大埋深投料竖井溜管输送混凝土应用研究

(山西省小浪底引黄工程建设管理局，山西 运城 044000)

1 工程简介

山西省小浪底引黄工程位于山西省运城市境内，工程总体走势为东南—西北向，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程库区引水，向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。工程南依黄河与河南隔河相望，北及涑水河与临汾市接壤，东与晋城市相连，涵盖了运城市中东部的大部分地区。工程建设任务是解决运城市的盐湖区、闻喜县、绛县、夏县、垣曲县五县(区)农业灌溉、工业及城镇生活、生态用水问题，年引水量为2.47亿m3。工程引水干线主要建筑物包括输水线路、进水塔、泵站、调蓄水库和末端出水池。输水干线线路总长59.60km，布置有两条隧洞和一座箱涵，纵坡均为1/3000。其中,1号隧洞为圆形压力洞，长5.77km，洞径5m；2号隧洞为无压洞，长52.80km，岩石洞段为城门洞形，底宽3.80m，顶拱为半圆型，总净高5m。

施工Ⅴ标7～9号支洞及其控制主洞即为小浪底引黄工程2号隧洞岩石洞段的一部分，其中8～9号支洞及其控制主洞均在中条山东麓群山内，埋深约250～420m。隧洞采用先开挖初支，后C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度为：Ⅲ类围岩30cm，Ⅳ类围岩35cm，Ⅴ类围岩40cm。

2 衬砌混凝土运输方式选择

7号支洞为平洞，汽车运输，纵坡i=15.4%，8号、9号支洞均为斜井，绞车有轨运输，纵坡分别为i=36.6%、i=31.3%。8号、9号支洞及其控制主洞段7.23km开挖任务已全部完成，其中，8号支洞控制主洞上游继续向7号支洞方向开挖，8号支洞交叉口以下5.57km具备衬砌条件。

原计划7～9号支洞控制主洞衬砌混凝土全部在7号支洞洞外拌和，用混凝土罐车运输，但7号支洞控制主洞下游处于担山石组(Z1d)含砾石英岩、余家山组(Ptzyj)白云山大理岩角度不整合接触带和中条山东麓深大断裂带内，隧洞横穿断裂带宽度约1.2km，开挖过程中经常发生塌方、突水、涌泥等不良地质情况，导致实际开挖进度严重滞后于计划进度，目前借用8号上游工作面两面同时进行开挖。在控制总工期不变的前提下，只能通过优化混凝土衬砌施工组织来实现。

3 方案比选

根据现场情况，初步确定混凝土运输三种备选方案。

9号支洞绞车运输方案：9号支洞绞车运输拌和干料至交叉口，二次加水拌和，罐车运输至施工工作面。

8号支洞皮带机运输方案：8号支洞加皮带机，运输拌和干料至交叉口，二次加水拌和，罐车运输至施工工作面。

8～9号支洞之间溜管竖井运输方案：从8～9号支洞之间合适位置打竖井，用竖井内溜管输送熟料混凝土至洞内，混凝土罐车运输至施工工作面。

3.1 技术比较

3.1.1 9号支洞绞车运输方案

洞内布置拌和站，拌和干料在洞内二次加水搅拌，考虑运输和倒运过程中原材料不可控掉落损失，对质量会稍有影响；施工时对绞车钢丝绳进行定期检测、轨道日常进行维护检修，绞车运输混凝土较安全；由于钢筋、拌和干料等均需从9号支洞绞车运输进洞，因运输效率低且洞内潮湿，不可存放拌和干料，导致投入人力物力大、工效低，试运行后平均一天只能完成一仓(10m)底板混凝土衬砌。预测完成8～9号支洞5.57km长的混凝土衬砌任务约需980天。

3.1.2 8号支洞皮带机运输方案

洞内布置拌和站，拌和干料在洞内二次加水搅拌，可保证混凝土拌和、浇筑质量要求；大坡度皮带机易产生“飞车”现象，对人员和设备产生极大的安全隐患；支洞断面小，皮带机、绞车同时运行和日常维护存在较大安全风险；单工作面两套台车跳仓施工，钢筋从9号支洞运输下料。预测完成8～9号支洞5.57km长的混凝土衬砌任务约需580天。

