改良型錨噴技術在敦化電站長斜井中的應用

石 春，程正邦，陳昌文，郝曉輝

（中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

近年來，我國抽水蓄能電站建設較快，抽蓄電站利用高水頭發電，水道系統設計中必然有斜井工程。斜井開挖一般采用先導井后擴挖方式，導井斷面較小，多采用爬罐或反井鉆等機械開挖，除不良地質段外，導井對支護要求不高。斜井擴挖斷面較大，一般采用鉆爆法施工，開挖后井壁采用錨噴支護技術進行巖面封閉，不良地質段還需增加鋼筋網片與錨桿聯合受力，確保支護的整體性，防止水汽侵蝕圍巖、受爆破擾動后巖壁松動石塊掉落，傷及井下作業人員或施工設備。錨噴作業成為斜井擴挖施工中必要的、不可或缺的工序，必須緊跟掌子面。然而工程現場情況復雜，由于供風站距離噴射機較遠、預混料集料拌和投料流程、常規噴射機性能等原因，在長距離斜井施工中，按照傳統噴射混凝土施工經驗，噴射機的最遠噴射距離難以超過180m，難以繼續適應長斜井支護施工。因此，對噴射混凝土系統進行技術改造，研究適用于長距離斜井施工的噴射混凝土技術，用以滿足安全管控、施工質量和進度控制。

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站引水系統工程共設計有4條斜井，分為上斜井和下斜井。上斜井單長419.06m，開挖斷面為φ7.0m，下斜井單長466.35m，開挖斷面為φ6.0m，傾角均為55°。斜井采用錨噴支護，噴射C20混凝土厚度10cm，設計噴射混凝土工程量3115.3m3。由于斜井開挖按照四級風險管理，一次支護必須緊跟掌子面。錨噴混凝土采用PZ-5型噴射機，投放于上井口，人工上料，通過軟式錨噴管和噴頭在井下施噴。

2 混凝土噴射系統改良優化

2.1 噴射混凝土原理

噴射混凝土是錨噴支護的一道工序。是將水泥和集料按照一定比例拌合后，以壓縮空氣為動力，用噴射機將預拌混凝土以噴射方法覆蓋到需要支護的巖面上，凝結硬化后形成較密實的混凝土結構，與巖體粘結，封閉裸露圍巖，與錨桿或網片共同受力，達到支護目的。

噴射混凝土系統由噴射機、空氣壓縮機、攪拌機、上料機具、供水設施等組成：噴射機選型為PZ-5型轉子式混凝土噴射機，該設備主要是用于干式（潮式）噴射混凝土；空氣壓縮機選用洞內集中供風站成套設備及管線；攪拌機為J-120型混凝土拌合站設備；上料機具為人工用鐵鍬兩人連續供料；供水設備為洞內高位水箱及相連管路。

2.2 關鍵部位的優化

2.2.1 供風系統改造優化

斜井開挖及支護施工采用集中供風站和相配套管路供風，空壓機站配套3臺阿特拉斯45/0.8型空壓機，供風管采用焊接鋼管，法蘭連接，主管直徑200mm，支管直徑150~100mm，隨隧洞開挖進程，一直接引到斜井上井口。斜井和其他洞室開挖支護同步，按照總風量計算，空壓機站供風可滿足幾個工作面同時施工，但斜井距離供風站較遠，供風管路較長，在多個工作面同時施工時，明顯感到風壓不足。經研究，先排除本段供風管線接頭法蘭和閘閥的漏風點，在上井口后方耳洞內加裝一個儲氣罐，容量2.0m3，調整安全閥控制出風壓力，這樣相當于將供風站前移到上井口附近直接供風，風壓風量上均滿足噴射機設備需要。

2.2.2 集料拌和系統改造優化

斜井噴射C20強度混凝土。水泥：選用符合國家標準的P.O42.5普硅水泥，進場水泥應有合格證和生產廠的質量證明書；骨料：細骨料采用場內甲供的中粗砂，細度模數宜大于2.5，使用時的含水率宜控制在5%～7%；粗骨料采用甲供豆石，粒徑5~15mm；外加劑：采用符合國家規范標準的速凝劑，并有合格證和生產廠家的質量證明書；初凝時間不應大于5min，終凝不得大于10min；拌和水為圍巖裂隙滲水，經收集于高位水箱儲藏備用。

