挖斷面為φ7.0m，下斜井單長(zhǎng)466.35m，開挖斷面為φ6.0m，傾角均為55°。斜井采用錨噴支護(hù)，噴射C20混凝土厚度10cm，設(shè)計(jì)噴射混凝土工程量3115.3m3。由于斜井開挖按照四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)管理，一次支護(hù)必須緊跟掌子面。錨噴混凝土采用PZ-5型噴射機(jī)，投放于上井口，人工上料，通過軟式錨噴管和噴頭在井下施噴。

2 混凝土噴射系統(tǒng)改良優(yōu)化

2.1 噴射混凝土原理

噴射混凝土是錨噴支護(hù)的一道工序。是將水泥和集料按照一定比例拌合后，以壓縮空氣為動(dòng)力，用噴射機(jī)將預(yù)拌混凝土以噴射方法覆蓋到需要支護(hù)的巖面上，凝結(jié)硬化后形成較密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)，與巖體粘結(jié)，封閉裸露圍巖，與錨桿或網(wǎng)片共同受力，達(dá)到支護(hù)目的。

噴射混凝土系統(tǒng)由噴射機(jī)、空氣壓縮機(jī)、攪拌機(jī)、上料機(jī)具、供水設(shè)施等組成：噴射機(jī)選型為PZ-5型轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機(jī)，該設(shè)備主要是用于干式（潮式）噴射混凝土；空氣壓縮機(jī)選用洞內(nèi)集中供風(fēng)站成套設(shè)備及管線；攪拌機(jī)為J-120型混凝土拌合站設(shè)備；上料機(jī)具為人工用鐵鍬兩人連續(xù)供料；供水設(shè)備為洞內(nèi)高位水箱及相連管路。

2.2 關(guān)鍵部位的優(yōu)化

2.2.1 供風(fēng)系統(tǒng)改造優(yōu)化

斜井開挖及支護(hù)施工采用集中供風(fēng)站和相配套管路供風(fēng)，空壓機(jī)站配套3臺(tái)阿特拉斯45/0.8型空壓機(jī)，供風(fēng)管采用焊接鋼管，法蘭連接，主管直徑200mm，支管直徑150~100mm，隨隧洞開挖進(jìn)程，一直接引到斜井上井口。斜井和其他洞室開挖支護(hù)同步，按照總風(fēng)量計(jì)算，空壓機(jī)站供風(fēng)可滿足幾個(gè)工作面同時(shí)施工，但斜井距離供風(fēng)站較遠(yuǎn)，供風(fēng)管路較長(zhǎng)，在多個(gè)工作面同時(shí)施工時(shí)，明顯感到風(fēng)壓不足。經(jīng)研究，先排除本段供風(fēng)管線接頭法蘭和閘閥的漏風(fēng)點(diǎn)，在上井口后方耳洞內(nèi)加裝一個(gè)儲(chǔ)氣罐，容量2.0m3，調(diào)整安全閥控制出風(fēng)壓力，這樣相當(dāng)于將供風(fēng)站前移到上井口附近直接供風(fēng)，風(fēng)壓風(fēng)量上均滿足噴射機(jī)設(shè)備需要。

2.2.2 集料拌和系統(tǒng)改造優(yōu)化

斜井噴射C20強(qiáng)度混凝土。水泥：選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的P.O42.5普硅水泥，進(jìn)場(chǎng)水泥應(yīng)有合格證和生產(chǎn)廠的質(zhì)量證明書；骨料：細(xì)骨料采用場(chǎng)內(nèi)甲供的中粗砂，細(xì)度模數(shù)宜大于2.5，使用時(shí)的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用甲供豆石，粒徑5~15mm；外加劑：采用符合國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的速凝劑，并有合格證和生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書；初凝時(shí)間不應(yīng)大于5min，終凝不得大于10min；拌和水為圍巖裂隙滲水，經(jīng)收集于高位水箱儲(chǔ)藏備用。

