斜井长距离混凝土泵送技术.pdf

7 8 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 0年第 3 7卷第 4期 斜井长距离混凝土泵送技术 袁华俊 ， 刘 野 ，刘则启 ( 1 秦皇岛市引青管理局， 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 0 ； 2 辽宁地矿井巷建筑X - 程公司， 辽宁 朝阳 1 2 2 0 0 0 ) 摘要： 以降云顶隧洞混凝土泵送为例 ， 分析了斜井长距离混凝土泵送存在的问题、 堵管机理及解决的方法， 并论 述了斜井长距离混凝土泵送设计与操作流程。 关键词： 斜井 ； 长距离； 混凝土泵送 ； 堵管 中图分类号： T V 5 5 4 文献标识码 ： A 文章编号： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 o l o ) o 4 0 0 7 8 0 4 L o n g D i s t a n c e C o n c r e t e P u mp i n g i n I n c n n e d S h a f t Y U A N H u a -j u n ， Y e ，L I U Z e q i ( 1 Q i n h u a n g d n o C i t y Y i n q i n g A u t h o r i t y ， Q i n h u a n g d g o H e b e i 0 6 6 0 0 0 ， C h i n a ； 2 L i a o n i n g T u n n e l C o r p o r a t i o n ， C h a o y a n g L i a o n i n g 1 2 2 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B y t h e c o n c r e t e p u mp i n g c a s e i n a t u n n e l ，t h e p a p e r a n a l y z e d the e x i s t i n g p r o b l e ms o f l o n g d i s t a n c e c o n c r e t e p u mp i n g i n i n c l i n e d s h a f t a n d the me c h an i s m o f p i p e b l o c k i n g w i t h t h e s o l u t i o n；a n d als o d i s c u s s e d t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n pr o c e s s Ke y wo r d s ：i n c l i n e d s h a f t ；l o n g d i s t a n c e ；c o n c r e t e p u mp i n g ；p i p e b l o c k i n g 0 引言 在小断面隧洞施工中， 衬砌混凝土输送方式有 2种 ： 一是矿车运输 ， 该种运输操作简单 ， 但运输时 易产生混凝土离析而影响质量 ， 同时生产效率低 、 劳 动强度大； 二是混凝 土泵送 ， 泵送混凝土质量好 、 生 产效率高、 劳动强度小 ， 但存 在泵送距 离和堵管问 题 。随着混凝土泵送设备与技术 的发展， 混凝土泵 送越来越多地使用在隧洞施工中。引青济秦东西线 对接工程降云顶隧洞由斜井和主洞构成 ， 衬砌混凝 土需经过斜井转到主洞 内。本工程泵送技术 的难点 是斜井泵送和长距离泵送。 1 工程概况 降云顶隧洞主洞全长3 2 1 7 m， 其中一标段主洞 长 1 6 1 5 m。一标段共 布置 2个斜井和 1个进 口作 为施 工 主洞 的 出人 口。