大型地下水封洞庫(kù)群機(jī)械化配套技術(shù)

李春輝 周正華 辛國(guó)平

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

·機(jī)械與設(shè)備·

大型地下水封洞庫(kù)群機(jī)械化配套技術(shù)

李春輝 周正華 辛國(guó)平

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

結(jié)合工程實(shí)例，通過研究大型地下水封洞庫(kù)群的施工特點(diǎn)，提出了機(jī)械化配置要求，分析了機(jī)械化配套施工的優(yōu)越性，并根據(jù)機(jī)械化配置原則，給出了大型地下水封洞庫(kù)機(jī)械配套組合。

水封洞庫(kù)，機(jī)械化，配套，優(yōu)越性

地下水封洞庫(kù)工程采用水封原理儲(chǔ)備油氣資源，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、投資少、占地小、環(huán)保和生態(tài)友好、儲(chǔ)量大并且利于戰(zhàn)備的優(yōu)點(diǎn)，被稱為“具有高度戰(zhàn)略安全的儲(chǔ)備庫(kù)”，我國(guó)尚處于起步階段。洞庫(kù)建成后一般不再進(jìn)入洞庫(kù)內(nèi)部進(jìn)行修復(fù)工作，存在一系列施工技術(shù)難題，施工難度和技術(shù)難度大，機(jī)械化配套技術(shù)是此類洞庫(kù)施工的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以煙臺(tái)大型地下水封式LPG儲(chǔ)氣洞庫(kù)為例，對(duì)洞庫(kù)工程的配置進(jìn)行了論述。

1 工程概況

煙臺(tái)地下水封LPG洞庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為100萬(wàn)m3，是目前世界儲(chǔ)量最大的LPG地下水封洞庫(kù)，用于儲(chǔ)存丁烷、LPG和丙烷液化氣體；其中丁烷、LPG庫(kù)庫(kù)容均為25萬(wàn)m3，丙烷庫(kù)庫(kù)容為50萬(wàn)m3。每個(gè)庫(kù)均由3條長(zhǎng)度200 m～400 m的洞罐組成，洞罐截面成蛋形平底狀(圓形拱頂、圓形邊墻、水平底板)，寬度18 m～20 m，高度26 m～28 m，設(shè)計(jì)開挖斷面面積397 m3。水幕孔為直徑100 mm的鉆孔，水平水幕孔位于洞罐上20 m處，垂直水幕孔位于洞罐外側(cè)20 m處，水幕孔長(zhǎng)度為30 m～100 m。根據(jù)施工和運(yùn)營(yíng)的不同需要，在洞庫(kù)的不同標(biāo)高處設(shè)有洞庫(kù)間連接巷道。因其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開挖斷面大、施工質(zhì)量要求高、注漿及水幕技術(shù)要求高、施工組織難度大的特點(diǎn)，采用機(jī)械化配套施工。

2 設(shè)備配置總體要求

1)大型地下洞庫(kù)群施工特點(diǎn)。a.相對(duì)于傳統(tǒng)的交通隧道，洞庫(kù)施工環(huán)境更加惡劣。洞庫(kù)施工90%的工作量均為開挖施工，如采用傳統(tǒng)的臺(tái)架法施工效率較低。95%物料通過斜井運(yùn)輸，90%污風(fēng)通過斜井外排，運(yùn)輸車輛和通風(fēng)設(shè)備的選型極為重要。b.洞庫(kù)施工不進(jìn)行仰拱和二次襯砌。在洞庫(kù)施工中，僅少量施工線路需要混凝土鋪底作業(yè)，而主洞庫(kù)更是要開挖四層才能完成。所以底板施工時(shí)，由于超欠挖效果不佳，臺(tái)架行走不順暢。c.洞庫(kù)轉(zhuǎn)角擴(kuò)挖、下臺(tái)階施工處多。洞庫(kù)內(nèi)有許多施工處需要轉(zhuǎn)角開挖、下臺(tái)階施工，傳統(tǒng)的臺(tái)架難以滿足施工需求。d.洞庫(kù)施工斷面較大、較多。洞庫(kù)主洞庫(kù)施工均為寬18 m～20 m、高26 m～28 m，此類同時(shí)施工的斷面有9個(gè)～10個(gè)，還有水幕小斷面，高峰期合計(jì)施工斷面約有15個(gè)左右。如采用傳統(tǒng)加工的臺(tái)架太重，移動(dòng)極其不安全，而且施工斷面太大，加工、修補(bǔ)非常困難。e.為保證洞庫(kù)的密閉性，需要鉆深孔注漿封堵裂隙。洞庫(kù)施工地均在海邊，海邊地層富含水。所以洞庫(kù)在施工過程中，庫(kù)內(nèi)各處均有可能隨時(shí)出現(xiàn)裂隙水，水量較大。這時(shí)采用鑿巖臺(tái)車施工可以快速到達(dá)施工地點(diǎn)進(jìn)行鉆深孔注漿(20 m以上)，而傳統(tǒng)機(jī)械難以滿足此類需求。f.水幕系統(tǒng)的可靠性是洞庫(kù)氣密性的重要條件之一，最深達(dá)100 m水幕孔的施工精度是其重要保證，水幕鉆孔設(shè)備的選型極為重要。g.洞庫(kù)施工錨桿設(shè)計(jì)量較大。如采用人工臺(tái)架開挖，在各個(gè)斷面需加工2個(gè)臺(tái)架。一個(gè)作為開挖臺(tái)架施工，另一個(gè)作為支護(hù)臺(tái)架施工。在實(shí)際施工中，需要移動(dòng)2個(gè)重型臺(tái)架較為困難。