拌和系統(tǒng)一般投料順序?yàn)樯啊故啵倌齽┰谌斯ど狭蠒r(shí)添加，水在噴射管噴頭處閥門控制添加。當(dāng)集料運(yùn)至上井口噴射機(jī)料區(qū)發(fā)現(xiàn)，集料有未拌勻的砂與水泥分離，豆石裹漿不飽滿現(xiàn)象。井下噴射混凝土上墻率差，回彈率高[1]。經(jīng)研究，改變拌和投料順序，先投入豆石和水泥拌和30s，再投入砂拌和60s，嚴(yán)格控制拌和時(shí)間，少拌多送，每次拌料控制在1.5m3以內(nèi)，利于人工添加速凝劑時(shí)控制摻量計(jì)量，洞內(nèi)巖壁滲水溫度偏低，在上井口100m段供水管路上加裝伴熱帶，提高噴射混凝土拌合水水溫，利于上墻凝結(jié)，減少回彈。

2.2.3 噴射機(jī)改造優(yōu)化

混凝土噴射機(jī)主體結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)子總成、氣路系統(tǒng)、壓緊裝置和噴射系統(tǒng)等部分組成[2]。其工作原理是：將拌合好的混凝土集料人工上料，集料經(jīng)過篩網(wǎng)到達(dá)噴射機(jī)旋轉(zhuǎn)圓柱狀料斗，由撥料器撥動(dòng)注入轉(zhuǎn)子總成的混料腔，在混料腔內(nèi)與氣路系統(tǒng)的壓縮空氣混合，呈旋轉(zhuǎn)、浮游狀態(tài)，在風(fēng)壓作用下進(jìn)入到輸料管路，在噴頭處與水混合之后，噴射到井壁受噴面上。隨著輸送距離不斷增長(zhǎng)，堵管現(xiàn)象從無到有，頻次增加，每次處理堵管需要停機(jī)、卸壓、開腔、敲管、疏通、恢復(fù)等步驟，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在井口風(fēng)壓滿足、拌和集料混合均勻情況下，采取對(duì)噴射機(jī)影響構(gòu)件進(jìn)行改造優(yōu)化，達(dá)到通暢的長(zhǎng)距離噴射混凝土[2]。

（1）改造進(jìn)料濾網(wǎng)孔徑（如圖1標(biāo)注1的構(gòu)件）

為防止大塊料進(jìn)入噴射機(jī)料腔，設(shè)備在進(jìn)料口設(shè)置一道濾網(wǎng)篦子，孔徑30mm，對(duì)于長(zhǎng)距離送料，超徑料容易產(chǎn)生堵管和對(duì)輸料管的磨損。經(jīng)研究，采用自制的孔徑為15mm濾網(wǎng)篦子取代設(shè)備自帶濾網(wǎng)，嚴(yán)格控制進(jìn)入料腔的集料粒徑。

（2）改造料腔密度（如圖1標(biāo)注2的構(gòu)件）

混凝土噴射機(jī)內(nèi)部設(shè)置有10個(gè)圓柱狀料腔，通過改造鋼襯板花盤，間隔一個(gè)封閉一個(gè)，將中部鋼襯板的10個(gè)下料孔改為5個(gè)，以降低下料速度，平衡混凝土供給量，以保持壓風(fēng)動(dòng)力輸送的穩(wěn)定性，減少集料堵管現(xiàn)象。

（3）改造出料口結(jié)構(gòu)（如圖1標(biāo)注3的構(gòu)件）

圖1 混凝土噴射機(jī)改造部位圖

混凝土噴射機(jī)設(shè)計(jì)出料口連接管直徑40mm，長(zhǎng)18cm，隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)花盤轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力風(fēng)直接將集料送入高壓供料管，隨氣流流向噴頭，經(jīng)長(zhǎng)距離輸送，集料比重較大的石子下沉堆積，水泥提前噴出，易造成間歇堵管。經(jīng)研究，對(duì)出料口進(jìn)行優(yōu)化，改造后出料口長(zhǎng)度30cm，內(nèi)徑60mm，并在內(nèi)側(cè)鑲嵌螺旋導(dǎo)流葉，提高了混凝土料進(jìn)入管路的初速度，并且形成螺旋風(fēng)，隨著集料進(jìn)入連接管，有節(jié)奏地將管內(nèi)氣流送入輸料管，帶有擰勁和鉆勁向前增壓，打亂了集料分離狀態(tài)，再次混合，送到噴頭處。

