袁華俊,劉 野,劉則啟

(1.秦皇島市引青管理局,河北秦皇島 066000;2.遼寧地礦井巷建筑工程公司,遼寧朝陽 122000)

斜井長(zhǎng)距離混凝土泵送技術(shù)

袁華俊1,劉 野2,劉則啟2

(1.秦皇島市引青管理局,河北秦皇島 066000;2.遼寧地礦井巷建筑工程公司,遼寧朝陽 122000)

以降云頂隧洞混凝土泵送為例,分析了斜井長(zhǎng)距離混凝土泵送存在的問題、堵管機(jī)理及解決的方法,并論述了斜井長(zhǎng)距離混凝土泵送設(shè)計(jì)與操作流程。

斜井;長(zhǎng)距離;混凝土泵送;堵管

0 引言

在小斷面隧洞施工中,襯砌混凝土輸送方式有2種:一是礦車運(yùn)輸,該種運(yùn)輸操作簡(jiǎn)單,但運(yùn)輸時(shí)易產(chǎn)生混凝土離析而影響質(zhì)量,同時(shí)生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大;二是混凝土泵送,泵送混凝土質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度小,但存在泵送距離和堵管問題。隨著混凝土泵送設(shè)備與技術(shù)的發(fā)展,混凝土泵送越來越多地使用在隧洞施工中。引青濟(jì)秦東西線對(duì)接工程降云頂隧洞由斜井和主洞構(gòu)成,襯砌混凝土需經(jīng)過斜井轉(zhuǎn)到主洞內(nèi)。本工程泵送技術(shù)的難點(diǎn)是斜井泵送和長(zhǎng)距離泵送。

1 工程概況

降云頂隧洞主洞全長(zhǎng)3217 m,其中一標(biāo)段主洞長(zhǎng)1615 m。一標(biāo)段共布置2個(gè)斜井和1個(gè)進(jìn)口作為施工主洞的出入口。1號(hào)斜井長(zhǎng)110 m,傾角23°,2號(hào)斜井長(zhǎng)320 m,傾角16°。主洞斷面為馬蹄形,開挖直徑3.0 m,凈直徑2.4 m。隧洞平面布置圖見圖1。

2 混凝土泵送方案的確定

圖1 隧洞平面布置圖

混凝土泵送方案有2種:接力泵送和直接泵送。接力泵送就是由多臺(tái)混凝土泵接力式向前泵送,接力泵送需要將混凝土泵安放在井下主洞內(nèi)。此方案優(yōu)點(diǎn)是可解決斜井部位的堵管和長(zhǎng)距離輸送;缺點(diǎn)是小斷面隧洞中,混凝土泵的體積受到限制,每個(gè)泵的輸送距離較短,需要多臺(tái)混凝土泵,機(jī)械故障多,管理不方便,費(fèi)用高。直接泵送就是利用地表一臺(tái)混凝土泵直接將混凝土輸送到襯砌工作面。此方案優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備用量少,管理方便;缺點(diǎn)是斜井部位和長(zhǎng)距離輸送容易堵管,技術(shù)要求高。經(jīng)綜合考慮,確定采用直接泵送方案。

3 斜井泵送存在的問題及解決方法

3.1 存在的問題

當(dāng)泵送管路向下傾角大于4°時(shí),一般情況下,輸送管內(nèi)混凝土靠自重就可以克服與管壁間的粘滯力而下滑。本工程斜井角度大于16°,混凝土下滑是不可避免的?；炷料禄瑫?huì)產(chǎn)生2種后果:

(1)石子與砂漿分離,即產(chǎn)生混凝土離析現(xiàn)象;

(2)混凝土在下滑力作用下,首先聚集在斜井底部,使斜井輸送管形成密閉的空間,造成輸送管內(nèi)存儲(chǔ)有空氣。

3.2 堵管機(jī)理

斜井泵送堵管機(jī)理有2種。

(1)混凝土在輸送管內(nèi)下滑時(shí),石子下滑得快,砂漿下滑得慢,從而造成石子與砂漿分離,石子將聚集在一起,由于石子沒有砂漿的包裹,石子與輸送管管壁之間的阻力將大增,從而造成堵管,而無法進(jìn)行混凝土輸送。

