改良型锚喷技术在敦化电站长斜井中的应用

石 春，程正邦，陈昌文，郝晓辉

（中电建建筑集团有限公司，北京 100120）

近年来，我国抽水蓄能电站建设较快，抽蓄电站利用高水头发电，水道系统设计中必然有斜井工程。斜井开挖一般采用先导井后扩挖方式，导井断面较小，多采用爬罐或反井钻等机械开挖，除不良地质段外，导井对支护要求不高。斜井扩挖断面较大，一般采用钻爆法施工，开挖后井壁采用锚喷支护技术进行岩面封闭，不良地质段还需增加钢筋网片与锚杆联合受力，确保支护的整体性，防止水汽侵蚀围岩、受爆破扰动后岩壁松动石块掉落，伤及井下作业人员或施工设备。锚喷作业成为斜井扩挖施工中必要的、不可或缺的工序，必须紧跟掌子面。然而工程现场情况复杂，由于供风站距离喷射机较远、预混料集料拌和投料流程、常规喷射机性能等原因，在长距离斜井施工中，按照传统喷射混凝土施工经验，喷射机的最远喷射距离难以超过180m，难以继续适应长斜井支护施工。因此，对喷射混凝土系统进行技术改造，研究适用于长距离斜井施工的喷射混凝土技术，用以满足安全管控、施工质量和进度控制。

1 工程概况

敦化抽水蓄能电站引水系统工程共设计有4条斜井，分为上斜井和下斜井。上斜井单长419.06m，开挖断面为φ7.0m，下斜井单长466.35m，开挖断面为φ6.0m，倾角均为55°。斜井采用锚喷支护，喷射C20混凝土厚度10cm，设计喷射混凝土工程量3115.3m3。由于斜井开挖按照四级风险管理，一次支护必须紧跟掌子面。锚喷混凝土采用PZ-5型喷射机，投放于上井口，人工上料，通过软式锚喷管和喷头在井下施喷。

2 混凝土喷射系统改良优化

2.1 喷射混凝土原理

喷射混凝土是锚喷支护的一道工序。是将水泥和集料按照一定比例拌合后，以压缩空气为动力，用喷射机将预拌混凝土以喷射方法覆盖到需要支护的岩面上，凝结硬化后形成较密实的混凝土结构，与岩体粘结，封闭裸露围岩，与锚杆或网片共同受力，达到支护目的。

喷射混凝土系统由喷射机、空气压缩机、搅拌机、上料机具、供水设施等组成：喷射机选型为PZ-5型转子式混凝土喷射机，该设备主要是用于干式（潮式）喷射混凝土；空气压缩机选用洞内集中供风站成套设备及管线；搅拌机为J-120型混凝土拌合站设备；上料机具为人工用铁锹两人连续供料；供水设备为洞内高位水箱及相连管路。

2.2 关键部位的优化

2.2.1 供风系统改造优化

斜井开挖及支护施工采用集中供风站和相配套管路供风，空压机站配套3台阿特拉斯45/0.8型空压机，供风管采用焊接钢管，法兰连接，主管直径200mm，支管直径150~100mm，随隧洞开挖进程，一直接引到斜井上井口。斜井和其他洞室开挖支护同步，按照总风量计算，空压机站供风可满足几个工作面同时施工，但斜井距离供风站较远，供风管路较长，在多个工作面同时施工时，明显感到风压不足。经研究，先排除本段供风管线接头法兰和闸阀的漏风点，在上井口后方耳洞内加装一个储气罐，容量2.0m3，调整安全阀控制出风压力，这样相当于将供风站前移到上井口附近直接供风，风压风量上均满足喷射机设备需要。

2.2.2 集料拌和系统改造优化

斜井喷射C20强度混凝土。水泥：选用符合国家标准的P.O42.5普硅水泥，进场水泥应有合格证和生产厂的质量证明书；骨料：细骨料采用场内甲供的中粗砂，细度模数宜大于2.5，使用时的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用甲供豆石，粒径5~15mm；外加剂：采用符合国家规范标准的速凝剂，并有合格证和生产厂家的质量证明书；初凝时间不应大于5min，终凝不得大于10min；拌和水为围岩裂隙渗水，经收集于高位水箱储藏备用。