3.1.3 8～9号支洞之间溜管竖井运输方案

提高混凝土拌和物坍落度检测频率可保证拌和物质量；增加配料器限制投料速度、溜管安装缓冲器可保证下料过程中拌和物质量，避免骨料分离；洞内增加储料器可保证混凝土浇筑质量要求；8～9号支洞之间投料竖井溜管运输方案，洞内竖井底部30m范围堵水灌浆、钢丝绳吊装溜管措施可保证施工、运行安全；双工作面施工，钢筋分别从8号、9号支洞运输下料。预测完成8～9号支洞5.57km长的混凝土衬砌任务约需390天。

3.2 经济可行性比较

由于9号支洞绞车运输方案预测工期过长，故排除此方案；采用8号皮带机运输方案进行混凝土浇筑总费用约785.44万元；采用8～9号支洞之间投料竖井溜管运输方案进行混凝土浇筑总费用422.80万元。

3.2.1 一次性投入费用

采用8号支洞皮带机运输方案一次性投入费用约351.19万元，其中包括洞外拌和系统、皮带机运输系统、洞内储料仓和洞内二次拌和系统等费用；采用8～9号支洞之间投料竖井溜管运输方案一次性投入费用约345.69万元，其中包括洞外拌和系统、投料竖井系统、洞内储料仓和洞内接料系统等费用。

3.2.2 运行维护费用比较

采用8号支洞皮带机运输方案运行维护费用约106.70万元，主要包括增配人工费、备品备件等费用；采用8～9号支洞之间投料竖井溜管运输方案运行维护费用约17.65万元，其中包括拔管、磨损件更换和备品备件等费用。

3.2.3 隧洞衬砌混凝土浇筑费用比较

8号支洞皮带机运输方案增加运输费约214.27万元，二次拌和费用约113.28万元；8～9号支洞之间投料竖井溜管运输方案增加运输费用约59.45万元。

通过上述比较分析，综合考虑，采用8～9号支洞之间混凝土投料竖井溜管运输方案。

4 方案设计

根据现场施工条件、埋深和附近围岩地质情况，选定竖井位置在距离8号支洞口约2.30km的河道右岸台地桩号30+390附近，该处洞顶埋深约255m，地层为涑水群卫家岭组(Asw)，岩性为混合岩化黑云斜长、二长片麻岩夹斜长角闪岩，该洞段围岩较完整，洞室整体稳定性较好，洞内渗漏水少。

4.1 设计难点和要点

方案设计难点主要是隧洞埋深大，打设竖井深，目前国内最深混凝土竖井不到200m，该竖井为255m，因此，对竖井垂直度、混凝土输送过程等方面提出更高要求。

方案设计要点主要是缓冲器设计和配合比调试。

参考其他工程上相关经验并咨询相关专家，选择了较经济简便、易操作、可现场加工的三角斜锥形挡板缓冲器，后经实验室反复试验论证，确定挡板斜面与溜管轴线以成45°～50°夹角为宜，缓冲器间距6m。

通过实验室调试结合现场生产性试验，确定配合比(重量比)，胶凝材料∶水∶砂∶石=1∶0.45∶1.94∶2.78。

4.2 竖井方案

根据桩号30+390附近地形地貌，编制了投料竖井施工方案：在投料竖井附近安装一座JZC500拌和站，混凝土拌和熟料通过溜槽进入井口3m3储料斗，通过带有自动计量装置的接料斗垂直下料至投料竖井混凝土溜管内，输送至洞内5m3储料斗，再用8m3罐车运输混凝土至工作面。

4.2.1 混凝土投料竖井

混凝土投料竖井布置在桩号30+390处。图1为竖井示意图。

图1 竖井示意图

竖井孔径600mm，孔深约255m；井壁管为φ529×6mm螺旋钢管，每节长12m，对焊连接，井壁管周围回填水泥浆固定；溜管为φ219×8mm无缝钢管，每节长6m，溜管采用法兰连接，溜管上下端固定，中间每隔50m设一环形胶垫，防止溜管晃动碰撞井壁；溜管每隔6m设置一组三角斜锥形挡板缓冲器(见图2)。

