王勝仙
(吉林市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 吉林省吉林市 132013)
引水壓力管道斜井由上彎段、斜井段和下彎段三部分組成,上、下彎段垂直轉(zhuǎn)彎半徑為25m,轉(zhuǎn)彎角度為55°,開挖斷面呈直徑6.7m的圓形,洞中軸線長度為 23.998m;斜井段是連接上、下彎段的直線段,洞軸線與水平面夾角為55°,開挖斷面同上、下彎段相同,斜井段長度為272.207m。
引水壓力管道斜井地面為斜坡地形,坡度30~35°,地面高程1840~2019m,地表弱風(fēng)化巖裸露,巖性黑云母花崗巖,巖體較完整~完整,屬塊狀~整體狀結(jié)構(gòu),微透水性,結(jié)構(gòu)面以節(jié)理為主,面多閉合,屬Ⅱ~Ⅲ類圍巖。有 F4斷層通過,走向與洞向交角約50°,帶寬10cm,帶內(nèi)夾泥,厚1~2cm,面平直,沿面有裂隙水出露,其下盤影響帶寬2.0m,上盤影響帶寬1m,斷層帶內(nèi)圍巖為Ⅴ類,影響帶內(nèi)圍巖為Ⅳ類。
水利工程施工中一般將傾角 25°~70°的視為斜井,其施工難度比豎井和平洞大,而且不能象豎井施工那樣可以進(jìn)行垂直運(yùn)輸。另外,施工導(dǎo)向控制和斜井體型控制也比豎井和平洞難度要大。施工作業(yè)周期比豎井和平洞要長很多,許多可以節(jié)省人力的開挖設(shè)備也無法用于斜井施工。
通過查閱有關(guān)斜井開挖資料,目前斜井開挖施工較實(shí)用的方式有兩大類。第一類是全斷面開挖法、第二類是先開挖導(dǎo)井再擴(kuò)挖成型法。
全斷面開挖法可全斷面直接由上至下貫通,不需導(dǎo)井施工,且不受下平段施工約束,上部施工具備條件即可施工。但出渣施工由上部吊運(yùn),井內(nèi)無法布置效率高的機(jī)械設(shè)備,出渣工序的效率非常低,不能保證斜井施工進(jìn)度,且由于斜井施工高度過大,沒有形成施工通風(fēng)的回路,施工通風(fēng)困難。
先開挖導(dǎo)井再擴(kuò)挖成型方法包含吊罐、反井鉆機(jī)、爬罐等幾種施工方法,導(dǎo)井貫通后形成自然通風(fēng)回路,通風(fēng)條件好,出渣渣料由導(dǎo)井溜下,從下部通道運(yùn)出,較為方便且施工效率高,施工進(jìn)度能夠得到保障。但導(dǎo)井偏斜率比較難控制,受下部是施工通道開挖及支護(hù)施工制約,在其未貫通之前無法開挖導(dǎo)井,且施工成本較高。
根據(jù)各方法施工特點(diǎn),結(jié)合工程實(shí)際,經(jīng)方案比選本工程采用 ALIMAK爬罐開挖反導(dǎo)井,一次正井?dāng)U挖成型的施工方法。
斜井開挖應(yīng)首先將上、下彎段進(jìn)行部分開挖,使之在斜井上部和下部各形成一個(gè)便于施工的平臺(tái),然后采用 ALIMAK爬罐自下而上開挖導(dǎo)井,導(dǎo)井全部貫通后,利用手風(fēng)鉆自上而下進(jìn)行擴(kuò)挖,將上、下彎段剩余部分及斜井段一次擴(kuò)挖成型。
上彎段開挖主要分兩部分進(jìn)行開挖,第一部分利用引水壓管上平段鉆爆臺(tái)車沿上平段方向一直向前開挖,頂拱按設(shè)計(jì)要求逐漸降坡,開挖成弧形,底板開挖成與上平段同樣高度的平面,當(dāng)斜井段導(dǎo)洞開挖完成后,利用導(dǎo)洞將上彎段的下部與斜井段擴(kuò)挖一同挖除。
下彎段開挖同樣需分兩部分挖除,首先沿下平段一直向下彎段方向開挖,使底板超挖一部分,使之形成一個(gè)平臺(tái),以便于裝載機(jī)出渣,下彎段上部剩余部分隨斜井段擴(kuò)挖一同挖除。
