陳亮，李德政，趙若有

(中國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開挖溜渣導井，溜渣導井形成后，采用人工爆破從上至下進行豎井開挖和支護[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井形成后即進行豎井的施工，井壁不作防護直接作為溜渣通道，這樣實施易破壞溜渣導井井壁，可能產(chǎn)生溜渣導井垮塌的風險。為確保壓力管道開挖順利及人員設備安全，經(jīng)過現(xiàn)場實地勘測并結(jié)合多方面考慮，制定了豎井溜渣導井采用鋼筒護壁，并對底部井口加強鎖口保護的方案。

2 施工規(guī)劃

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

溜渣導井下部的溜渣口采用加強支護形式，對溜渣出口附近的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行鎖口支撐，工字鋼與鋼支撐焊接使之成為一個整體，且在正方形出口四個角上各布置一榀工字鋼，增加與鋼護筒與工字鋼的焊接面積。同時在每一邊鋪設2組C25錨桿(L=4.5m，@30cm)固定工字鋼。

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

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

3 施工方法應用

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

鋼護筒安裝步驟：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。

使用裝載機將鋼管單節(jié)運輸至井口工作面，在鋼管上端距離端部800mm處外壁上對稱焊接四個吊耳，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平連接后進行焊接。

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)進行下個管節(jié)的安裝。每安裝8個單節(jié)(共計8×4=32m)利用豎井上方天錨將組裝好的鋼護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)縫焊接采用吊籃進入鋼護筒內(nèi)進行焊接。

3.1 鋼護筒吊裝

3.1.1 吊裝系統(tǒng)布置

豎井鋼護筒安裝前對頂部安裝天錨吊裝系統(tǒng)進行布置，利用預先布置的天錨、地錨，使用5t卷揚機為牽引，連接滑輪組，形成吊裝系統(tǒng)，經(jīng)承重試驗符合要求后投入鋼護筒安裝就位等使用。

使用5t卷揚機為牽引，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入鋼護筒內(nèi)進行組裝焊接作業(yè)。

該吊裝系統(tǒng)承受鋼護筒最大重量為9.5t(32m鋼護筒重量=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筒的鎖定。地錨使用直徑30mm圓鋼，長4.5m，每組6根共四組，均勻分布于井口四周。

鋼護筒平面布置見圖1。

圖1 鋼護筒平面布置示意

3.1.2 電源及施工設備布置

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 施工平臺布置

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

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

圖2 鋼護筒吊裝布置示意

3.2 鋼護筒安裝

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熱切割，焊接前用砂輪機打磨去除氧化層，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。對當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 鋼護筒拆除

按照一次性開挖深度1.2m進行鋼護筒的循環(huán)拆除，具體方法為作業(yè)人員使用吊籃進入井筒內(nèi)使用氣割槍對鋼護筒進行割除，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筒時發(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)運出洞。

3.4 溜渣導井底部加固及鋼護筒加固

溜渣導井下部的溜渣口采用加強支護形式，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，共計四組)進行鎖口支撐，工字鋼與鋼支撐焊接使之成為一個整體，且在正方形出口四個角上各布置一榀工字鋼，增加與鋼護筒與工字鋼的焊接面積。同時在每一邊鋪設2組C25錨桿(L=4.5m，@30cm)固定工字鋼。

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

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

圖3 溜渣導井底部加固示意

4 安全驗算

井筒鋼護筒總重量為26t，單段最大吊裝重量為9.5t，卷揚機牽引力為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。查圓鋼抗拉強度σb=370MPa～500MPa這里統(tǒng)一取370MPa計算，折算為σb=37kg/mm2傾斜角為30°。

每根錨桿抗拉強度P1=cos30°×πR2×σb=cos30°×3.1416×152×37=22649.872kg；每組錨桿抗拉強度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(鋼護筒最大吊裝重量)時，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，安全系數(shù)為18.5，滿足吊裝要求。

擾度計算：天錨錨桿與豎直方向夾角取15°計算，錨桿外露部分到作用力點距離取300mm計算，若天錨滿載荷時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中驗算各項數(shù)據(jù)，因此，地錨強度完全符合設計要求。

4.3 鋼絲繩

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

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。

起吊時單根鋼繩受到的拉力：f=9500/4/sin60°=2742kg

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

4.4 吊耳驗算

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，焊縫長度200mm。

使用拉曼公式校核吊耳板強度，強度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，故吊耳板符合設計要求。

5 結(jié)語

對于軟弱破碎帶，豎井施工采用鋼護筒護壁，達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井井壁破壞導致導井堵塞的安全風險，也為以后類似工程提供了很好的經(jīng)驗。