2.2.4 輸料系統(tǒng)改造優(yōu)化

斜井掌子面距離上井口越來越遠(yuǎn)，采用以上方式實(shí)施噴射混凝土到井下300m后，已經(jīng)達(dá)到極限，堵管頻次再次增多，上墻難度大，回彈率增加。經(jīng)研究，改造輸料系統(tǒng)，將混凝土噴射機(jī)下井，坐落于防護(hù)大盤上，始終和掌子面保持20~30m距離，井口架設(shè)溜放平臺(tái)和棧橋，集料采用溜灰管下放到防護(hù)盤上，人工再次上料，完成300m以下的斜井錨噴支護(hù)。

本套錨噴料輸送系統(tǒng)，結(jié)合后期斜井鋼襯回填溜放混凝土拌合物考慮，從上至下分別由棧橋、集料平臺(tái)、溜管、噴射機(jī)工作臺(tái)、噴射軟管等組成。

（1）設(shè)置棧橋

在斜井上彎段轉(zhuǎn)向平臺(tái)與上彎段起點(diǎn)中間設(shè)置棧橋通道一條，棧橋面凈寬1.2m，采用14#槽鋼制作立柱與結(jié)構(gòu)骨架，上部鋪設(shè)3mm厚花紋板。棧橋上部設(shè)置1.0~1.2m高護(hù)欄，擋腳板高度0.2m，護(hù)欄內(nèi)側(cè)滿掛密目網(wǎng)，底板采用油布滿鋪，防止雜物漏下棧橋。棧橋?yàn)閱诬噯稳送ㄐ校≤嚍?.15m3雙輪手推車，每次裝料不超過上沿口的2/3。嚴(yán)禁途中灑遺。

（2）集料平臺(tái)

集料平臺(tái)設(shè)在導(dǎo)向輪平臺(tái)左側(cè)，長(zhǎng)寬各2m，中部設(shè)置方口圓底錐形料斗一個(gè)，上口邊長(zhǎng)0.6m，底口直徑0.2m，錐部高度0.6m。采用加勁角鋼固定，上部設(shè)置孔徑15mm的篦子對(duì)錨噴料進(jìn)行過濾，防止超徑骨料落下。集料平臺(tái)底板采用5cm厚腳手板滿鋪，下部及四周采用鐵皮密封，防止骨料從板縫中漏下。護(hù)欄高度1.2m，與棧橋護(hù)欄連為整體。

（3）輸送溜管

溜管前段為直徑200mm的焊接鋼管，兩端焊接法蘭盤，采用螺栓連接，上彎段過后，溜管改為耐磨PE管，直徑200mm，專用接頭連接。溜管順爬梯外側(cè)布置，每根溜管與爬梯地錨筋連接不少于兩處，在離底板較高處應(yīng)單獨(dú)增設(shè)錨筋，保證溜管牢固不下滑，每隔30m設(shè)置一節(jié)1.0m短管，便于拆卸檢查。整個(gè)溜管系統(tǒng)采用兩根直徑12mm細(xì)鋼絲繩和鎖扣串聯(lián)，防止單節(jié)溜管斷開造成高處滑落事故。集料在管內(nèi)靠自重溜放。

（4）噴射機(jī)工作臺(tái)

斜井斜直段加部分彎段單長(zhǎng)約420m，井下250~300m后利用擴(kuò)挖大盤作移動(dòng)工作臺(tái)，進(jìn)行接料和噴錨作業(yè)。擴(kuò)挖大盤限載3t，噴射機(jī)自重600kg，操作手4名計(jì)0.4t，剩余荷載不得大于2.0t，斜井溜管溜放集料至平臺(tái)每次控制在0.5m3之內(nèi)（每方集料約2.2t）。卷揚(yáng)機(jī)下放大盤到施噴面上方，將噴漿軟管下放到掌子面，施噴手站在掌子面上進(jìn)行井壁施噴，每開挖一段，錨噴一次，如此往復(fù)循環(huán)，直到斜井噴射支護(hù)完成。