拌和系統一般投料順序為砂→豆石→水泥，速凝劑在人工上料時添加，水在噴射管噴頭處閥門控制添加。當集料運至上井口噴射機料區發現，集料有未拌勻的砂與水泥分離，豆石裹漿不飽滿現象。井下噴射混凝土上墻率差，回彈率高[1]。經研究，改變拌和投料順序，先投入豆石和水泥拌和30s，再投入砂拌和60s，嚴格控制拌和時間，少拌多送，每次拌料控制在1.5m3以內，利于人工添加速凝劑時控制摻量計量，洞內巖壁滲水溫度偏低，在上井口100m段供水管路上加裝伴熱帶，提高噴射混凝土拌合水水溫，利于上墻凝結，減少回彈。

2.2.3 噴射機改造優化

混凝土噴射機主體結構由驅動裝置、轉子總成、氣路系統、壓緊裝置和噴射系統等部分組成[2]。其工作原理是：將拌合好的混凝土集料人工上料，集料經過篩網到達噴射機旋轉圓柱狀料斗，由撥料器撥動注入轉子總成的混料腔，在混料腔內與氣路系統的壓縮空氣混合，呈旋轉、浮游狀態，在風壓作用下進入到輸料管路，在噴頭處與水混合之后，噴射到井壁受噴面上。隨著輸送距離不斷增長，堵管現象從無到有，頻次增加，每次處理堵管需要停機、卸壓、開腔、敲管、疏通、恢復等步驟，費時費力。在井口風壓滿足、拌和集料混合均勻情況下，采取對噴射機影響構件進行改造優化，達到通暢的長距離噴射混凝土[2]。

（1）改造進料濾網孔徑（如圖1標注1的構件）

為防止大塊料進入噴射機料腔，設備在進料口設置一道濾網篦子，孔徑30mm，對于長距離送料，超徑料容易產生堵管和對輸料管的磨損。經研究，采用自制的孔徑為15mm濾網篦子取代設備自帶濾網，嚴格控制進入料腔的集料粒徑。

（2）改造料腔密度（如圖1標注2的構件）

混凝土噴射機內部設置有10個圓柱狀料腔，通過改造鋼襯板花盤，間隔一個封閉一個，將中部鋼襯板的10個下料孔改為5個，以降低下料速度，平衡混凝土供給量，以保持壓風動力輸送的穩定性，減少集料堵管現象。

（3）改造出料口結構（如圖1標注3的構件）

圖1 混凝土噴射機改造部位圖

混凝土噴射機設計出料口連接管直徑40mm，長18cm，隨電機驅動花盤轉動，壓力風直接將集料送入高壓供料管，隨氣流流向噴頭，經長距離輸送，集料比重較大的石子下沉堆積，水泥提前噴出，易造成間歇堵管。經研究，對出料口進行優化，改造后出料口長度30cm，內徑60mm，并在內側鑲嵌螺旋導流葉，提高了混凝土料進入管路的初速度，并且形成螺旋風，隨著集料進入連接管，有節奏地將管內氣流送入輸料管，帶有擰勁和鉆勁向前增壓，打亂了集料分離狀態，再次混合，送到噴頭處。

2.2.4 輸料系統改造優化

斜井掌子面距離上井口越來越遠，采用以上方式實施噴射混凝土到井下300m后，已經達到極限，堵管頻次再次增多，上墻難度大，回彈率增加。經研究，改造輸料系統，將混凝土噴射機下井，坐落于防護大盤上，始終和掌子面保持20~30m距離，井口架設溜放平臺和棧橋，集料采用溜灰管下放到防護盤上，人工再次上料，完成300m以下的斜井錨噴支護。

本套錨噴料輸送系統，結合后期斜井鋼襯回填溜放混凝土拌合物考慮，從上至下分別由棧橋、集料平臺、溜管、噴射機工作臺、噴射軟管等組成。

（1）設置棧橋

在斜井上彎段轉向平臺與上彎段起點中間設置棧橋通道一條，棧橋面凈寬1.2m，采用14#槽鋼制作立柱與結構骨架，上部鋪設3mm厚花紋板。棧橋上部設置1.0~1.2m高護欄，擋腳板高度0.2m，護欄內側滿掛密目網，底板采用油布滿鋪，防止雜物漏下棧橋。棧橋為單車單人通行，小車為0.15m3雙輪手推車，每次裝料不超過上沿口的2/3。嚴禁途中灑遺。