图2 缓冲器

4.2.2 吊装

溜管采用法兰连接，法兰与管道焊接，再与管道周边加筋焊接，溜管上每隔12m焊接吊点(见图3)，吊点距法兰约50cm，采用双筒卷扬机安拆溜管，每次安拆12m，人工配合倒链卸管至附近场地。

图3 每12m焊接吊点

4.2.3 洞内储料斗

投料竖井下方布置容积为5m3储料斗，采用I20a工字钢制作支架，底部下料口设置弧形开关板，并配备附着振捣器。

4.3 注意事项

投料竖井井口、井底固定，确保系统安全；投料竖井孔深约255m，无检修空间，井口布置卷扬机吊装系统，确保发生堵管后能够起吊处理；选择合适的混凝土配合比、外加剂，保证混凝土顺利输送；通过井口计量系统控制下料速度，在溜管内增加缓冲器减小混凝土下料速度，避免溜管、缓冲器短期内被击穿和溜管堵管现象；通过混凝土运输系统输水洗管，洞内沉淀排水；溜管运行期间保证上下电话通信畅通，如出现问题即刻停止。

4.4 质量安全保证措施

每次投料前用清水湿润溜管，投入砂浆后，再匀速下混凝土料，投料完毕，及时洗管；试验人员常驻现场，混凝土浇筑时及时调整施工配合比、检验混凝土坍落度；每浇筑5000m3混凝土检修溜管一次，提升溜管，逐节检修维护更换破损管件。

5 投料竖井施工方案

5.1 投料竖井

在桩号30+390处布置投料竖井，孔径600mm，孔深约255m，垂直度保证在0.5°/200m以内，安装φ529×6mm螺旋钢管做护壁管，安装φ219×8mm无缝钢管做溜管运输混凝土，溜管采用法兰连接，每6m设置一组缓冲器。

5.1.1 钻井

采用WTD-L800钻机钻井，由30.3m3/min螺杆空气压缩机供风，钻井步骤为：一开钻进→二开先导孔钻进→三开扩孔。

一开钻进：地表覆盖层采用φ400空气潜孔锤钻穿覆盖层并钻进完整基岩0.5m，每5m进行测斜纠偏，土层段用φ377×6mm护管。

二开先导孔钻进：采用φ255空气潜孔锤钻孔至设计深度，完整基岩层每25m进行测斜纠偏。

三开扩孔：采用φ355、φ600空气潜孔锤分两次扩孔至设计深度、设计孔径，安装护壁管。

5.1.2 安装护壁管固井

钻孔完成后，用20t汽车吊安装φ529×6mm护壁管，护壁管每节长12m，管道焊接连接，焊接方式为对焊、加筋帮条焊；采用泥浆泵灌注水泥浆固结井壁与护壁管之间的间隙，防止井壁掉块、垮塌、涌水、涌沙等，水泥浆液水灰比1∶1～0.5∶1。

5.1.3 废弃物处理

为满足环保要求，在河道右岸开挖长5m、宽5m、深2m的储渣池，先导孔施工期间人工配合装载机清理废弃物至储渣池，采用15t自卸汽车定期清理废弃物运至8号支洞弃渣场；扩孔石渣采用8号支洞洞内8t自卸汽车运至主支交叉口，绞车运至洞外，15t自卸汽车倒运至弃渣场。

5.2 安拆溜管

5.2.1 溜管安拆方法

溜管每节6m，采用法兰连接，法兰与管道焊接，再与管道周边加筋焊接。图4为法兰与管道焊接示意图。

图4 法兰与管道焊接示意图

溜管上每隔12m焊接吊点，吊点距法兰约50cm，每次安拆12m，安拆溜管时须拆除井口溜槽、储料斗和计量器等。在井口位置安装高13m的龙门架，龙门架用I20a工字钢制作，采用10t双筒卷扬机通过滑轮组利用200mφ16钢丝绳(6×7+FC)在孔口安拆溜管，人工配合2t倒链拆卸管至附近场地，滑轮组由2个动滑轮、2个定滑轮和1个地轮组成，滑(地)轮自重均为90kg，滑轮直径350mm，起重力60kN。