導(dǎo)井開挖主要采用STH5-DD型ALIMAK爬罐作為施工上下交通工具,人工利用氣腿鉆進(jìn)行開挖施工,導(dǎo)井開挖斷面呈 2m×2m的方形斷面。ALIMAK爬罐工作示意圖見圖1。
圖1 斜井導(dǎo)井開挖ALIMAK爬罐工作示意圖
(1)導(dǎo)井施工工藝流程
導(dǎo)井施工工藝流程如圖2所示。
圖2 導(dǎo)井施工工藝流程圖
(2)導(dǎo)井開挖施工布置
供風(fēng)、供水、供電:斜井反導(dǎo)井開挖所需風(fēng)、水、電均由 4#施工支洞的主管線延伸至下彎段,再通過支管線與 ALIMAK爬罐軌道所設(shè)置的管線相連接,將風(fēng)、水、電供至施工作業(yè)面。
通風(fēng):采用空壓機(jī)風(fēng)帶水管在開挖面形成雨霧,將作業(yè)面煙塵排至下平洞后由下平洞通風(fēng)系統(tǒng)排出洞外。
排水:施工排水系統(tǒng)利用下平洞開挖時(shí)已形成的排水系統(tǒng)。
施工通訊:導(dǎo)井施工時(shí),配備2臺(tái)高頻對(duì)講機(jī),主要用于斜井下部和爬罐的通訊聯(lián)系,同時(shí),在爬罐上備有有線對(duì)講電話,做為備用對(duì)講方式。
(3)爬罐安裝運(yùn)行
①爬罐平臺(tái):在下平洞搭設(shè)爬罐平臺(tái),平臺(tái)由頂拱錨桿懸吊加固,錨桿采用?22鋼筋,間距1.5m,與水平面呈60°角錨入巖體3.0m,外露2.8m,平臺(tái)距頂拱約3m,寬4m,長20m。
②軌道安裝:安裝高程距洞頂約 50cm,反導(dǎo)井口與下平段間安裝弧形軌道,繼而向兩端延伸。
③爬罐安裝:爬罐組件由5噸手拉葫蘆吊至搭設(shè)好的平臺(tái),組件安裝在平臺(tái)和軌道上進(jìn)行。
④爬罐安全性能試驗(yàn):在爬罐的運(yùn)行當(dāng)中,安全問題是最重要的問題。如果主罐在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障,則可利用副罐進(jìn)行救援及維修工作。
主、副罐制動(dòng)系統(tǒng)均由一個(gè)手動(dòng)制動(dòng)器、兩個(gè)離心式制動(dòng)器組成。在正常情況下,采用手動(dòng)制動(dòng)器及電源對(duì)爬罐進(jìn)行制動(dòng)控制。在手動(dòng)制動(dòng)器受到損壞的情況下,若爬罐失去控制,則當(dāng)爬罐速度達(dá)到0.9m/s時(shí),兩個(gè)離心式制動(dòng)器自動(dòng)啟動(dòng),直到爬罐緩慢停下來為止。為了確保萬無一失,要對(duì)主罐及副罐的安全裝置進(jìn)行空載及負(fù)載試驗(yàn)。
(4)導(dǎo)井開挖施工方法
①領(lǐng)先導(dǎo)井開挖。領(lǐng)先導(dǎo)井采用人工開挖,開挖深度為4~5m,斷面尺寸同反導(dǎo)井相同。
②導(dǎo)井鉆孔爆破:爆破鉆孔采用YT28氣腿鉆在爬罐上進(jìn)行,鉆孔孔徑Φ42mm,孔深1.8m,循環(huán)進(jìn)尺1.5m。
③出渣:反導(dǎo)井開挖石渣順導(dǎo)井溜至下平洞,由WA380裝載機(jī)裝20t自卸車運(yùn)至渣場。為便于反導(dǎo)井出渣及斜井?dāng)U挖出渣,需在下彎段進(jìn)行局部超挖,以使底部形成一個(gè)較好的出渣平臺(tái)。