(2)混凝土下滑到井底后,斜井底部管路首先被堵住,造成輸送管內(nèi)存儲(chǔ)有空氣,當(dāng)空氣推動(dòng)混凝土向前移動(dòng)時(shí),砂漿阻力小,走得快,石子阻力大,走得慢,從而造成砂漿與石子分離。同樣,由于石子沒有砂漿的包裹,石子與輸送管管壁之間的阻力增大,從而造成堵管,而無法進(jìn)行混凝土輸送。另外氣體存在后,氣體將水析出,形成干節(jié),也可造成堵管。

3.3 解決的方法

為了解決石子與砂漿分離,可增加下滑阻力和調(diào)整混凝土配合比。具體方法如下:

(1)在斜井鋪管時(shí),增加一些彎管;

(2)在開始泵送時(shí),在輸送管內(nèi)塞入海綿橡膠球及浸濕的水泥袋;

(3)適當(dāng)增加水泥摻量,減少石子用量,增加砂子用量,從而增加砂漿與石子的粘結(jié)力,減少石子聚集的可能性,待斜管內(nèi)充滿混凝土后,再改為正常混凝土泵送。

為了防止輸送管內(nèi)存儲(chǔ)空氣,在斜管上端安裝排氣閥。在開始泵送混凝土?xí)r打開排氣閥;在斜管內(nèi)充滿混凝土后關(guān)閉排氣閥。斜段布管時(shí)要保證管路坡度一致,避免高低起伏太大,以防起伏段空氣無法放出,而存儲(chǔ)有空氣。若斜井坡度變化太大,在管路變坡處應(yīng)安裝排氣閥排出輸送管內(nèi)的空氣。

4 長(zhǎng)距離泵送存在的問題及解決方法

4.1 存在的問題

(1)混凝土在輸送管內(nèi)離析是客觀存在的,當(dāng)輸送距離短時(shí),混凝土離析還未達(dá)到堵管程度就被泵出管外,也就沒有發(fā)生堵管;當(dāng)輸送距離長(zhǎng)時(shí),混凝土離析越來越嚴(yán)重,達(dá)到一定程度就發(fā)生了堵管;

(2)輸送管路加長(zhǎng)后,可能堵管部位增多,堵管概率加大;

(3)混凝土在輸送管內(nèi)運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng),會(huì)造成流動(dòng)性下降,泵送阻力加大。

長(zhǎng)距離泵送混凝土失敗的原因主要是長(zhǎng)時(shí)間處理堵管,既浪費(fèi)大量的混凝土,又沒有施工進(jìn)度,最后不得不放棄泵送混凝土。

4.2 堵管機(jī)理

正常泵送的混凝土在管道中心形成柱狀流體,流動(dòng)時(shí)呈懸浮狀態(tài),表面包有一層水泥漿,水泥漿作為潤(rùn)滑劑與管壁接觸,骨料之間基本上不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)某些粗骨料運(yùn)動(dòng)受阻時(shí),后面的粗骨料運(yùn)動(dòng)速度受其影響而滯緩,致使形成粗骨料集結(jié),而附近的砂漿被擠走,余下的間隙由小骨料填充,水泥漿潤(rùn)滑層被破壞,運(yùn)動(dòng)阻力加大,速度變慢,直至運(yùn)動(dòng)停止而堵管。

4.3 解決的方法

造成堵管的因素很多,主要有混凝土原材料、混凝土配合比(水灰比、砂率、坍落度、外加劑)、混凝土拌和、混凝土泵、輸送管及管件、輸送管布設(shè)、泵送混凝土操作等。解決堵管問題應(yīng)全面考慮、統(tǒng)一管理。解決堵管既是技術(shù)問題,也是管理問題。

5 斜井長(zhǎng)距離混凝土泵送設(shè)計(jì)

本標(biāo)段混凝土最難泵送位置為標(biāo)段交界處,其布管線路:泵站到斜井洞口80 m,2號(hào)斜井320 m (傾角16°),2號(hào)斜井井底至標(biāo)段交界470 m,合計(jì)泵送距離870 m。下面以此為例,介紹混凝土泵送設(shè)計(jì)。