（2）集料平臺

集料平臺設在導向輪平臺左側，長寬各2m，中部設置方口圓底錐形料斗一個，上口邊長0.6m，底口直徑0.2m，錐部高度0.6m。采用加勁角鋼固定，上部設置孔徑15mm的篦子對錨噴料進行過濾，防止超徑骨料落下。集料平臺底板采用5cm厚腳手板滿鋪，下部及四周采用鐵皮密封，防止骨料從板縫中漏下。護欄高度1.2m，與棧橋護欄連為整體。

（3）輸送溜管

溜管前段為直徑200mm的焊接鋼管，兩端焊接法蘭盤，采用螺栓連接，上彎段過后，溜管改為耐磨PE管，直徑200mm，專用接頭連接。溜管順爬梯外側布置，每根溜管與爬梯地錨筋連接不少于兩處，在離底板較高處應單獨增設錨筋，保證溜管牢固不下滑，每隔30m設置一節1.0m短管，便于拆卸檢查。整個溜管系統采用兩根直徑12mm細鋼絲繩和鎖扣串聯，防止單節溜管斷開造成高處滑落事故。集料在管內靠自重溜放。

（4）噴射機工作臺

斜井斜直段加部分彎段單長約420m，井下250~300m后利用擴挖大盤作移動工作臺，進行接料和噴錨作業。擴挖大盤限載3t，噴射機自重600kg，操作手4名計0.4t，剩余荷載不得大于2.0t，斜井溜管溜放集料至平臺每次控制在0.5m3之內（每方集料約2.2t）。卷揚機下放大盤到施噴面上方，將噴漿軟管下放到掌子面，施噴手站在掌子面上進行井壁施噴，每開挖一段，錨噴一次，如此往復循環，直到斜井噴射支護完成。

（5）高壓噴射管

高壓噴射管為耐磨橡膠軟管，與噴射機設備出料口采用卡扣連接，根據需要長度加長管節，從擴挖防護大盤一直延伸到掌子面，前端連接噴頭，控制風壓和水壓，將錨噴料瞬間預混并噴射在井壁受噴面上。

3 技術質量要求

（1）混凝土噴射施工準備工作做好后，嚴格掌握規定的速凝劑摻量，并添加均勻。噴射時，噴射手應嚴格控制水灰比，使噴層表面平整光滑，無干斑和滑移流淌現象。

（2）噴射混凝土作業應分段分片依次進行，噴射順序自下而上，一次噴射厚度約5cm；分層噴射時，后一層應在前一層混凝土終凝后進行，若終凝1h后再行噴射，應先用風水清洗噴層面：噴射作業緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下循環放炮時間不應少于3h。

（3）噴射作業應嚴格執行噴射機的操作規程：應連續向噴射機供料；保持噴射機工作風壓穩定；完成或因故中斷噴射作業時，應將噴射機和輸料管內的積料清除干凈。

（4）調節好風壓和水壓：風壓與噴射質量有密切的關系，過大的風壓會造成噴射速度太高而加大回彈量，損失水泥，風壓過小會使噴射力減弱，則混凝土密實性差。因此，根據噴射情況應適當調整風壓。

（5）掌握好噴嘴與受噴面的距離和角度；噴嘴至巖面的距離為0.8～1.2m，過小或過大都會增加回彈量；噴嘴與受噴面垂直，并稍微偏向噴射的部位（傾斜角不大于10°），則回彈量最小、噴射效果和質量最佳。對于巖面凹陷處應先噴和多噴，而凸出處應后噴和少噴，噴射時噴射槍頭移動可以采用螺旋形移動前進，也可以采用“S”形往返移動前進。

4 優化后效果

通過對斜井錨噴工序中供風系統、集料拌和系統、混凝土噴射機及斜井輸料系統的改造和優化，不再有堵管現象發生，回彈落地料明顯減少。對混凝土噴射系統的系列改造優化，首度在1#下斜井試驗成功，相繼應用于后續的三條長斜井中，完成了引水系統總長1771m的斜井錨噴支護，保證了井下作業安全，與開挖工序形成有序的節律。

5 結束語

改良型錨噴技術的研究與應用，實現了敦化電站單長466m長斜井遠距離噴射混凝土的目標，保證了斜井施工中開挖和支護兩個主要工序的連續性，有效解決了長距離斜井噴射混凝土施工時運輸路線單一、經常疏通堵管、噴射混凝土工序滯后等難題。在確保噴射混凝土支護質量的同時，加快了工程施工進度，保障了施工安全，減輕了工人勞動強度，節約了施工成本，效果顯著，具有較高的推廣價值。