抽水蓄能電站高邊墻繩鋸切割施工技術(shù)應(yīng)用研究

李永林，胡紫航，劉永奎，劉傳軍，張一波

（1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東省威海市 264419；2.中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，山東省泰安市 271000）

0 引言

目前，抽水蓄能電站上下水庫、廠房、引水系統(tǒng)、各類輔助洞室、道路交通等施工存在大量的石方開挖工程量，主要采用爆破開挖施工方式[1]。采用傳統(tǒng)爆破施工工藝，安全風(fēng)險(xiǎn)高，爆破開挖方式進(jìn)行地下廠房高邊墻施工，爆破結(jié)構(gòu)面平整度不高，且容易造成抽水蓄能隱形裂隙，存在潛在安全隱患。因此亟需在抽水蓄能電站工程建設(shè)中積極應(yīng)用新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備等方式，替代民用爆炸物品使用，降低安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。在此背景下，文登抽水蓄能電站開展了繩鋸切割新型開挖技術(shù)研究，總結(jié)形成了一套包含設(shè)備選型、施工組織、作業(yè)流程及工藝控制的繩鋸切割施工技術(shù)，以減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的損害。本文將對(duì)比常規(guī)爆破與切割兩種開挖方式，對(duì)廠房高邊墻圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

結(jié)合在文登抽水蓄能電站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定施工設(shè)備的參數(shù)和選型，研究地下洞室高邊墻切割施工技術(shù)，研究高邊墻與洞室交叉口施工工藝、設(shè)備施工過程、運(yùn)行過程及技術(shù)環(huán)節(jié)，為地下廠房高邊墻和洞室交叉部位切割施工提供施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

文登抽水蓄能電站地下廠房長214.5m、高53.5m，巖壁吊車梁以上寬26.5m、以下寬25m，主副廠房、主機(jī)間、安裝場成矩形布置。廠房第Ⅱ～Ⅲ層邊墻采用切割開挖，開挖高程66～56m。地下廠房區(qū)巖性以二長花崗巖和石英二長巖為主，整體塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖以Ⅰ、Ⅱ類為主，有f202、f203斷層Ⅲ類圍巖，圍巖強(qiáng)度110～130MPa，圍巖完整性較好[3]。

在地下廠房高邊墻部位與母線洞形成交叉部位采用繩鋸切割施工，對(duì)切割石塊整體外運(yùn)，基礎(chǔ)底部經(jīng)過清理后，無需進(jìn)行二次清洗情況下進(jìn)行高側(cè)壁和洞室現(xiàn)場繼續(xù)施工，為后續(xù)施工提供了良好工作面，提高開挖效率，且具有安全、經(jīng)濟(jì)效益。

2 方案比選及確定

2.1 施工方案比選

經(jīng)市場調(diào)研，綜合考慮地下廠房開挖設(shè)備空間布置要求、現(xiàn)有市場切割設(shè)備和工藝方法熟練度、傳統(tǒng)爆破開挖方式及各類施工工藝方法對(duì)作業(yè)環(huán)境影響等因素，對(duì)各類施工方法進(jìn)行了分析比選，見表1。

表1 地下廠房高邊墻施工方法比選分析表Table 1 Construction method comparison and analysis table of high side wall of underground powerhouse

2.2 施工方案確定

由于切割部分選擇在地下廠房第Ⅱ?qū)舆厜﹂_始，施工場地空間小，距離頂拱層起拱位置高度有限，整體地下洞室空間密閉，需采取噪聲小、灰塵少、具有設(shè)備所需的布置空間、施工速度快的工藝方案，經(jīng)過綜合分析，選擇金剛石繩鋸切割機(jī)設(shè)備，采用繩鋸切割方法對(duì)高邊墻與洞室交叉口進(jìn)行施工。

金剛石繩鋸切割機(jī)具有明顯優(yōu)點(diǎn)：繩鋸切割機(jī)的技術(shù)先進(jìn)，實(shí)用性和適用性高，能夠切割不同類型的混凝土構(gòu)件；切割機(jī)全自動(dòng)化，在進(jìn)行切割施工時(shí)，能夠自動(dòng)控制切割的路線和切割的速度；切割機(jī)進(jìn)行切割時(shí)，能夠進(jìn)行橫向、豎向、傾斜切割，靈活性強(qiáng)，施工方便；運(yùn)用切割機(jī)的導(dǎo)向輪，可以在復(fù)雜的施工環(huán)境下進(jìn)行切割施工，適用性強(qiáng)[4]。

3 施工技術(shù)難點(diǎn)