1号 斜井 长 1 1 0 m， 倾 角 2 3 。 ， 2号斜井长 3 2 0 m， 倾角 l 6 。 。主洞断面为马蹄 形 ， 开挖直径 3 0 m， 净直径 2 4 m。隧洞平面布置 图见图 1 。 2 混凝土泵送方案的确定 混凝土泵送方案有 2种： 接力泵送和直接泵送。 接力泵送就是由多台混凝土泵接力式向前泵送 ， 接 2 号斜井 图 1隧 洞 平 面 布 置 图 力泵送需要将混凝土泵安放在井下主洞内。此方案 优点是可解决斜井部位的堵管和长距离输送； 缺点 是小断面隧洞中， 混凝土泵的体积受到限制， 每个泵 的输送距离较短 ， 需要多台混凝 土泵 ， 机械故障多 ， 管理不方便 ， 费用高。直接泵送就是利用地表一 台 混凝土泵直接将混凝土输送到衬砌工作面。此方案 优点是设备用量少， 管理方便； 缺点是斜井部位和长 距离输送容易堵管， 技术要求高。经综合考虑， 确定 采用直接泵送方案。 3 斜井泵送存在的问题及解决方法 3 1 存在 的问题 当泵送管路向下倾角大于4 。 时， 一般情况下， 输送管内混凝土靠自重就可以克服与管壁间的粘滞 力而下滑。本工程斜井角度大于 1 6 。 ， 混凝土下滑 是不可避免的。混凝土下滑会产生 2种后果 ： ( 1 ) 石子与砂浆分离 ， 即产生混凝土离析现象 ； 收稿 日期 ： 2 0 0 91 2 0 4 作者简介： 袁华俊( 1 9 7 1 一 ) ， 男( 汉族) ， 湖北黄岗人， 秦皇岛市引青管理局副局长、 工程师， 水工专业 ， 从事工程管理工作， 河北省秦皇岛市海 港区八一路7号； 刘野( 1 9 6 3 一) ， 男( 满族) ， 辽宁铁岭人， 辽宁地矿井巷建筑工程公司项 目经理、 高级工程师， 探矿工程专业， 从事地下工程施 工管理工作， 辽宁省朝阳市长江路四段2 9 号； 刘则启( 1 9 7 1 一 ) ， 男( 汉族) ， 湖北阳新人， 辽宁地矿井巷建筑工程公司项目总工程师、 高级工程 师， 探矿工程专业， 从事地下工程施工技术与管理工作。 2 0 1 0年第 3 7卷第 4期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 7 9 ( 2 ) 混凝土在下滑力作用下 ， 首先聚集在斜井 底部， 使斜井输送管形成密闭的空间， 造成输送管内 存储有空气。 3 2 堵管机理 斜井泵送堵管机理有 2种 。 ( 1 ) 混凝土在输送管内下滑时 ， 石子下滑得快 ， 砂浆下滑得慢 ， 从而造成石子与砂浆分离 ， 石子将聚 集在一起 ， 由于石子没有砂浆的包裹 ， 石子与输送管 管壁之 间的阻力将大增 ， 从而造成堵管 ， 而无法进行 混凝土输送 。 ( 2 ) 混凝 土下滑 到井底后 ， 斜井底 部管路首先 被堵住 ， 造成输送管内存储有空气 ， 当空气推动混凝 土向前移动时 ， 砂浆阻力小 ， 走得快 ， 石子阻力大 ， 走 得慢 ， 从而造成砂浆与石子分离。同样 ， 由于石子没 有砂浆 的包裹 ， 石子与输送管管壁之间的阻力增大 ， 从而造成堵管 ， 而无法进行混凝土输送。另外气体 存在后 ， 气体将水析出， 形成干节 ， 也可造成堵管。 3 3 解决的方法 为 了解决石子与砂浆分离 ， 可增加下 滑阻力和 调整混凝土配合比。具体方法如下 ： ( 1 ) 在斜井铺管时 ， 增加一些弯管 ； ( 2 ) 在开始泵送时 ， 在输送管 内塞人海绵橡胶 球及浸湿的水泥袋 ； ( 3 ) 适 当增加水泥掺量 ， 减少石子用量 ， 增加砂 子用量 ， 从而增加砂浆与石子的粘结力 ， 减少石子聚 集的可能性 ， 待斜管内充满混凝土后 ， 再改为正常混 凝土泵送。 为了防止输送管 内存储 空气 ， 在斜管上端安装 排气阀。在开始泵送混凝土时打开排气 阀； 在斜管 内充满混凝土后关闭排气阀。斜段布管时要保证管 路坡度一致 ， 避免高低起伏太大 ， 以防起伏段空气无 法放出 ， 而存储有空气。