礦山輸送廊道鋼結構修復施工的新方法

夏春生，路海軍，朱向國

1 項目簡介

1.1 項目概況

某水泥公司有一套礦山破碎與輸送系統，膠帶輸送機輸送角度為19°，1號、2號膠帶輸送機基礎位于箱涵出口下方邊坡上，邊坡原始坡角為45°。輸送系統桁架及基礎建設完成后，邊坡在自然狀態下基本穩定。但受強降雨持續影響，雨水滲入邊坡巖體，在孔隙水壓力、巖體溫差及基礎傳遞的動荷載等作用下，邊坡坡面附近的破壞程度不斷上升，各節理面進一步發展、延伸并逐漸貫通。隨著雨水滲入邊坡的深度增加，破壞范圍逐漸增大，邊坡由局部破壞發展為整體滑動破壞、失穩垮塌，輸送系統1號、2號基礎鋼支架嚴重損壞，桁架發生垂直和水平方向的位移，僅依靠輸送機膠帶的張力懸掛在空中，輸送系統已無法正常運行。為恢復輸送系統正常運行，亟需對已變形損壞的鋼支架與桁架進行修復。

1.2 項目施工條件

（1）施工區域地形、工程地質及水文地質情況

施工區域地形陡峻，箱涵出口至5號基礎高差達100m，主要出露地層為上覆第四系全新統崩坡積層碎石。施工區域北東側坡腳附近有一條水溝，溝寬約2.5～4.5m，水流較急，流速約1.0m/s，流量較大。施工區域地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶水，巖溶水主要賦存于石炭系下統鋪門前組灰巖表層節理裂隙和溶蝕縫隙中，其中，巖溶裂隙中的含巖溶水是施工區域內主要的地下水，巖溶裂隙也是主要的含水層，富含水。根據鉆探巖芯的完整程度判定，該場地內的中風化灰巖巖體屬于“較破碎”巖體，根據土工試驗報告可知，其飽和抗壓強度標準值為51.1MPa，屬較硬巖。中風化灰巖巖石基本質量分級為Ⅳ類。

（2）施工場地設施與運輸條件

施工用電可以利用廊道上的檢修電源。施工區域外有臨時通道可通往附近的5號基礎，且臨時通道僅可通行小型車輛，大型吊裝設備無法進入施工區域，材料運輸困難，需多次人工倒運。

2 工程修復方案

根據現場地形，排除了使用吊裝機械設備的施工方案，原因主要包括：無聯絡道路可供機械設備通行；已失穩垮塌的邊坡尚未穩定，應避免擾動導致其二次破壞；受地形限制，施工使用的材料需應用小噸位機械運至現場。

由于該修復工程為高空作業，施工期正值雨季，經反復論證，決定采用“吊橋型懸吊桁架”吊裝修復方案。該方案具體如下：確定可以承受外力的位置，采用吊橋形式為吊裝作業提供受力點，將桁架及其他構配件懸吊至設計位置后，安裝鋼支架，修復此段輸送膠帶廊道。

具體實施時，在箱涵和3號桁架處各設置一座龍門架，以設計的輸送膠帶中心線為基準，在龍門架上對稱布置主吊索，為桁架和鋼支架吊裝提供受力點，以使桁架起吊完成后基本位于設計位置。預計上部桁架的復位與校正工期約為10d，鋼支架的安裝工期約為10d。

3 工程修復重點

1號、2號基礎鋼支架損壞情況如圖1所示。由圖1可以看出，輸送系統上部桁架在水平與垂直方向均有移位，需在兩個方向上進行調整復位；有兩跨桁架桿件存在變形，需要更換或校正；箱涵出口與1號桁架間的輸送膠帶支架已毀壞，需更換。

圖1 1號、2號基礎鋼支架損壞照片

1號、2號基礎鋼支架損壞嚴重，需鋼結構廠重新分節加工制作，以便于現場安裝；安裝鋼支架時，需在基礎四周搭設腳手架平臺，隨著鋼支架分節安裝高度的上升，逐漸提高腳手架平臺高度。