抽水蓄能電站地下洞室較多，高邊墻與地下洞室的交叉部位多，為保證切割料能夠順利取料，地下廠房中部提前進(jìn)行爆破施工，形成了臨空面，為切割創(chuàng)造高邊墻切割條件的同時(shí)，爆破存在的潛在不穩(wěn)定塊體較多，需重點(diǎn)清理?；A(chǔ)面采用爆破施工，設(shè)備布置基面不平整，設(shè)備布設(shè)要求平整度高，需提前調(diào)平，保證切割時(shí)切割設(shè)備平穩(wěn)。地下廠房對(duì)高邊墻的穩(wěn)定性要求高，切割時(shí)要做好切割部位監(jiān)測。

4 繩據(jù)切割技術(shù)應(yīng)用

4.1 繩鋸切割原理及設(shè)備技術(shù)參數(shù)

繩鋸切割通過把金剛石繩安裝在繩鋸機(jī)械的飛輪和導(dǎo)論上，飛輪固定在電動(dòng)機(jī)軸上，運(yùn)用主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)金剛石繩轉(zhuǎn)動(dòng)，通過繩上的金剛珠研磨，切割混凝土或石材。金剛石繩鋸能夠把切割面切割的平整，能切割多種斷面，大小面積構(gòu)件均能進(jìn)行切割，還可以切割不規(guī)則構(gòu)件，在廣泛切割工藝中進(jìn)行運(yùn)用[5]。

文登抽水蓄能電站使用的繩鋸切割機(jī)型號(hào)為SJ-37D。切割機(jī)主要組成部分包括繩鋸驅(qū)動(dòng)裝置、飛輪、相關(guān)操作系統(tǒng)、導(dǎo)向輪、金剛石鋸繩。繩鋸切割設(shè)備及相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 繩據(jù)切割設(shè)備及參數(shù)表Table 2 Rope cutting equipment and parameters list

4.2 繩鋸切割施工的影響因素

地下廠房高邊墻切割施工時(shí)，影響切割施工的因素包括切割機(jī)功率、金剛石繩鋸施工狀態(tài)、對(duì)切割施工工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工環(huán)境。對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行切割的施工所制定的切割方案不同，根據(jù)工程概況制定合理的切割施工方案，以達(dá)到好的施工效果；根據(jù)切割構(gòu)件的不同選擇合理的切割設(shè)備和切割參數(shù)，進(jìn)行切割施工時(shí)能夠產(chǎn)生好的切割效果；根據(jù)工程概況和構(gòu)件的大小，選擇合理的切割設(shè)備，避免大的切割面用小功率的切割設(shè)備進(jìn)行切割施工，對(duì)施工造成不好的效果[6]。

4.3 繩鋸切割施工工藝方法

金剛石繩鋸切割主要施工工方法是施工準(zhǔn)備、測量放樣、穿線孔鉆孔、繩鋸機(jī)械系統(tǒng)安裝（含金剛石繩穿孔和導(dǎo)向輪安裝等）、繩鋸切割等。

（1）施工準(zhǔn)備：清理施工場地，重點(diǎn)將場地底部和石塊清理干凈，現(xiàn)場四周進(jìn)行圍欄防護(hù)，做好配電箱和電纜敷設(shè)，現(xiàn)場儲(chǔ)備水箱用于繩鋸施工中冷卻金剛石繩，設(shè)置好排水措施等。

（2）測量放樣：在切割面位置處，選擇切割面矩形直角角點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，按照4個(gè)角點(diǎn)位置相互保證水平和豎直聯(lián)通進(jìn)行測量放點(diǎn)，確定切割穿線的豎直和水平向孔各2個(gè)。

（3）穿線孔鉆孔：按照測量放樣的點(diǎn)和孔向，搭建鉆孔機(jī)架，先采用短鉆桿進(jìn)行預(yù)開孔，然后更換長鉆桿整體貫通，鉆孔過程中注意測量孔斜和偏差，鉆孔后，穿入PVC套管對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。

（4）繩鋸機(jī)械系統(tǒng)安裝：安裝線鋸之前，做好電源、水源和選址準(zhǔn)備，根據(jù)水平和豎向兩個(gè)切割方向設(shè)備布置空間需要，規(guī)劃好繩鋸機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)置位置。在切割面1～3m處進(jìn)行軌道安裝，從前往后鋪設(shè)，使軌道平順，安裝完畢后，對(duì)軌道水平度檢查。將繩鋸設(shè)備安裝在軌道上，連接電源和操作臺(tái)，在沒有負(fù)載情況下來回移動(dòng)繩鋸設(shè)備進(jìn)行試運(yùn)行。試運(yùn)行正常后，將繩鋸機(jī)移至導(dǎo)軌前端，根據(jù)垂直切割要求將主驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)到所需高度狀態(tài)，并選擇合適位置將垂直導(dǎo)輪或水平導(dǎo)輪安裝固定在巖體上。按照切割施工需求選擇合理長度的金剛石繩穿入孔內(nèi)，垂直切割時(shí)自水平孔入繩，垂直孔穿出[7]。