斜井?dāng)U挖由上至下進(jìn)行,在擴(kuò)挖施工中為混凝土施工作必要的準(zhǔn)備。擴(kuò)挖按深度不同分兩種施工方法,在擴(kuò)挖30m范圍內(nèi),由于作業(yè)面距井口距離較短,不能滿足擴(kuò)挖臺(tái)車運(yùn)行系統(tǒng)安全運(yùn)行范圍,故采用巖壁爬梯作為施工人員的交通及材料、工具的運(yùn)輸通道,當(dāng)擴(kuò)挖深度大于30m以后采用擴(kuò)挖臺(tái)車施工。
(1)擴(kuò)挖施工工藝
擴(kuò)挖施工工藝流程如圖3所示。
圖3 擴(kuò)挖施工工藝流程
(2)擴(kuò)挖施工布置
①供風(fēng)、供水:擴(kuò)挖所需風(fēng)、水管線均從 3-2#施工支洞和上平洞施工形成的系統(tǒng)接引布置,在擴(kuò)挖臺(tái)車的兩軌之間分別安裝Φ108mm和Φ50mm鋼管分別做為供風(fēng)和供水管線,管線的長度可根據(jù)開挖進(jìn)尺情況逐漸延伸,管線采用錨筋固定在巖壁上,作業(yè)面前30m采用膠皮管,以便在放炮時(shí)隨擴(kuò)挖臺(tái)車一起撤離作業(yè)面。
②供電:動(dòng)力線、照明線和通訊線布置在井壁高處。在井筒內(nèi)每20m設(shè)一盞220V白熾燈,在擴(kuò)挖臺(tái)車上安放一臺(tái)BJZ行燈變壓器,臺(tái)車上使用電壓36V的安全照明。另外,臺(tái)車上布置一臺(tái)單相電焊機(jī),用于隨時(shí)對(duì)管線進(jìn)行加長。
③排水:擴(kuò)挖施工用水全部通過導(dǎo)洞排入下平洞排水系統(tǒng)進(jìn)行集中排放。
④擴(kuò)挖交通:斜井?dāng)U挖施工前30m主要利用爬梯作為人員和設(shè)備的施工通道,當(dāng)擴(kuò)挖超過 30m后,在斜井安裝一臺(tái)運(yùn)輸臺(tái)車,主要運(yùn)送開挖設(shè)備及材料,同時(shí)臺(tái)車停留后還可做為管線、爬梯等設(shè)施安裝及錨噴支護(hù)的施工平臺(tái)。
⑤施工通訊:斜井?dāng)U挖時(shí),配備四臺(tái)高頻對(duì)講機(jī),主要用于斜井頂部、卷揚(yáng)控制、臺(tái)車及開挖作業(yè)面之間的聯(lián)系。
(3)井口平臺(tái)
為方便材料和設(shè)備在井口處裝卸及人員上、下車安全,在井口布設(shè)一個(gè)型鋼制作的施工平臺(tái),鋼結(jié)構(gòu)架底部與錨桿相連,上部利用3cm厚木跳板搭設(shè)成平臺(tái),木板與鋼結(jié)構(gòu)之間采用鐵線綁扎連接。
(4)擴(kuò)挖臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式
擴(kuò)挖臺(tái)車大致呈三角形結(jié)構(gòu),共兩層平臺(tái),上層平臺(tái)主要用于錨噴支護(hù)施工和輸送風(fēng)管、鉆具等用處,下層平臺(tái)用于放置電焊機(jī)和輸送風(fēng)、水管線、鋼爬梯、臺(tái)車軌道等材料,作為施工輔助設(shè)施跟進(jìn)施工之用。
(5)擴(kuò)挖施工方法
為確保開挖施工有一個(gè)良好的作業(yè)面,擴(kuò)挖掌子面始終保持呈水平面,以便于人員施工。
其開挖工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→測量放樣→布孔→鉆孔→驗(yàn)孔→裝藥堵塞→聯(lián)網(wǎng)→起爆→安全檢查→掌子面清理→出渣→下一循環(huán)開挖。