5.1 輸送管路

5.1.1 對(duì)輸送管及管件的要求

(1)輸送管路在工作狀況下將承受較高壓力,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。

(2)為滿足骨料在輸送管路中的運(yùn)行,應(yīng)選擇適當(dāng)直徑的輸送管。輸送管內(nèi)徑一般由混凝土中粗骨料的最大粒徑?jīng)Q定。由于管路中同一截面內(nèi)三個(gè)粗骨料的相互擠壓可引起堵管事故。所以,可按骨料最大粒徑的3～4倍選擇輸送管內(nèi)徑。此外,還應(yīng)考慮管路對(duì)混凝土的摩擦阻力。混凝土排量相同時(shí),管路內(nèi)徑越小,混凝土流速越高,則摩擦阻力越大,也就需要較大的推送力。

(3)為滿足改變方向、口徑等要求,設(shè)有各種角度的彎管和錐管。為了減小輸送阻力,應(yīng)盡量少使用彎管和錐管。

(4)為保證管路可靠的密封性能,應(yīng)選用高壓管卡和高壓橡膠密封圈。輸送管連接是管路敷設(shè)的重要環(huán)節(jié),如果管卡部位密封不好,水泥漿將向管外泄漏,從而減少混凝土柱滑動(dòng)所需的潤(rùn)滑成分,增大了輸送阻力,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)混凝土離析現(xiàn)象,成為干混凝土,而發(fā)生堵管事故。另外在長(zhǎng)距離混凝土輸送時(shí),泵送壓力較大,易產(chǎn)生管卡損壞。

(5)管路內(nèi)壁應(yīng)光滑,無銹蝕,無壓癟等缺陷,以減小輸送阻力。

5.1.2 輸送管及管件的選擇

根據(jù)工程特點(diǎn)、施工現(xiàn)場(chǎng)情況,輸送管均選用壁厚4.5 mm的高壓無縫鋼管,輸送管直徑125 mm,每根長(zhǎng)度3.0 m。詳細(xì)輸送管及配件用量見表1。

表1 輸送管及管件用量一覽表

5.2 泵送設(shè)備

5.2.1 泵送設(shè)備的選擇

衡量混凝土泵技術(shù)性能的主要指標(biāo)是:最大理論混凝土輸送量和最大泵送混凝土壓力。降云頂隧洞斷面小,設(shè)計(jì)每延米襯砌混凝土方量3.0 m3,每次澆筑20 m,包括超挖回填共需混凝土75 m3,每次澆筑混凝土方量不大。然而本工程要求的最大泵送距離為870 m,其中包含320 m斜井,折算成水平距離為1021 m,屬長(zhǎng)距離輸送。根據(jù)最大泵送距離,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況,最終選用ZLJ5110THB型柴油車載混凝土泵1臺(tái)。

5.2.2 混凝土泵的技術(shù)性能

最大理論混凝土輸送量:87/58(低壓/高壓) m3/h;最大泵送混凝土壓力:14/9(高壓/低壓) MPa;額定功率:174 kW;允許最大骨料粒徑:碎石40 mm,卵石50 mm;混凝土輸送管內(nèi)徑:“125/150 mm;外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高):8890 mm×2490 mm× 3000 mm;總質(zhì)量:11020 kg。

5.2.3 混凝土泵的最大水平輸送距離驗(yàn)算

根據(jù)混凝土泵的最大出口壓力、配管情況、混凝土性能和輸出量,按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:Lmax——混凝土泵的最大水平輸送距離,m; Pmax——混凝土泵的最大出口壓力,14 MPa; ΔPH——混凝土在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)每米產(chǎn)生的壓力損失,Pa/m。

式中:k1——粘著系數(shù),k1=(3-0.1S)×100,Pa; k2——速度系數(shù),k2=(4-0.1S)×100,Pa/m/s; t1——在活塞推動(dòng)下混凝土流動(dòng)的時(shí)間;t2——分配閥的閥門轉(zhuǎn)換時(shí)混凝土停止流動(dòng)的時(shí)間;t2/t1的比值約為0.2～0.3,取0.3;S——混凝土的坍落度,取22 cm;β——徑向壓力與軸向壓力之比值,取0. 9;V——輸送管內(nèi)混凝土平均流速,取0.83 m/s。