拌和系统一般投料顺序为砂→豆石→水泥，速凝剂在人工上料时添加，水在喷射管喷头处阀门控制添加。当集料运至上井口喷射机料区发现，集料有未拌匀的砂与水泥分离，豆石裹浆不饱满现象。井下喷射混凝土上墙率差，回弹率高[1]。经研究，改变拌和投料顺序，先投入豆石和水泥拌和30s，再投入砂拌和60s，严格控制拌和时间，少拌多送，每次拌料控制在1.5m3以内，利于人工添加速凝剂时控制掺量计量，洞内岩壁渗水温度偏低，在上井口100m段供水管路上加装伴热带，提高喷射混凝土拌合水水温，利于上墙凝结，减少回弹。

2.2.3 喷射机改造优化

混凝土喷射机主体结构由驱动装置、转子总成、气路系统、压紧装置和喷射系统等部分组成[2]。其工作原理是：将拌合好的混凝土集料人工上料，集料经过筛网到达喷射机旋转圆柱状料斗，由拨料器拨动注入转子总成的混料腔，在混料腔内与气路系统的压缩空气混合，呈旋转、浮游状态，在风压作用下进入到输料管路，在喷头处与水混合之后，喷射到井壁受喷面上。随着输送距离不断增长，堵管现象从无到有，频次增加，每次处理堵管需要停机、卸压、开腔、敲管、疏通、恢复等步骤，费时费力。在井口风压满足、拌和集料混合均匀情况下，采取对喷射机影响构件进行改造优化，达到通畅的长距离喷射混凝土[2]。

（1）改造进料滤网孔径（如图1标注1的构件）

为防止大块料进入喷射机料腔，设备在进料口设置一道滤网篦子，孔径30mm，对于长距离送料，超径料容易产生堵管和对输料管的磨损。经研究，采用自制的孔径为15mm滤网篦子取代设备自带滤网，严格控制进入料腔的集料粒径。

（2）改造料腔密度（如图1标注2的构件）

混凝土喷射机内部设置有10个圆柱状料腔，通过改造钢衬板花盘，间隔一个封闭一个，将中部钢衬板的10个下料孔改为5个，以降低下料速度，平衡混凝土供给量，以保持压风动力输送的稳定性，减少集料堵管现象。

（3）改造出料口结构（如图1标注3的构件）

图1 混凝土喷射机改造部位图

混凝土喷射机设计出料口连接管直径40mm，长18cm，随电机驱动花盘转动，压力风直接将集料送入高压供料管，随气流流向喷头，经长距离输送，集料比重较大的石子下沉堆积，水泥提前喷出，易造成间歇堵管。经研究，对出料口进行优化，改造后出料口长度30cm，内径60mm，并在内侧镶嵌螺旋导流叶，提高了混凝土料进入管路的初速度，并且形成螺旋风，随着集料进入连接管，有节奏地将管内气流送入输料管，带有拧劲和钻劲向前增压，打乱了集料分离状态，再次混合，送到喷头处。

2.2.4 输料系统改造优化

斜井掌子面距离上井口越来越远，采用以上方式实施喷射混凝土到井下300m后，已经达到极限，堵管频次再次增多，上墙难度大，回弹率增加。经研究，改造输料系统，将混凝土喷射机下井，坐落于防护大盘上，始终和掌子面保持20~30m距离，井口架设溜放平台和栈桥，集料采用溜灰管下放到防护盘上，人工再次上料，完成300m以下的斜井锚喷支护。

本套锚喷料输送系统，结合后期斜井钢衬回填溜放混凝土拌合物考虑，从上至下分别由栈桥、集料平台、溜管、喷射机工作台、喷射软管等组成。

（1）设置栈桥

在斜井上弯段转向平台与上弯段起点中间设置栈桥通道一条，栈桥面净宽1.2m，采用14#槽钢制作立柱与结构骨架，上部铺设3mm厚花纹板。栈桥上部设置1.0~1.2m高护栏，挡脚板高度0.2m，护栏内侧满挂密目网，底板采用油布满铺，防止杂物漏下栈桥。栈桥为单车单人通行，小车为0.15m3双轮手推车，每次装料不超过上沿口的2/3。严禁途中洒遗。