（5）高壓噴射管

高壓噴射管為耐磨橡膠軟管，與噴射機(jī)設(shè)備出料口采用卡扣連接，根據(jù)需要長(zhǎng)度加長(zhǎng)管節(jié)，從擴(kuò)挖防護(hù)大盤一直延伸到掌子面，前端連接噴頭，控制風(fēng)壓和水壓，將錨噴料瞬間預(yù)混并噴射在井壁受噴面上。

3 技術(shù)質(zhì)量要求

（1）混凝土噴射施工準(zhǔn)備工作做好后，嚴(yán)格掌握規(guī)定的速凝劑摻量，并添加均勻。噴射時(shí)，噴射手應(yīng)嚴(yán)格控制水灰比，使噴層表面平整光滑，無干斑和滑移流淌現(xiàn)象。

（2）噴射混凝土作業(yè)應(yīng)分段分片依次進(jìn)行，噴射順序自下而上，一次噴射厚度約5cm；分層噴射時(shí)，后一層應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行，若終凝1h后再行噴射，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層面：噴射作業(yè)緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下循環(huán)放炮時(shí)間不應(yīng)少于3h。

（3）噴射作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行噴射機(jī)的操作規(guī)程：應(yīng)連續(xù)向噴射機(jī)供料；保持噴射機(jī)工作風(fēng)壓穩(wěn)定；完成或因故中斷噴射作業(yè)時(shí)，應(yīng)將噴射機(jī)和輸料管內(nèi)的積料清除干凈。

（4）調(diào)節(jié)好風(fēng)壓和水壓：風(fēng)壓與噴射質(zhì)量有密切的關(guān)系，過大的風(fēng)壓會(huì)造成噴射速度太高而加大回彈量，損失水泥，風(fēng)壓過小會(huì)使噴射力減弱，則混凝土密實(shí)性差。因此，根據(jù)噴射情況應(yīng)適當(dāng)調(diào)整風(fēng)壓。

（5）掌握好噴嘴與受噴面的距離和角度；噴嘴至巖面的距離為0.8～1.2m，過小或過大都會(huì)增加回彈量；噴嘴與受噴面垂直，并稍微偏向噴射的部位（傾斜角不大于10°），則回彈量最小、噴射效果和質(zhì)量最佳。對(duì)于巖面凹陷處應(yīng)先噴和多噴，而凸出處應(yīng)后噴和少噴，噴射時(shí)噴射槍頭移動(dòng)可以采用螺旋形移動(dòng)前進(jìn)，也可以采用“S”形往返移動(dòng)前進(jìn)。

4 優(yōu)化后效果

通過對(duì)斜井錨噴工序中供風(fēng)系統(tǒng)、集料拌和系統(tǒng)、混凝土噴射機(jī)及斜井輸料系統(tǒng)的改造和優(yōu)化，不再有堵管現(xiàn)象發(fā)生，回彈落地料明顯減少。對(duì)混凝土噴射系統(tǒng)的系列改造優(yōu)化，首度在1#下斜井試驗(yàn)成功，相繼應(yīng)用于后續(xù)的三條長(zhǎng)斜井中，完成了引水系統(tǒng)總長(zhǎng)1771m的斜井錨噴支護(hù)，保證了井下作業(yè)安全，與開挖工序形成有序的節(jié)律。

5 結(jié)束語

改良型錨噴技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了敦化電站單長(zhǎng)466m長(zhǎng)斜井遠(yuǎn)距離噴射混凝土的目標(biāo)，保證了斜井施工中開挖和支護(hù)兩個(gè)主要工序的連續(xù)性，有效解決了長(zhǎng)距離斜井噴射混凝土施工時(shí)運(yùn)輸路線單一、經(jīng)常疏通堵管、噴射混凝土工序滯后等難題。在確保噴射混凝土支護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，加快了工程施工進(jìn)度，保障了施工安全，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了施工成本，效果顯著，具有較高的推廣價(jià)值。