計(jì)算結(jié)果表明ZLJ5110THB型柴油車載混凝土泵能滿足施工要求。

5.3 混凝土原材料及配合比

5.3.1 粗骨料

粗骨料的最大粒徑與混凝土輸送管徑之比要控制在一定數(shù)值之內(nèi),目的是防止混凝土泵送時(shí)堵管。粗骨料的形狀對(duì)混凝土的泵送性能也產(chǎn)生影響,一般表面光滑的圓形或近似圓形的粗骨料比尖銳扁平的要好,因?yàn)楹笳邌挝惑w積的表面積比前者大,也就需要更多的砂漿去包裹其表面。根據(jù)混凝土泵、輸送管及工程實(shí)際情況,粗骨料選用“5～25 mm連續(xù)級(jí)配的碎石。

5.3.2 細(xì)骨料

細(xì)骨料對(duì)混凝土可泵性的影響遠(yuǎn)大于粗骨料?；炷猎谳斔凸苤许樌鲃?dòng)是砂漿潤(rùn)滑管壁和粗骨料懸浮在砂漿中的緣故。實(shí)踐證明,中砂更適宜泵送。

5.3.3 水泥、粉煤灰與引氣劑

水泥采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,對(duì)水泥的要求是和易性好,不易泌水。

泵送混凝土對(duì)細(xì)粉含量要求較大,為了減少水泥用量,在拌合物中摻入粉煤灰,粉煤灰摻量為水泥用量的10%～15%。摻入粉煤灰后可提高混凝土的和易性及可泵性,減少泌水和離析。

引氣劑可以提高混凝土的流動(dòng)性和可塑性,減少泌水和離析?；炷亮鲃?dòng)性增加后,可減小泵送壓力,從而提高泵送距離。引氣劑還可降低混凝土坍落度損失。因管路太長(zhǎng),混凝土從泵送開始到襯砌工作面,約需要40 min,若泵送過程中出現(xiàn)意外造成泵送中斷,時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),所以引氣劑選用緩凝型,保證混凝土攪拌后3 h內(nèi)不初凝。

5.3.4 混凝土配合比

泵送試驗(yàn)表明,泵送距離小于560 m時(shí),坍落度可選19 cm;當(dāng)泵送距離大于560 m時(shí),坍落度控制在22 cm比較適宜。如果加大坍落度,混凝土易泌水,容易產(chǎn)生離析并形成堵管;如果減小坍落度,將增大泵送壓力,混凝土泵送困難,泵送距離受限制。泵送混凝土配合比見表3。

表3 C25泵送混凝土配合比

6 斜井長(zhǎng)距離混凝土泵送操作流程

混凝土泵車啟動(dòng)后,應(yīng)先泵送適量的水以濕潤(rùn)混凝土泵車的料斗、混凝土缸及輸送管內(nèi)壁等直接與混凝土接觸的部位。經(jīng)泵水檢查,確認(rèn)混凝土泵和輸送管中無異物后,再泵送水泥漿、泵送1∶2水泥砂漿、泵送與混凝土內(nèi)除粗骨料外的其他成份相同配合比的水泥砂漿,其目的是進(jìn)行混凝土泵和輸送管內(nèi)壁潤(rùn)滑。

在泵送水泥漿前,需將用海綿球及水泥袋捆扎好的堵塞物塞入輸送管內(nèi),使水泥漿在管內(nèi)處于滿管狀態(tài),保證潤(rùn)滑管路的整個(gè)管壁。正常施工中,泵送水泥漿3罐后改泵送水泥砂漿,水泥砂漿由稀漸變濃,泵送5罐左右,水泥用量逐漸接近設(shè)計(jì)用量,泵送無異常后,按設(shè)計(jì)配合比正常泵送。

開始泵送時(shí),混凝土泵應(yīng)處于慢速、勻速并隨時(shí)可反泵的狀態(tài)。正常泵送時(shí),泵送要連續(xù)進(jìn)行,避免停頓。遇有不正常情況,應(yīng)放慢泵送速度。當(dāng)混凝土供應(yīng)不上時(shí),寧可降低泵送速度,也要保持連續(xù)泵送。慢速泵送時(shí),不能超過從攪拌到澆筑的允許延續(xù)時(shí)間。