2)洞庫(kù)機(jī)械化施工設(shè)備配置總體要求。鑒于洞庫(kù)以上的施工特點(diǎn)，我們不難判斷：水封洞庫(kù)施工需要安全性和經(jīng)濟(jì)性高、節(jié)能環(huán)保、移動(dòng)便捷、工效高、鉆孔深、適應(yīng)惡劣環(huán)境的一體化專業(yè)設(shè)備。

3 機(jī)械化配套施工的優(yōu)越性

1)安全系數(shù)高。a.臺(tái)車司鉆人員安全性明顯提高。鑿巖臺(tái)車開挖時(shí)，司鉆人員距離掌子面十多米，安全系數(shù)明顯高于傳統(tǒng)人工作業(yè)。b.機(jī)械化配套施工支護(hù)及時(shí)、到位。洞身在爆破開挖后，立即由混凝土濕噴機(jī)組對(duì)外露圍巖進(jìn)行初噴，隨后進(jìn)行液壓鑿巖臺(tái)車配合平臺(tái)車進(jìn)行錨桿鉆孔、安裝工作，避免了掌子面危石下落造成的人員傷害事故。c.混凝土噴射機(jī)組操作人員安全性明顯提高。采用混凝土噴射機(jī)組進(jìn)行濕噴作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員和設(shè)備可停留在已完成初期支護(hù)相對(duì)安全的位置進(jìn)行濕噴作業(yè)，消除了對(duì)機(jī)械設(shè)備和施工人員存在著很大的安全隱患。

2)能耗低，功效高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。a.噴射混凝土濕噴機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析。在噴射同等量的混凝土的情況下，傳統(tǒng)工藝的能源和配件消耗是大型濕噴機(jī)組消耗的5倍以上，混凝土回彈量是大型濕噴機(jī)組的4倍～5倍，而效率僅為大型濕噴機(jī)組的1/3～1/5。采用大型濕噴機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)小型濕噴機(jī)。b.鑿巖臺(tái)車施工經(jīng)濟(jì)性分析。以某開挖斷面120 m2的雙線鐵路隧道施工為例，巖石主要為花崗巖(強(qiáng)度達(dá)到80 MPa以上)，初期采用人工風(fēng)鉆開挖平均每方耗電量為12 kW·h左右，采用2臺(tái)鑿巖臺(tái)車開挖后，平均每方耗電量為1.8 kW·h左右，并且提高了施工效率，較人工風(fēng)鉆開挖節(jié)約成本27.9%，對(duì)降低人工費(fèi)和間接費(fèi)大有裨益，采用鑿巖臺(tái)車施工經(jīng)濟(jì)性能明顯突出。

3)工程質(zhì)量穩(wěn)定可靠，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)環(huán)境得到根本改觀。a.噴射混凝土作業(yè)。以主洞庫(kù)頂層施工為例，若采用常規(guī)的小型噴射機(jī)作業(yè)，需配備2臺(tái)～3臺(tái)，每臺(tái)配6人，連續(xù)作業(yè)3.5 h才能完成噴射混凝土支護(hù)作業(yè)，并且外加劑和水由人工控制現(xiàn)場(chǎng)添加，隨意性較大，噴出的料束受上料速度的影響而不均勻、不連續(xù)，平整度較差，外觀顏色不均勻，力學(xué)性能指標(biāo)浮動(dòng)較大，而且現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度大，施工質(zhì)量和作業(yè)環(huán)境得不到良好的保證。而濕噴機(jī)組施工僅需1臺(tái)，配備3人作業(yè)1 h即可完成主洞庫(kù)頂層噴射混凝土支護(hù)作業(yè)，并且拌合料配比及外加劑摻量穩(wěn)定，再加上機(jī)械手噴射的流量穩(wěn)定、速度勻速，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，外觀顏色均勻，力學(xué)性能指標(biāo)浮動(dòng)幅度小，初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、密實(shí)度好，施工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度小，作業(yè)環(huán)境良好，勞動(dòng)強(qiáng)度低。b.洞身開挖作業(yè)。以主洞庫(kù)頂層施工為例，常規(guī)的人工風(fēng)鉆開挖需配人工30名左右，鉆眼作業(yè)時(shí)間為4 h；采用鑿巖臺(tái)車僅需2臺(tái)、共4人連續(xù)作業(yè)1 h即可完成鉆眼作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