（5）繩鋸操作交底：對(duì)繩鋸切割工藝進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)源制定預(yù)控措施和操作規(guī)程，對(duì)機(jī)械操作人員進(jìn)行專項(xiàng)技術(shù)交底和安全培訓(xùn)，設(shè)備電源線和控制線保持正常狀態(tài)，接地裝置良好。操作臺(tái)設(shè)置在距繩鋸側(cè)面不小于5m位置，切割方向嚴(yán)禁處于操作員面向方向，切割垂直面時(shí)，嚴(yán)禁靠近切割繩相同施工方向和俯看切割繩孔。挪動(dòng)冷卻管時(shí)要從切割縫位置操作，避免繩斷裂時(shí)對(duì)人員損傷。施工過程中，需安全員旁站監(jiān)督，快要切割完成時(shí)，轉(zhuǎn)化為人工切割，減慢切割速度，繩鋸切割完成后及時(shí)清洗設(shè)備上巖漿。設(shè)備使用中，要對(duì)設(shè)備滾動(dòng)部件潤滑保養(yǎng)，對(duì)金剛石繩檢查是否有裂紋、變形等[8]。

（6）繩鋸切割控制要點(diǎn)：金剛石繩安裝要牢固可靠，防止繩鋸脫落，保證切割面平整；安裝時(shí)，保證鋼珠安裝方向與繩鋸回旋轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，檢查串珠大小一致性，避免卡鋸和切割面不均勻。金剛石繩連接接頭，用專用液壓鉗擰緊，確保繩鋸縫與珠子連接緊密。切割過程中，要做好安全措施，尤其是用電、吊裝，設(shè)置安全防護(hù)裝置，做好警示標(biāo)志，防止人員靠近切割機(jī)[9]。

4.4 高邊墻繩鋸切割具體實(shí)施方法

4.4.1 地下廠房安裝間高邊墻繩鋸切割施工

文登抽水蓄能電站地下廠房安裝間邊墻繩鋸切割具體方法如下，穿繩孔布設(shè)見圖1。

圖1 穿繩孔布設(shè)示意圖（單位：mm）Figure 1 Rope hole layout diagram（unit：mm）

打設(shè)穿繩孔。對(duì)豎直孔（孔1）用YT-28手風(fēng)鉆打孔，豎直孔徑50mm，鉆孔完畢后檢查，保證孔徑和孔深，隨即對(duì)孔位清理和保護(hù)，防止殘?jiān)驴祝辉诘叵聫S房第Ⅲ層下部邊墻設(shè)置開挖輪廓線，打通水平穿線孔2，使水平孔與豎直孔相交連通，水平孔孔深3m，每次切割進(jìn)尺3m；在邊墻切割完成后打孔水平穿線孔3，為下步切割施工提供切割通道便于運(yùn)輸切割料。固定繩鋸機(jī)及導(dǎo)向輪，采用M16化學(xué)錨栓固定繩鋸主腳架，導(dǎo)向輪固定在硬巖上，導(dǎo)向輪邊緣與穿孔的中心線對(duì)齊。金剛石繩穿過穿孔1、孔2，與繩鋸活輪、輔助輪連接。邊壁輪廓切割完成后，金剛石繩分別穿過穿孔2和孔3、孔1和孔3。

4.4.2 地下廠房通風(fēng)機(jī)室以下端墻繩鋸切割施工

文登抽水蓄能電站地下廠房2號(hào)通風(fēng)機(jī)室以下至廠房Ⅱ?qū)拥撞浚ǜ叱?7.9m～高程55m）端墻繩鋸切割具體方法如下。

打設(shè)穿繩孔。因選擇的部位12.9m高，豎直孔需采用100B潛孔鉆鉆孔作業(yè)，鉆孔直徑90mm，間距1.5m，從2號(hào)通風(fēng)機(jī)室底部高程自上而下鉆孔貫通至交通洞頂部，部分鉆至地下廠房Ⅱ?qū)拥撞扛叱?5m處，高程55m處打設(shè)水平孔穿線孔，水平穿線孔孔深1.5m，與垂直穿線孔連通，作為繩鋸切割通道。端墻輪廓線切割完成后，打設(shè)垂直于端墻的穿線孔，為下一步切割取料提供切割通道。用M16化學(xué)錨栓固定繩鋸主腳架，導(dǎo)向輪固定于堅(jiān)硬巖石上，導(dǎo)向輪邊緣與穿繩孔的中心線對(duì)準(zhǔn)，將金剛石繩穿過穿線孔，與繩鋸主動(dòng)輪及輔助輪連接，通過控制盤調(diào)整主動(dòng)輪提升張力，保證金剛石繩適當(dāng)繃緊，啟動(dòng)循環(huán)冷卻水，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪帶動(dòng)金剛石繩索回轉(zhuǎn)切割。