5.2.2 溜管安拆配套设备选型计算

φ219×8mm溜管：38.48kg/m×250m=9.62t。

混凝土堵管按照125m计：2400kg/m3×3.43m3=8.23t。

钢丝绳承重：(9.62t+8.23t)/4根=4.46t。

初步选择直径16mm、6×7+FC(公6股、每股7根的纤维芯)钢丝绳，长度200m，重约200kg,公称抗拉强度1960MPa，钢丝绳最小破断拉力Q=167kN；

该工程实际提升最大静力：Pmax=(4.46t+0.2t/4)×1000×10/1000=45.1kN，钢丝绳安全系数K=Q/Pmax=167/45.1=3.7。

卷扬机选择：钢丝绳起重量4.46t+0.2t/4=4.51t，选择起重量10t双筒卷扬机。

5.3 洞内储料斗

5.3.1 开挖支护

将桩号30+386.43～30+393.03范围内原Ⅲ类围岩洞段侧顶拱扩挖至断面尺寸宽×高=5.2m×7.0m，采用I20a钢拱架挂网喷浆支护，钢拱架间距约1m，C20混凝土喷护厚度20cm。

5.3.2 堵水灌浆

安装间开挖完成后，上下游各15m进行固结灌浆堵水，灌浆孔间排距2m×2m，孔深3～5m。

5.3.3 储料斗安装

储料斗容积为5m3，底部下料口设置弧形开关板，并配备附着振捣器。

5.3.4 废水处理

安装间附近布置长3m、宽2m、深1m的沉淀池，收集洗管废水，沉淀池内安装15kW水泵排水至附近集水井，利用8号支洞下游排水系统排至主支交叉口集水井；定期清理沉淀池淤积物，采用8号支洞洞内8t自卸汽车运至主支交叉口，绞车运至洞外，15t自卸汽车倒运至弃渣场。

5.4 拌和系统

拌和系统包括JZC500全自动上料拌和站、2个水泥储料罐、1个粉煤灰储料罐和砂石料仓等，采用彩钢板封闭。拌和站基础采用C25混凝土浇筑，料仓挡墙采用M7.5浆砌石砌筑；拌和系统场地采用C25混凝土进行硬化，混凝土厚度20cm。

6 溜管投料过程使用效果分析

小浪底引黄工程8～9号支洞之间隧洞衬砌均采用竖井溜管运输混凝土方案施工，利用三角挡板缓冲器控制下落速度，保证溜管运输混凝土拌和物的质量。在竖井溜管及拌和系统安装完成后，进行了10天生产性试验，确定了混凝土配合比及坍落度等参数。在施工过程中发生过两次堵管，经检测分析，一次是由于高温大风导致混凝土坍落度降低而引发；另一次是由于坍落度偏大、骨料离析后堆积在缓冲器处而引发。目前，已完成该段隧洞混凝土衬砌的1/3，施工强度在可控范围内。

7 结 语

小浪底引黄工程8～9号支洞之间隧洞衬砌采用投料竖井溜管运输混凝土方案施工，在高埋深、施工支洞不能满足运输条件和运输能力的条件下，最大限度地增加了衬砌施工面，保证了工期。利用三角斜锥形挡板缓冲器控制下落速度，保证溜管运输混凝土拌和物的质量。

为了保证隧洞混凝土衬砌质量，在安装和使用竖井溜管过程中应注意以下问题：竖井开挖及溜管安装应保证垂直度，以减小混凝土投送过程对管壁的磨损，保证溜管的使用寿命；缓冲器的安装距离应通过试验确定，距离过短会使混凝土下降速度过慢，易造成混凝土堵管，距离过长会使混凝土离析；每次投料前，应先投放不少于5m3的砂浆，起到润滑和保护溜管的作用，降低堵管概率；实验员应现场严格控制混凝土拌和物质量，根据天气、温度不定时监测出料口、入料仓等部位混凝土坍落度、和易性等指标；对不合格混凝土拌和物应立即采取补救措施或废弃；由于溜管输送距离长，在隧洞内需用混凝土罐车进行15～20min搅拌后方可投料到输送泵使用；混凝土连续浇筑结束后，溜管必须用清水清洗干净，防止砂浆累次集聚到管壁和缓冲器上，导致下次使用时发生堵管事故。