高深豎井溜渣導(dǎo)井防護(hù)工藝淺析

陳亮，李德政，趙若有

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司二分局，成都，610072)

1 工程概況

鍋浪蹺水電站壓力管道的結(jié)構(gòu)形式為三平兩豎，分為上平段、中平段、下平段、上豎井和下豎井。上、下豎井深度均100余米，成型斷面為半徑3.1m圓形。豎井開挖先采用反井鉆機(jī)開挖溜渣導(dǎo)井，溜渣導(dǎo)井形成后，采用人工爆破從上至下進(jìn)行豎井開挖和支護(hù)[1]。

壓力管道豎井因地質(zhì)條件惡劣，傳統(tǒng)的溜渣方式為溜渣導(dǎo)井形成后即進(jìn)行豎井的施工，井壁不作防護(hù)直接作為溜渣通道，這樣實(shí)施易破壞溜渣導(dǎo)井井壁，可能產(chǎn)生溜渣導(dǎo)井垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。為確保壓力管道開挖順利及人員設(shè)備安全，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘測(cè)并結(jié)合多方面考慮，制定了豎井溜渣導(dǎo)井采用鋼筒護(hù)壁，并對(duì)底部井口加強(qiáng)鎖口保護(hù)的方案。

2 施工規(guī)劃

溜渣導(dǎo)井護(hù)壁主要采用溜渣導(dǎo)井內(nèi)布置8mm～10mm厚的鋼護(hù)筒保護(hù)井壁，鋼護(hù)筒直徑為1.2m，鋼護(hù)筒外包2cm厚的泡沫板起隔離作用。高程1181.90～1134.32(長(zhǎng)度47.75m)鋼護(hù)筒厚度為8mm；高程1134.32～1084.72(長(zhǎng)度50.40m)鋼護(hù)筒厚度為10mm。

溜渣導(dǎo)井下部的溜渣口采用加強(qiáng)支護(hù)形式，對(duì)溜渣出口附近的I20工字鋼支撐加密并在拱頂(溜渣口)形成1.2m×1.2m的正方形出口，出口周邊采用工字鋼進(jìn)行鎖口支撐，工字鋼與鋼支撐焊接使之成為一個(gè)整體，且在正方形出口四個(gè)角上各布置一榀工字鋼，增加與鋼護(hù)筒與工字鋼的焊接面積。同時(shí)在每一邊鋪設(shè)2組C25錨桿(L=4.5m，@30cm)固定工字鋼。

在鋼護(hù)筒最底部?jī)?nèi)側(cè)1.0m范圍內(nèi)焊接(滿焊)A25@5cm的條形鋼筋。在對(duì)鋼護(hù)筒底部進(jìn)行C25混凝土噴漿支護(hù)后，利用預(yù)埋的灌漿管將4.0m高的井壁與鋼護(hù)筒之間的空隙用M25砂漿填滿。

鋼護(hù)筒底部伸出井口方形工字鋼下方40cm，鋼護(hù)筒與工字鋼接觸部位進(jìn)行滿焊，工字鋼與鋼護(hù)筒沒有接觸部位采用∠50×50×5角鋼連接并進(jìn)行焊接。同時(shí)在鋼護(hù)筒底部外壁焊接A25@30cm的鋼筋，然后利用錨桿與其焊接加固。

3 施工方法應(yīng)用

豎井溜渣導(dǎo)井鋼護(hù)筒安裝深度為98.15m，鋼護(hù)筒材質(zhì)采用Q235鋼制電焊鋼管，直徑為1200mm，鋼護(hù)筒在廠家直接購(gòu)買成品，分為4m一個(gè)單元節(jié)。

鋼護(hù)筒安裝步驟：使用地錨鋼繩鎖定好一節(jié)鋼管在井口，地錨鎖鎖定鋼管吊耳距離井口面約300mm，管口超出井平面約500mm。

使用裝載機(jī)將鋼管單節(jié)運(yùn)輸至井口工作面，在鋼管上端距離端部800mm處外壁上對(duì)稱焊接四個(gè)吊耳，吊耳板厚20mm，規(guī)格為100mm×200mm，吊耳全部焊接，焊腳尺寸(角焊縫焊腳尺寸不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍)12mm，焊腳高度8.5mm。

使用頂部天錨將鋼管翻身并豎立在已鎖好的管節(jié)上就位，使用壓碼楔子將管口對(duì)平連接后進(jìn)行焊接。

焊接完成后使用天錨將連接好的鋼管吊起上升至地錨鎖鋼繩松軟后，取下地錨鋼繩，再將鋼管下降至頂部吊耳與井口基本齊平位置，使用地錨鎖住頂部四個(gè)吊耳，繼續(xù)下降至地錨繩完全受力，鎖住鋼管。

取下頂部天錨掛鉤，循環(huán)進(jìn)行下個(gè)管節(jié)的安裝。每安裝8個(gè)單節(jié)(共計(jì)8×4=32m)利用豎井上方天錨將組裝好的鋼護(hù)筒段從井口下放至安裝部位并加固焊接牢固。豎井內(nèi)組裝環(huán)縫焊接采用吊籃進(jìn)入鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行焊接。