若斜井坡度变化太大 ， 在管 路变坡处应安装排气 阀排出输送管内的空气。 4 长距离泵送存在的问题及解决方法 4 1 存在的问题 ( 1 ) 混凝土在输送 管 内离析是客观存在 的， 当 输送距离短时 ， 混凝土离析还未达到堵 管程度就被 泵出管外 ， 也就没有发生堵管 ； 当输送距离长时 ， 混 凝土离析越来越严重 ， 达到一定程度就发生 了堵管； ( 2 ) 输送管路加长后 ， 可能堵管部位增多 ， 堵管 概率加大； ( 3 ) 混凝土在输送管 内运行 时间加长 ， 会 造成 流动性下降， 泵送阻力加大。 长距离泵送混凝土失败的原因主要是长时间处 理堵管 ， 既浪费大量 的混凝土 ， 又没有施工进度 ， 最 后不得不放弃泵送混凝土。 4 2 堵管机理 正常泵送的混凝土在管道 中心形成柱状流体 ， 流动时呈悬浮状态 ， 表面包有一层水泥浆 ， 水泥浆作 为润滑剂与管壁接触 ， 骨料之 间基本上不产生相对 运动。当某些粗骨料运动受阻时 ， 后面的粗骨料运 动速度受其影响而滞缓 ， 致使形成粗骨料集结 ， 而附 近的砂浆被挤走 ， 余下的间隙由小骨料填充 ， 水泥浆 润滑层被破坏 ， 运动阻力加大 ， 速度变慢 ， 直至运动 停止而堵管 。 4 3 解决的方法 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 、 外加剂 ) 、 混凝 土拌和、 混凝土泵 、 输送管及管件 、 输送管布设 、 泵送 混凝土操作等。解决堵管问题应全面考虑 、 统一管 理 。解决堵管既是技术问题 ， 也是管理问题。 5 斜 井长距离混凝土泵送设计 本标段混凝土最难泵送位置为标段交界处 ， 其 布管线路 ： 泵站到斜井 洞 口 8 0 m， 2号斜井 3 2 0 m ( 倾角 1 6 。 ) ， 2号斜井井底至标段交界 4 7 0 m， 合计 泵送距离 8 7 0 m。下面以此为例 ， 介绍混凝土泵送 设计 。 5 1 输送管路 5 1 1 对输送管及管件 的要求 ( 1 ) 输送管路在工作状况 下将 承受较高压力 ， 应具有足够的强度 。 ( 2 ) 为满足骨料在输送管路 中的运行 ， 应选择 适当直径的输送管。输送管内径一般 由混凝土中粗 骨料的最大粒径决定。由于管路 中同一截面内三个 粗骨料的相互挤压可引起堵 管事故 。所 以， 可按骨 料最大粒径的 3 4倍选择输送管 内径 。此外 ， 还应 考虑管路对混凝 土的摩擦 阻力。混凝 土排量相 同 时， 管路内径越小 ， 混凝土流速越高， 则摩擦 阻力越 大， 也就需要较大的推送力。 ( 3 ) 为满足改变方向、 口径等要求 ， 设有各种角 度的弯管和锥管。为了减小输送阻力， 应尽量少使 用弯管和锥管。 ( 4 ) 为保证管路可靠的密封性能， 应选用高压 管卡和高压橡胶密封圈。输送管连接是管路敷设 的 重要环节 ， 如果管卡部位密封不好 ， 水泥浆将 向管外 泄漏 ， 从而减少混凝土柱滑动所需 的润滑成分 ， 增大 8 0 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 0 年第 3 7 卷第 4 期 了输送阻力， 严重时会出现混凝土离析现象， 成为干 混凝土， 而发生堵管事故。另外在长距离混凝土输 送时， 泵送压力较大 ， 易产生管卡损坏 。 ( 5 ) 管路 内壁应光滑 ， 无锈蚀 ， 无压 瘪等缺陷， 以减小输送阻力。 5 1 2 输送管及管件的选择 根据工程特点 、 施工现场情况， 输送管均选用壁 厚 4 5 m l n的高压无缝钢管 ， 输送管直径 1 2 5 m m， 每根长度 3 0 m。详细输送管及配件用量见表 1 。 表 1 输送管及管件用量一览表 5 2 泵送设备 5 2 1 泵送设备的选择 衡量混凝土泵技术性能的主要指标是 ： 最大理 论混凝土输送量和最大泵送混凝土压力。降云顶隧 洞断面小 ， 设计每延米衬砌混凝 土方量 3 0 m ， 每 次浇筑 2 0 m， 包括超挖回填共需混凝土 7 5 m ， 每次 浇筑混凝土方量不大。