4 龍門架主吊索荷載和安全系數驗算

制作龍門架，懸吊2根主吊索，膠帶輸送機工藝布置及龍門架吊索位置如圖2所示。主吊索鋼絲繩根據龍門架移位段的桁架、構配件總質量進行選型，本工程施工荷載的總質量約8t，因此選用的鋼絲繩型號為：6*19-26.0mm-1570MPa。主吊索荷載和安全系數的驗算如下。

圖2 膠帶輸送機工藝布置及龍門架吊索位置布置圖

4.1 確定鋼絲繩跨度和工作垂度

根據現場實際情況，確定鋼絲繩跨度L=50m，外荷載作用下，工作垂度f=L/20=2.5m。

4.2 計算單位跨度施工總荷載

（1）鋼絲繩荷載

單條鋼絲繩單位質量2.49kg/m，g=10m/s2，2條鋼絲繩單位荷載為：

（2）桁架及構配件荷載

（3）施工人員荷載

取6人在廊道上同時作業，按每人75kg計，6名施工人員荷載為:

（4）單位跨度施工總荷載

4.3 驗算鋼絲繩安全系數

鋼絲繩公稱抗拉強度為1 570MPa，破斷拉力T破=777kN。

單根主吊索最大水平拉應力

其中:

最大力矩

單根鋼絲最大水平拉應力

單根鋼絲最大軸向拉應力

安全系數K=0.8T破/Tmax=0.8×777/206=3.02，安全系數≥3～4，符合要求。

5 修復工程施工過程

5.1 安裝架設龍門架及主吊索

（1）安裝架設龍門架

在箱涵端部及桁架端部各安裝架設一座龍門架[2]，在距箱涵端部2m的頂板上安裝架設一座龍門架；在桁架端部上弦加設節點板，節點板下部的立桿用同型號的槽鋼加固，在節點板上架設另一座龍門架，此龍門架與節點板間采用絞接方式連接。龍門架吊索布置見圖3，龍門架架設實景見圖4。

圖3 龍門架吊索布置圖

圖4 龍門架架設實景

（2）對稱布置主吊索

以設計的輸送膠帶中心線為基準，在龍門架上對稱布置主吊索，以使桁架起吊完成后基本上處于設計位置。

（3）布置垂直吊索

主吊索張緊前，在對應位置安裝垂直吊索。根據桁架及兩個龍門架的間距，在兩根主吊索（1號桁架靠箱涵端、兩跨桁架連接處的垂直上方）設置吊點，同時，需考慮主吊索張緊后的伸長量。

（4）張拉主吊索

箱涵端吊索通過箱涵頂板穿孔螺栓固定后，沿廊道施放主吊索，并在主吊索上預設垂直吊索與提升用葫蘆（4個5t葫蘆，1根主吊索上安裝2個）。先將3號桁架端部的龍門架朝箱涵方向放倒，測量長度后，將主吊索與龍門架頂部的箱涵側吊耳固定，另一側的吊耳通過10t葫蘆對2根主吊索同時進行張緊，達到設計位置后，再用鋼絲繩在3號、4號桁架上多點固定，將3號、4號桁架間的上下弦用槽鋼焊接，使3號、4號桁架形成一個整體。主吊索張拉施工現場見圖5。

圖5 主吊索張拉施工現場

5.2 穩定桁架

（1）利用吊索、葫蘆等工具懸吊移位鋼桁架端部下弦至受力狀態。

（2）移位鋼桁架的兩側設攬風繩，將攬風繩用地錨固定。在鋼桁架移位方向，攬風繩采用“鋼絲繩+葫蘆”的形式，以便歸位時能緩慢調整位置。

5.3 拆除2號支架

（1）將葫蘆系在桁架上，吊住2號支架并拉緊，割開支架頂部的桁架支座。如此一來，在拆除支架時，不論支架承受拉力還是承受壓力，均不會失穩。

（2）拆除支架，設置攬風繩，控制支架下落方向，避免碰撞3號支架。

5.4 桁架歸位

（1）緩慢調整桁架右側攬風繩上的葫蘆，使桁架先水平方向歸位。

（2）同時調整主吊索與桁架間的4個葫蘆，使桁架垂直方向歸位。

（3）桁架就位后，檢查所有桁架受損情況并進行修復。

5.5 安裝及校正鋼支架

鋼支架的安裝需與1號、2號基礎及邊坡治理工程協同進行。待基礎與上部邊坡治理完成后，開始安裝鋼支架。用挖掘機將鋼支架分節運至現場。受地形限制，鋼支架不能采取“先組對、后整體吊裝”的方式，只能在基礎上逐節（＜1t重）向上架設，邊吊裝邊組對。鋼支架利用桁架上弦進行起吊，同時支架四周的腳手架作為組對平臺同步向上搭設。安裝最后一節支架時，需同時利用平臺與桁架。