3.1 鋼護(hù)筒吊裝

3.1.1 吊裝系統(tǒng)布置

豎井鋼護(hù)筒安裝前對(duì)頂部安裝天錨吊裝系統(tǒng)進(jìn)行布置，利用預(yù)先布置的天錨、地錨，使用5t卷揚(yáng)機(jī)為牽引，連接滑輪組，形成吊裝系統(tǒng)，經(jīng)承重試驗(yàn)符合要求后投入鋼護(hù)筒安裝就位等使用。

使用5t卷揚(yáng)機(jī)為牽引，連接滑輪組和吊籃，形成吊籃起升裝置，施工人員通過吊籃進(jìn)入鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行組裝焊接作業(yè)。

該吊裝系統(tǒng)承受鋼護(hù)筒最大重量為9.5t(32m鋼護(hù)筒重量=3.1416×1.21×0.01×32×7.85=9500kg)，后期用于壓力鋼管豎井安裝，后期壓力鋼管單節(jié)最大重量為11t，吊裝安全重量在適用范圍內(nèi)。

天錨：天錨主要由主錨和副錨組成，天錨錨桿直徑30mm，長(zhǎng)4.5m，植入深度4m，植入端刨開打入倒楔，主錨共9根，副錨共6根。

地錨：豎井頂部井口四周布置鎖扣地錨用于鋼護(hù)筒的鎖定。地錨使用直徑30mm圓鋼，長(zhǎng)4.5m，每組6根共四組，均勻分布于井口四周。

鋼護(hù)筒平面布置見圖1。

圖1 鋼護(hù)筒平面布置示意

3.1.2 電源及施工設(shè)備布置

施工用電電源線使用3×32+1×6橡套電纜，接入上平段蝶閥室配電箱處，終端接入施工配電柜，內(nèi)置三相空開(120A)5支、63A空開2支，照明若干。

3.1.3 施工平臺(tái)布置

施工前整合施工平臺(tái)，豎井口應(yīng)進(jìn)行混凝土澆筑鎖口，保證井口強(qiáng)度以免發(fā)生井口塌陷。使用I20a工字鋼在井口搭設(shè)“井”字形施工焊接平臺(tái)，使用木板遮蓋以免發(fā)生人員墜落等危險(xiǎn)。

天錨設(shè)置在豎井井筒頂部軸線中心位處。卷揚(yáng)機(jī)設(shè)置穹頂?shù)装迤脚_(tái)左右側(cè)角落位置。豎井施工平臺(tái)為豎井頂部，詳見圖2。

圖2 鋼護(hù)筒吊裝布置示意

3.2 鋼護(hù)筒安裝

3.2.1 坡口加工

坡口形式為V形，坡口加工方法為先用半自動(dòng)熱切割，焊接前用砂輪機(jī)打磨去除氧化層，露出金屬光澤。

3.2.2 焊接材料

焊接材料選用J507R低氫鈉型焊條進(jìn)行焊接，采用直流反接，焊條使用前須經(jīng)350℃～430℃烘焙1h[2]，烘干后放入100℃～150℃保溫箱內(nèi)隨用隨取。對(duì)當(dāng)天回收未用完的焊條作好記錄，焊條烘焙不得超過兩次。

3.2.3 焊接電源

焊接采用ZX7-400/500型逆變焊條電弧焊電源，直流反接。

3.3 鋼護(hù)筒拆除

按照一次性開挖深度1.2m進(jìn)行鋼護(hù)筒的循環(huán)拆除，具體方法為作業(yè)人員使用吊籃進(jìn)入井筒內(nèi)使用氣割槍對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行割除，吊籃固定于頂部天錨掛鉤上，不能懸掛于井壁以免割除鋼護(hù)筒時(shí)發(fā)生傾翻釀成事故。拆除過程中注意保證吊籃平衡，注意割具的安全使用。井筒割完后使用頂部天錨將割除的部分吊出，轉(zhuǎn)運(yùn)出洞。

3.4 溜渣導(dǎo)井底部加固及鋼護(hù)筒加固

溜渣導(dǎo)井下部的溜渣口采用加強(qiáng)支護(hù)形式，主要參數(shù)如下：出口附近I20a工字鋼支撐加密由間距1.0m加密成0.5m，并在拱頂(溜渣口)形成1.2m×1.2m的正方形出口。出口周邊采用I20工字鋼(2根工字鋼為一組，共計(jì)四組)進(jìn)行鎖口支撐，工字鋼與鋼支撐焊接使之成為一個(gè)整體，且在正方形出口四個(gè)角上各布置一榀工字鋼，增加與鋼護(hù)筒與工字鋼的焊接面積。同時(shí)在每一邊鋪設(shè)2組C25錨桿(L=4.5m，@30cm)固定工字鋼。