然而本工程要求的最大泵送 距离为8 7 0 m， 其中包含 3 2 0 m斜井， 折算成水平距 离为 1 0 2 1 m， 属长距离输送 。根据最大泵送距离 ， 结合施工现场情况 ， 最终选用 Z L J 5 1 1 0 T H B型柴油 车载混凝土泵 1台。 5 2 2 混凝土泵的技术性能 最大理论混凝土输送量： 8 7 5 8 ( 低压 高压) m h ； 最 大 泵 送 混 凝 土压 力 ： 1 4 9( 高 压 低 压 ) M P a ； 额定功率： 1 7 4 k W； 允许最大骨料粒径： 碎石 4 0 mm， 卵石 5 0 m m； 混凝土输送管 内径 ： 9 1 2 5 1 5 0 m m； 外形尺寸( 长 宽 高) ： 8 8 9 0 m m 2 4 9 0 m m 3 0 0 0 mm； 总质量 ： 1 1 0 2 0 k g 。 5 2 3 混凝土泵的最大水平输送距离验算 根据混凝土泵的最大出 口压力、 配管情况、 混凝 土性能和输出量， 按下式进行计算： =P APH 式中： 三 一混凝 土泵 的最 大水平输 送距 离， m； P 。 混 凝 土 泵 的 最 大 出 口 压 力 ，1 4 M P a ； A P 混凝土在水平输送管内流动每米产生的压 力损失， P a m。 ， A P H= k l + k 2 ( 1 + ) 卢 ， 1 式中： l 粘着系数 ， k l=( 30 1 Js )1 0 0， P a ； 速度系数 ， k 2=( 40 1 S)x 1 0 0 ， P a m s ； f 1 在活塞 推动下混凝 土流动的时间 ； t 2 分 配阀的阀门转换时混凝 土停止流动的时间； t 2 t l的 比值约为 0 2 0 3 ， 取 0 3 ； Js 混凝土的坍落度 ， 取 2 2 c m； 径向压力与轴 向压力之 比值 ， 取 0 9 ； 输送管 内混凝土平均流速， 取 0 8 3 m s 。 计算得 ： PH =7 91 0 M P a m L =1 7 7 2 m 1 0 21 m 计算结果表明 Z L J 5 1 1 0 T H B型柴油车载混凝土 泵能满足施工要求 。 5 3 混凝土原材料及配合比 5 3 1 粗骨料 粗骨料的最大粒径与混凝土输送管径之比要控 制在一定数值之内， 目的是防止混凝土泵送时堵管。 粗骨料的形状对混凝土的泵送性能也产生影响， 一 般表面光滑的圆形或近似圆形的粗骨料比尖锐扁平 的要好， 因为后者单位体积的表面积 比前者大 ， 也就 需要更多的砂浆去包裹其表面。根据混凝土泵、 输 送管及工程实际情况 ， 粗骨料选用 5 2 5 m m连续 级配的碎石。 5 3 2 细骨料 细骨料对混凝土可泵性的影响远大于粗骨料。 混凝土在输送管中顺利流动是砂浆润滑管壁和粗骨 料悬浮在砂浆中的缘故。实践证 明， 中砂更适宜泵 送 。 5 3 3 水泥、 粉煤灰与引气剂 水泥采用 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 对水泥的要 求是和易性好 ， 不易泌水 。 泵送混凝土对细粉含量要求较大 ， 为了减少水 泥用量， 在拌合物 中掺人粉煤灰， 粉煤灰掺量为水泥 用量 的 1 0 1 5 。掺人粉煤灰后可提高混凝土 的和易性及可泵性 ， 减少泌水和离析 。 引气剂可 以提高混凝土的流动性和可塑性 ， 减 少泌水和离析。混凝土流动性增加后 ， 可减小泵送 压力 ， 从而提高泵送距离。引气剂还可降低混凝土 坍落度损失。因管路太长， 混凝土从泵送开始到衬 砌工作面， 约需要4 0 m i n ， 若泵送过程中出现意外造 成泵送 中断， 时间会更长 ， 所以引气剂选用缓凝型 ， 保证混凝土搅拌后 3 h内不初凝 。 2 0 1 0年第 3 7卷第 4期 探矿工程 ( 岩土钻掘工程) 8 1 5 3 4 混凝土配合比 泵送试验表明， 泵送距离小于5 6 0 m时， 坍落度 可选 1 9 e m； 当泵送距离大于5 6 0 m时， 坍落度控制 在 2 2 e m 比较适宜 。