5.5.1 進行安裝前準備

（1）平整吊裝場地。

（2）復驗安裝定位所使用的軸線控制點，測量標高使用的水準點。

（3）標出標高控制線和坐標軸線。

（4）復驗預埋件軸線、標高、水平度、預埋螺栓位置及伸出長度，超過允許偏差時，作技術處理。

（5）核對鋼支架幾何尺寸與現場基礎或預埋件的尺寸。

（6）充分考慮運輸便利性，避免構件變形，根據構件的結構特點和使用順序，合理放置構件。

（7）對構件外觀、制作質量、是否存在搬遷變形等環節進行檢查、記錄。

（8）修復或調換不符合安裝要求的構件、材料，構件、材料符合安裝要求后方可投入現場施工。

5.5.2 實施鋼支架安裝

安裝順序由下至上，安裝時應特別注意誤差的累加。每一獨立桿件安裝完成后，應具有足夠的空間剛度和可靠的穩定性。

（1）主柱安裝

清潔基礎，調整基礎標高后，進行安裝。主柱的安裝包括基礎放線、綁扎、吊裝、校正、固定等。

（2）鋼支架單節吊裝

確定綁扎點，在柱底上部將單節鋼支架用麻繩綁好，作為牽制溜繩的調整方向。吊裝前的準備工作就緒后，先進行試吊，吊至100～200mm高度時停吊，檢查索具是否牢固和穩定。吊裝組對后，擰緊全部螺栓螺母并加固桿件，達到安全要求后，方可摘除吊鉤，依此繼續吊裝其余桿件。

（3）立柱校正

立柱的校正一般包括平面位置、標高及垂直度的校正。

鋼支架吊裝柱腳穿入基礎螺栓就位后，對支架標高和垂直度進行校正調整；校正工具可選用纜風繩、千斤頂、正反螺紋撐桿、大型撬杠等。對鋼支架施加拉、頂、撐或撬的垂直力和側向力，同時采用不等厚墊鐵，在柱底板與基礎之間調整校正后，用螺栓固定，并加雙重螺母防松。

5.6 連接和固定構件

（1）各類構件連接的接頭，須檢查合格后，方可進行緊固和焊接。

（2）安裝高強度螺栓時，構件的摩擦面應保持干燥，不得在雨中作業。

（3）高強度螺栓應順暢穿入孔內，不得強行敲打；為便于操作，螺栓穿入方向宜一致，并不得作臨時安裝螺栓用。

（4）不得隨意對安裝螺栓孔進行氣割擴孔。

（5）在同一包裝箱中，高強度螺栓均有配套的螺母和墊圈。當施工過程中，螺栓有剩余時，必須按批號分別存放，不得混放混用。在儲存運輸和施工過程中應防止高強螺栓受潮生銹、沾污和碰傷。

（6）每組高強螺栓應從節點中心向邊緣緊固。當天安裝的螺栓應在當天緊固完畢，其外露絲扣不得少于2扣。

6 主要施工資源投入

主要施工機械設備見表1，主要材料配置見表2，上部桁架復位與校正施工階段投入勞動力共計15人，鋼支架安裝施工階段投入勞動力共計21人。

表1 主要施工機械設備

表2 主要材料配置

7 結語

本工程在未使用大型吊裝設備和在對環境影響最小的前提下，采用吊橋形式為吊裝作業提供受力點，懸吊桁架及其他構配件至設計位置后，安裝鋼支架，順利完成了礦山膠帶輸送機廊道的修復工作。該操作方法簡單、適應性強、所需機具簡單，供類似吊裝作業時參考。