4 大型地下洞庫(kù)群機(jī)械化配套

1)機(jī)械化配套原則。地下洞庫(kù)施工以高強(qiáng)度開挖、鉆孔、噴混凝土、裝載及運(yùn)輸、注漿等作業(yè)為主，主要設(shè)備的適用性和可靠性對(duì)工程順利推進(jìn)至關(guān)重要。a.三臂鑿巖臺(tái)車Atlas353E，Sandvik(Tamrock)T11及更新系列，地下作業(yè)應(yīng)優(yōu)先選擇全液壓系統(tǒng)，能較好適應(yīng)潮濕、多塵的作業(yè)環(huán)境，全液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高，易維護(hù)，元配件成本相對(duì)較低，對(duì)中硬巖(Rb=80 MPa～100 MPa)和硬巖(Rb=100 MPa～120 MPa)的適應(yīng)性較好。b.混凝土濕噴機(jī)械

手：目前應(yīng)用較成熟、性能穩(wěn)定的混凝土濕噴機(jī)械手有大象(麥斯特MEYC0Potenza)，阿利瓦(SIKA-PM500)，CIFA、挪曼爾特(NORMET)等，均適應(yīng)地下噴混凝土作業(yè)環(huán)境。c.水幕孔鉆孔設(shè)備：潛孔鉆成熟品牌較多，Atlas、古河等潛孔鉆性能穩(wěn)定，效率高，綜合經(jīng)濟(jì)性較好，在地下洞庫(kù)受限空間高強(qiáng)度作業(yè)環(huán)境下，應(yīng)配置自動(dòng)換鉆桿和孔口捕塵系統(tǒng)。d.通風(fēng)機(jī)：優(yōu)先選擇變頻通風(fēng)機(jī)，該類型通風(fēng)機(jī)可根據(jù)作業(yè)面空氣質(zhì)量自行調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，具有既能保證作業(yè)面空氣質(zhì)量又能實(shí)時(shí)控制功率，節(jié)能高效的優(yōu)點(diǎn)，成熟的品牌有蓋雅等。定級(jí)調(diào)速通風(fēng)機(jī)雖具有調(diào)速功能，但最多四級(jí)，每級(jí)定速運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)能效果差。e.裝載機(jī)：目前國(guó)產(chǎn)成熟品牌有柳工ZLC系列、徐工系列和廈工系列，可滿足地下洞庫(kù)高強(qiáng)度裝渣作業(yè)要求。f.出渣大車：選功率280 kW以上的雙后轎自卸式，有效載重25 t，車廂容積12 m3以上的出渣率。g.高空作業(yè)平臺(tái)車：優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪式行走、作業(yè)升高10 m～12 m、工作載荷400 kg以上的平臺(tái)車。2)煙臺(tái)LPG大型水封洞庫(kù)主要施工機(jī)械配備見表1。

表1 各分隊(duì)機(jī)械配備表

5 結(jié)語(yǔ)

煙臺(tái)地下水封LPG洞庫(kù)工程通過機(jī)械化配套的應(yīng)用，11.77個(gè)月完成2 135.1 m交通巷道掘進(jìn)(月均掘進(jìn)181 m，最高月掘進(jìn)309 m)，15.9個(gè)月完成9條主洞庫(kù)2 817 m開挖支護(hù)作業(yè)，每條主洞庫(kù)分4層開挖，累計(jì)開挖1 118.8萬(wàn)m3洞渣(月均開挖7萬(wàn)m3，最高月開挖12萬(wàn)m3)，優(yōu)質(zhì)高效地完成了工程施工任務(wù)，證明了本配套技術(shù)方案的合理性和先進(jìn)性。

通過本工程的實(shí)踐，本人深刻體會(huì)到：大型地下水封洞庫(kù)施工技術(shù)難度大，機(jī)械化配套施工是解決相關(guān)技術(shù)難題的重要途徑之一，其重要性將日益突出。隨著社會(huì)的發(fā)展，人力資源成本越來(lái)越高，且對(duì)工作環(huán)境提出了更高的要求，傳統(tǒng)風(fēng)鉆操作工、小型濕噴機(jī)操作人員越來(lái)越少，機(jī)械化配套施工的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步體現(xiàn)，機(jī)械化配套前景極為廣闊。

On mechanized auxiliary technique of large-scale underground cavern groups with water curtains

Li Chunhui Zhou Zhenghua Xin Guoping

(No.1Division,ChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401121,China)

Combining with engineering examples, the paper points out the mechanized allocation requirements according to the construction features of large-scale underground cavern groups with water curtains, analyzes the advantages of the mechanized auxiliary construction, provides the mechanic auxiliary combination of the large-scale underground cavern groups with water curtains adhering to the mechanized allocation principle.

cavern with water curtain, mechanization, auxiliary, advantages

1009-6825(2015)02-0220-02

2014-11-03

李春輝(1976- )，男，工程師； 周正華(1975- )，男，高級(jí)工程師； 辛國(guó)平(1976- )，男，高級(jí)工程師

TU607

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