如果加大坍落度 ， 混凝土易泌 水 ， 容易产生离析并形成堵管 ； 如果减小坍落度 ， 将 增大泵送压力 ， 混凝土泵送困难 ， 泵送距 离受限制 。 泵送混凝土配合比见表 3 。 表 3 C 2 5泵送混凝土配合比 水泥砂石子 水 6 斜井长距离混凝土泵送操作流程 混凝土泵车启动后 ， 应先泵送适量的水 以湿润 混凝土泵车的料斗 、 混凝 土缸及输送管 内壁等直接 与混凝土接触 的部位。经泵水检查 ， 确认混凝土泵 和输送管中无异物后 ， 再泵送水泥浆 、 泵送 1 ：2水 泥砂浆 、 泵送与混凝 土内除粗骨料外的其他成份相 同配合比的水泥砂浆 ， 其 目的是进行混凝土泵和输 送管 内壁润滑。 在泵送水泥浆前 ， 需将用海绵球及水泥袋捆扎 好 的堵塞物塞入输送管内 ， 使水泥浆 在管内处 于满 管状态， 保证润滑管路 的整个管壁。正常施工中， 泵 送水泥浆 3罐后改泵送 水泥砂浆 ， 水 泥砂浆 由稀渐 变浓 ， 泵送 5罐左右 ， 水 泥用量逐渐接近设计用量 ， 泵送无异常后 ， 按设计配合 比正常泵送。 开始泵送时 ， 混凝土泵应处于慢速 、 匀速并随时 可反泵的状态。正常泵送时， 泵送要连续进行 ， 避免 停顿。遇有不正常情况 ， 应放慢泵送速度。当混凝 土供应不上时， 宁可降低泵送速度 ， 也要保持连续泵 送。慢速泵送时 ， 不能超过从搅拌到浇筑的允许延 续时间。 短时间停泵， 再运转时要注意观察压力表， 逐渐 地过渡到正常泵送。长时间停 泵， 应每隔 4 5 m i n 开泵一次 ， 使泵正转和反转各 两个 冲程 。同时开动 料斗中的搅拌器 ， 使之搅拌 3 4转 ， 以防止混凝土 离析。停泵时间超过 2 h ( 视气温、 坍落度而定) ， 宜 将混凝土从混凝土泵和输送管 中清除。 斜井泵送时 ， 为防止输送管内存储空气 ， 应将设 置在管路 中的排气阀打开， 在斜管内充满混凝土后 再关闭排气阀。 当混凝土泵出现压力升高且不稳定 ， 油温升高 、 输送管明显振动等现象时 ， 不得强制泵送 ， 应立 即查 明原因， 采取措施排除。可先用木槌敲击输送管弯 管 、 锥形管等易堵塞部位 ， 并进行慢速泵送或反泵。 混凝土泵送结束前 ， 应计算尚需混凝土的数量。 输送管 内的混凝土可采用泵水的方法泵送人仓。泵 水前应从进料 口塞人海绵球及 捆扎 紧的水泥袋 ， 以 免压力水越过海绵球及水泥袋混入混凝土 中， 造成 管路 中的混凝土离析。泵水产生压力可将混凝土推 出同时清洗管壁。 最后 ， 拆开混凝土管路 ， 并对输送管进行人工清 洗 。 7 其它注意事项 ( 1 ) 严格执行操作规程 。在泵送前应作好施工 准备 ， 不能因其它原因造成停泵。 ( 2 ) 斜井段输送 管要用锚杆 固定好 ， 用导链拉 紧 ， 防止泵送时管路下沉 。 ( 3 ) 塌落度不符合要 求时 ， 要及 时将混凝土从 料斗底部放掉 ， 强行泵送极易造成堵管 ， 切忌在料斗 中加水搅拌。 ( 4 ) 在进行反泵、 正泵操作后仍未排除堵管时， 应及时拆管清洗 ， 否则会使堵管更加严重 。 ( 5 ) 加强管理 ， 要将技术措施落实到实处。 8结 语 影响混凝 土泵送 的根本原因是堵管 ， 斜井长距 离泵送与常规泵送相 比只是堵管机理的不 同和增加 了堵管的可能性 。造成堵管的原因很 多， 我们应通 过查找原因， 分析机理 ， 最终找到解决的方法。另外 应加强管理 ， 确保各项措施 的落实 。降云顶隧洞泵 送实践证明， 斜井长距离泵送混凝土是可行的。 参考文献： 1 J G J T 1 09 5 ， 混凝土泵送施工技术规程 S 2 J G J 5 5 2 0 0 0 ， 混凝土配合比设计规范 S 3 G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ， 混凝土外加剂应用技术规范 S