短時(shí)間停泵,再運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要注意觀察壓力表,逐漸地過渡到正常泵送。長(zhǎng)時(shí)間停泵,應(yīng)每隔4～5 min開泵一次,使泵正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各兩個(gè)沖程。同時(shí)開動(dòng)料斗中的攪拌器,使之?dāng)嚢?～4轉(zhuǎn),以防止混凝土離析。停泵時(shí)間超過2 h(視氣溫、坍落度而定),宜將混凝土從混凝土泵和輸送管中清除。

斜井泵送時(shí),為防止輸送管內(nèi)存儲(chǔ)空氣,應(yīng)將設(shè)置在管路中的排氣閥打開,在斜管內(nèi)充滿混凝土后再關(guān)閉排氣閥。

當(dāng)混凝土泵出現(xiàn)壓力升高且不穩(wěn)定,油溫升高、輸送管明顯振動(dòng)等現(xiàn)象時(shí),不得強(qiáng)制泵送,應(yīng)立即查明原因,采取措施排除?？上扔媚鹃城脫糨斔凸軓澒?、錐形管等易堵塞部位,并進(jìn)行慢速泵送或反泵。

混凝土泵送結(jié)束前,應(yīng)計(jì)算尚需混凝土的數(shù)量。輸送管內(nèi)的混凝土可采用泵水的方法泵送入倉。泵水前應(yīng)從進(jìn)料口塞入海綿球及捆扎緊的水泥袋,以免壓力水越過海綿球及水泥袋混入混凝土中,造成管路中的混凝土離析。泵水產(chǎn)生壓力可將混凝土推出同時(shí)清洗管壁。

最后,拆開混凝土管路,并對(duì)輸送管進(jìn)行人工清洗。

7 其它注意事項(xiàng)

(1)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程。在泵送前應(yīng)作好施工準(zhǔn)備,不能因其它原因造成停泵。

(2)斜井段輸送管要用錨桿固定好,用導(dǎo)鏈拉緊,防止泵送時(shí)管路下沉。

(3)塌落度不符合要求時(shí),要及時(shí)將混凝土從料斗底部放掉,強(qiáng)行泵送極易造成堵管,切忌在料斗中加水?dāng)嚢琛?/p>

(4)在進(jìn)行反泵、正泵操作后仍未排除堵管時(shí),應(yīng)及時(shí)拆管清洗,否則會(huì)使堵管更加嚴(yán)重。

(5)加強(qiáng)管理,要將技術(shù)措施落實(shí)到實(shí)處。

8 結(jié)語

影響混凝土泵送的根本原因是堵管,斜井長(zhǎng)距離泵送與常規(guī)泵送相比只是堵管機(jī)理的不同和增加了堵管的可能性。造成堵管的原因很多,我們應(yīng)通過查找原因,分析機(jī)理,最終找到解決的方法。另外應(yīng)加強(qiáng)管理,確保各項(xiàng)措施的落實(shí)。降云頂隧洞泵送實(shí)踐證明,斜井長(zhǎng)距離泵送混凝土是可行的。

[1] JGJ/T 10-95,混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ 55-2000,混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB 50119-2003,混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].

Long Distance Concrete Pump ing in Inclined Shaft

YUAN Hua-jun1,LIU Ye2,LIU Ze-qi2(1.Qinhuangdao City Yin-qing Authority,Qinhuangdao Hebei 066000,China;2.Liaoning Tunnel Corporation,Chaoyang Liaoning 122000,China)

By the concrete pumping case in a tunnel,the paper analyzed the existing problems of long distance concrete pumping in inclined shaft and the mechanis m of pipe blockingwith the solution;and also discussed the design and opera-tion process.

inclined shaft;long distance;concrete pumping;pipe blocking

TV554

A

1672-7428(2010)04-0078-04

2009-12-04

袁華俊(1971-),男(漢族),湖北黃崗人,秦皇島市引青管理局副局長(zhǎng)、工程師,水工專業(yè),從事工程管理工作,河北省秦皇島市海港區(qū)八一路7號(hào);劉野(1963-),男(滿族),遼寧鐵嶺人,遼寧地礦井巷建筑工程公司項(xiàng)目經(jīng)理、高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事地下工程施工管理工作,遼寧省朝陽市長(zhǎng)江路四段29號(hào);劉則啟(1971-),男(漢族),湖北陽新人,遼寧地礦井巷建筑工程公司項(xiàng)目總工程師、高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事地下工程施工技術(shù)與管理工作。