（2）集料平台

集料平台设在导向轮平台左侧，长宽各2m，中部设置方口圆底锥形料斗一个，上口边长0.6m，底口直径0.2m，锥部高度0.6m。采用加劲角钢固定，上部设置孔径15mm的篦子对锚喷料进行过滤，防止超径骨料落下。集料平台底板采用5cm厚脚手板满铺，下部及四周采用铁皮密封，防止骨料从板缝中漏下。护栏高度1.2m，与栈桥护栏连为整体。

（3）输送溜管

溜管前段为直径200mm的焊接钢管，两端焊接法兰盘，采用螺栓连接，上弯段过后，溜管改为耐磨PE管，直径200mm，专用接头连接。溜管顺爬梯外侧布置，每根溜管与爬梯地锚筋连接不少于两处，在离底板较高处应单独增设锚筋，保证溜管牢固不下滑，每隔30m设置一节1.0m短管，便于拆卸检查。整个溜管系统采用两根直径12mm细钢丝绳和锁扣串联，防止单节溜管断开造成高处滑落事故。集料在管内靠自重溜放。

（4）喷射机工作台

斜井斜直段加部分弯段单长约420m，井下250~300m后利用扩挖大盘作移动工作台，进行接料和喷锚作业。扩挖大盘限载3t，喷射机自重600kg，操作手4名计0.4t，剩余荷载不得大于2.0t，斜井溜管溜放集料至平台每次控制在0.5m3之内（每方集料约2.2t）。卷扬机下放大盘到施喷面上方，将喷浆软管下放到掌子面，施喷手站在掌子面上进行井壁施喷，每开挖一段，锚喷一次，如此往复循环，直到斜井喷射支护完成。

（5）高压喷射管

高压喷射管为耐磨橡胶软管，与喷射机设备出料口采用卡扣连接，根据需要长度加长管节，从扩挖防护大盘一直延伸到掌子面，前端连接喷头，控制风压和水压，将锚喷料瞬间预混并喷射在井壁受喷面上。

3 技术质量要求

（1）混凝土喷射施工准备工作做好后，严格掌握规定的速凝剂掺量，并添加均匀。喷射时，喷射手应严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干斑和滑移流淌现象。

（2）喷射混凝土作业应分段分片依次进行，喷射顺序自下而上，一次喷射厚度约5cm；分层喷射时，后一层应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再行喷射，应先用风水清洗喷层面：喷射作业紧跟开挖工作面，混凝土终凝至下循环放炮时间不应少于3h。

（3）喷射作业应严格执行喷射机的操作规程：应连续向喷射机供料；保持喷射机工作风压稳定；完成或因故中断喷射作业时，应将喷射机和输料管内的积料清除干净。

（4）调节好风压和水压：风压与喷射质量有密切的关系，过大的风压会造成喷射速度太高而加大回弹量，损失水泥，风压过小会使喷射力减弱，则混凝土密实性差。因此，根据喷射情况应适当调整风压。

（5）掌握好喷嘴与受喷面的距离和角度；喷嘴至岩面的距离为0.8～1.2m，过小或过大都会增加回弹量；喷嘴与受喷面垂直，并稍微偏向喷射的部位（倾斜角不大于10°），则回弹量最小、喷射效果和质量最佳。对于岩面凹陷处应先喷和多喷，而凸出处应后喷和少喷，喷射时喷射枪头移动可以采用螺旋形移动前进，也可以采用“S”形往返移动前进。

4 优化后效果

通过对斜井锚喷工序中供风系统、集料拌和系统、混凝土喷射机及斜井输料系统的改造和优化，不再有堵管现象发生，回弹落地料明显减少。对混凝土喷射系统的系列改造优化，首度在1#下斜井试验成功，相继应用于后续的三条长斜井中，完成了引水系统总长1771m的斜井锚喷支护，保证了井下作业安全，与开挖工序形成有序的节律。

5 结束语

改良型锚喷技术的研究与应用，实现了敦化电站单长466m长斜井远距离喷射混凝土的目标，保证了斜井施工中开挖和支护两个主要工序的连续性，有效解决了长距离斜井喷射混凝土施工时运输路线单一、经常疏通堵管、喷射混凝土工序滞后等难题。在确保喷射混凝土支护质量的同时，加快了工程施工进度，保障了施工安全，减轻了工人劳动强度，节约了施工成本，效果显著，具有较高的推广价值。