引水壓管斜井在開挖過程中錨噴支護(hù)采用跟進(jìn)施工的方式進(jìn)行,施工時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場圍巖狀況,采取必要的安全支護(hù)方式。在壓管上平段儲(chǔ)備一定數(shù)量的錨桿、噴射混凝土材料以及有關(guān)設(shè)備,以應(yīng)急需,錨桿施工采用先注漿后安插錨桿的施工方式進(jìn)行。支護(hù)錨桿孔采用手風(fēng)鉆造孔,注漿機(jī)注漿,人工安插錨桿。
(1)錨桿支護(hù)施工方法
斜井砂漿錨桿采用“先注漿,后插錨桿”的施工方法。其施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→布孔→鉆孔→清孔→驗(yàn)孔→砂漿拌制→注漿→安插錨桿→錨桿待強(qiáng)→錨桿拉拔試驗(yàn)。
(2)掛鋼筋網(wǎng)施工方法
掛鋼筋網(wǎng)施工在噴混凝土以前、錨桿安插完畢以后進(jìn)行,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí),可先素噴一層后,再進(jìn)行掛網(wǎng)鋼筋的施工。
施工時(shí)利用擴(kuò)挖臺(tái)車作為施工平臺(tái),掛網(wǎng)鋼筋利用已完成的錨桿進(jìn)行焊接固定,鋼筋網(wǎng)應(yīng)盡可能貼近巖石,避免與巖石之間出現(xiàn)較大縫隙。
(3)噴混凝土施工方法
本工程噴射混凝土施工工藝流程為:
施工準(zhǔn)備→施工面清理→設(shè)置標(biāo)尺→混凝土拌制→初噴試驗(yàn)→分層噴混凝土→場地清理→灑水養(yǎng)護(hù)。
①噴混凝土應(yīng)在相應(yīng)部位的錨桿和掛網(wǎng)施工全部完成后進(jìn)行。
噴射混凝土前,采用高壓風(fēng)或高壓水將巖面清洗干凈,包括清除所有松動(dòng)巖塊及其它影響噴混凝土粘結(jié)的污物、贓物等。
對(duì)遇水易于崩解、膨脹的松軟破碎圍巖,不得用高壓水沖洗巖面,以防止圍巖產(chǎn)生塌方,可用高壓風(fēng)清除巖粉和浮渣。
②圍巖中內(nèi)泥、礦物雜質(zhì)及明顯的松軟破碎帶,應(yīng)將表面挖掉一部分(其深度約等于所處洞室的噴混凝土的厚度),再進(jìn)行施工,且應(yīng)適當(dāng)增大噴層厚度。
③現(xiàn)場采用混凝土噴射機(jī)按設(shè)計(jì)配比進(jìn)行混凝土攪拌噴射?;炷恋呐浜媳缺仨毥?jīng)過實(shí)驗(yàn)室確定給出,在現(xiàn)場氣溫相同條件下,進(jìn)行水泥凈漿凝結(jié)試驗(yàn),確定速凝劑摻量。配合比和水灰比在施工過程中進(jìn)行合理調(diào)整,盡量減少水泥和水的用量,取得最優(yōu)配合比。
④噴射作業(yè)開始,先在受噴面上噴2cm厚1∶3的水泥砂漿,以減少回彈量,然后再分層噴射。一次噴厚一般應(yīng)大于最粗骨料粒徑的1.5倍。
局部凸處噴混凝土厚度不得小于設(shè)計(jì)厚度的三分之二。
⑤噴頭噴射方向盡量與受噴面垂直,并稍向剛剛噴完部位傾斜。
⑥噴頭和受噴面之間的距離一般在 0.5~1.0m左右。
⑦噴射順序應(yīng)遵循自上而下、先凹后凸的原則。對(duì)深度為20cm左右的局部小凹坑,應(yīng)分層噴射。
⑧噴混凝土結(jié)束4~8h后,及時(shí)進(jìn)行表面灑水養(yǎng)護(hù),并保持表面濕潤。
采用爬罐開挖斜井在實(shí)際施工中取得了較好效果。
通過工程施工應(yīng)用,采用爬罐自下而上開挖反導(dǎo)井,人工一次正井?dāng)U挖的施工方法適應(yīng)于中等洞徑,傾角大于45°的斜井開挖施工,具有通風(fēng)良好、出渣方便、施工效率高、施工進(jìn)度有保障、安全性好等優(yōu)點(diǎn),是一種安全實(shí)用的斜井施工技術(shù)。