在鋼護(hù)筒最底部?jī)?nèi)側(cè)1.0m范圍內(nèi)焊接(滿焊)A25@5cm的條形鋼筋。在對(duì)鋼護(hù)筒底部進(jìn)行C25混凝土噴漿[3]，支護(hù)后，利用預(yù)埋的灌漿管將4.0m高的井壁與鋼護(hù)筒之間的空隙用M25砂漿填滿。

鋼護(hù)筒底部伸出井口方形工字鋼下方40cm，鋼護(hù)筒與工字鋼接觸部位進(jìn)行滿焊，工字鋼與鋼護(hù)筒沒有接觸部位采用∠50×50×5的角鋼連接并進(jìn)行焊接。同時(shí)在鋼護(hù)筒底部外壁焊接A25的鋼筋，再用錨桿與其焊接,詳見圖3。

圖3 溜渣導(dǎo)井底部加固示意

4 安全驗(yàn)算

井筒鋼護(hù)筒總重量為26t，單段最大吊裝重量為9.5t，卷揚(yáng)機(jī)牽引力為5t，鋼絲繩使用6×37+1直徑為26mm，天錨錨桿直徑30mm，長(zhǎng)4.5m，植入深度4m，植入端刨開打入倒楔，吊裝天錨使鋼板連接成整體。

4.1 天錨

錨桿為直徑30mm的圓鋼，插入深度4m、外露0.5m、間距0.3m、每組9根，最大吊重9.5t。查圓鋼抗拉強(qiáng)度σb=370MPa～500MPa這里統(tǒng)一取370MPa計(jì)算，折算為σb=37kg/mm2傾斜角為30°。

每根錨桿抗拉強(qiáng)度P1=cos30°×πR2×σb=cos30°×3.1416×152×37=22649.872kg；每組錨桿抗拉強(qiáng)度P2=22649.872×9=203841(kg)。錨桿的安全吊裝載荷系數(shù)：K1=P2/9.5t=203841/9500=21.5，即錨桿在吊裝9.5t重物(鋼護(hù)筒最大吊裝重量)時(shí)，安全系數(shù)為21.5，滿足吊裝要求。K2=P2/26t=203841/11000=18.5，即錨桿在吊裝11t重物(壓力鋼管最大吊裝重量)時(shí)，安全系數(shù)為18.5，滿足吊裝要求。

擾度計(jì)算：天錨錨桿與豎直方向夾角取15°計(jì)算，錨桿外露部分到作用力點(diǎn)距離取300mm計(jì)算，若天錨滿載荷時(shí)單根錨桿受垂直于錨桿方向上的作用力F=sin15°×9500/9=273.2N。擾度計(jì)算：Ymax=F×L3/48EI=273.2×3003/48×200000MPa×51471.85=0.0149mm

4.2 地錨

地錨錨桿植入方式與主錨完全一致，地錨分為四組，每組6根，平均每根錨桿最大作用力F=9.5/(4×6)=0.39t，完全滿足4.1中驗(yàn)算各項(xiàng)數(shù)據(jù)，因此，地錨強(qiáng)度完全符合設(shè)計(jì)要求。

4.3 鋼絲繩

鋼繩型號(hào)6×37+1直徑為26mm，經(jīng)查表得鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度155kg/mm2，鋼管起吊重量按8t計(jì)算，吊耳之間最小位置約為1.2m鋼絲繩取1.2m長(zhǎng)共四根計(jì)算，則鋼繩形成起吊夾角約為60°計(jì)算

鋼絲繩最小破斷拉力：

直徑26mm鋼繩，F(xiàn)破斷拉力=k×D2×R×0.001=0.36×26×26×155=37720kg。

起吊時(shí)單根鋼繩受到的拉力：f=9500/4/sin60°=2742kg

卷揚(yáng)機(jī)鋼繩受到的拉力(雙門滑車組)：F=9500/4=2375kg，F(xiàn)

4.4 吊耳驗(yàn)算

吊耳受力F=9500/4=2375kg，吊耳板材料取Q345R板厚20mm，經(jīng)查表可知其許用應(yīng)力為185MPa。吊耳板外部輪廓半徑R=100，孔開直徑為40mm，吊耳外形尺寸100mm×200mm，吊耳焊腳高度8.5mm，焊縫長(zhǎng)度200mm。

使用拉曼公式校核吊耳板強(qiáng)度，強(qiáng)度σ=K×P/(δ×d)×[(R2+r2)/(R2-r2)]=1.1×2.375×9800/(20×40)×[(1002+202)/(1002-202)]=34.67MPa<[σ]=185MPa。

焊縫受力校核：Σ=N×k/h×l=(2.375×9800×1.4)/(8.5×200)=19.17MPa<185MPa，故吊耳板符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

對(duì)于軟弱破碎帶，豎井施工采用鋼護(hù)筒護(hù)壁，達(dá)到了安全可靠的目的，極大地降低了豎井在開挖過程中溜渣導(dǎo)井井壁破壞導(dǎo)致導(dǎo)井堵塞的安全風(fēng)險(xiǎn)，也為以后類似工程提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。