5 繩鋸切割施工技術(shù)成效

繩鋸切割技術(shù)因其獨(dú)特的無塵、低噪聲、高效率、高質(zhì)量、設(shè)備成本低、切割形狀適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，越來越多的在混凝土結(jié)構(gòu)拆除中廣泛應(yīng)用，但在抽水蓄能地下洞室高邊墻施工中首次在文登抽水蓄能電站應(yīng)用。對(duì)比傳統(tǒng)爆破法、風(fēng)鎬切割法等巖石開挖施工工藝，傳統(tǒng)地下洞室開挖辦法雖技術(shù)成熟但缺點(diǎn)較多，如污染嚴(yán)重、噪聲大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、環(huán)境影響大、開挖質(zhì)量差等。采用繩鋸進(jìn)行地下洞室高邊墻和高端墻開挖施工，利用反復(fù)摩擦切割原理，經(jīng)實(shí)踐論證，抽水蓄能地下洞室邊墻繩鋸切割技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯。切割面效果見圖2。

圖2 切割面效果Figure 2 Cutting surface effect

（1）安全性能好。繩鋸切割設(shè)備重量輕、體積小且操作方便，為成套購置，安全性能高，作業(yè)過程中，安全風(fēng)險(xiǎn)小，隱患少，操作手是專門的技能型人才，與傳統(tǒng)爆破開挖作業(yè)人員相比，安全素質(zhì)和技能高，整體作業(yè)過程安全可靠性高。金剛石串珠線鋸機(jī)安全性能高，易于現(xiàn)場安全管理。

（2）作業(yè)環(huán)境影響小。施工時(shí)繩鋸進(jìn)行切割面打磨，由于電動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)行平穩(wěn)且繩鋸與支撐構(gòu)件接觸面很小，所發(fā)出的音量可限制在44dB之內(nèi)。無有害氣體影響人員職業(yè)健康。在繩鋸切割過程中，采用地下圍巖滲水冷卻即可滿足繩鋸降溫需求，施工用水同時(shí)起到潤滑繩鋸作用，可以清除巖粉，因金剛石繩屬于線狀結(jié)構(gòu)，可有效控制運(yùn)轉(zhuǎn)過程中污水飛濺，也無石粉飛逸，整體安全文明施工效果好。

（3）開挖質(zhì)量高。切割作業(yè)是一種高速金剛石串珠鋸，利用研磨圍巖邊墻的原理，與爆破開挖施工比，無沖擊波振動(dòng)影響，不會(huì)造成圍巖深層破壞，不損害周圍建筑物結(jié)構(gòu)安全。開挖出來的地下洞室高邊墻切割面平整度高、成鏡面效果，克服了傳統(tǒng)工藝存在的弊端。

（4）施工效率高。繩鋸切割布設(shè)簡便，工序簡單，切割速度快，設(shè)備靈活，易于更換部件和轉(zhuǎn)序，不受火工品重大節(jié)日等受控的影響，可保證連續(xù)施工。

（5）綜合成本低。繩鋸切割設(shè)備購置單價(jià)低、穿入金剛石繩后可穩(wěn)定地在軌道上自行切割、減少了大量的人員投入，低勞動(dòng)強(qiáng)度可獲得高破巖能力的作業(yè)；工序簡單效率高，可較少管理人員成本投入；施工質(zhì)量好，由設(shè)計(jì)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，節(jié)省工程投資。

6 結(jié)論

本文結(jié)合文登抽水蓄能電站實(shí)際案例，對(duì)高邊墻與端墻切割技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，詳細(xì)闡述了抽水蓄能地下洞室高邊墻和端墻使用繩鋸切割的工藝流程，通過應(yīng)用，得出了繩鋸切割施工的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)比分析了出了繩鋸切割施工成效，該技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能地下洞室開中，具有安全性能好、作業(yè)環(huán)境影響小、開挖質(zhì)量高、施工效率高、綜合成本低的優(yōu)勢(shì)，通過實(shí)踐論證了繩鋸切割技術(shù)可適合于抽水蓄能地下洞室高邊墻開挖施工。