高寒地区大型储煤槽仓运输暗道逆作法施工技术

高寒地区大型储煤槽仓运输暗道逆作法施工技术 庄厚良 刘建国前言：超大、超深基坑逆作法施工是近年来建筑界关注和研究的重要课题，“逆作法”施工对控制沉降变形是十分有效的。而且能有效的降低工程造价、缩短施工周期。如今越来越多处在闹市区段的大型基坑工程均采用了逆作法施工。本工程为内蒙古锡林浩特市胜利煤田西二煤矿大型产品煤储存槽仓，目前全国仅有3家。该工程储煤槽仓运输暗道采取了逆法施工，且该工程地处内蒙古较严寒的草原地区，没有类似工程施工经验可借鉴。1.工程概况1.1建筑概况：该工程为大型产品煤储存槽，梯形截面，上宽39米,下宽17.5米,深22米，仓体长206米,储煤量15万吨；储存槽仓上部为两层钢结构，梯形截面，上宽13米,下宽40米,高20米，上层为产品煤输入层；底层与槽仓形成一体为储存空间；储存槽仓底板以下为产品煤输出暗道，长206米,净宽16.3米,净高4米，暗道底板埋深27米。储煤槽仓横剖面示意图如下：1.2结构概况：钢结构基础为桩基承台，结构桩深33米直径0.8米，钢柱梁架截面为900500mm。槽仓护壁为土钉及预应力锚杆喷射混凝土结构。暗道为支护桩及结构桩支撑结构，即暗道两边缘支护桩与结构桩交替布置作护壁及支撑暗道顶板的作用；暗道顶板厚2米，临时跨度17.5米（暗道混凝土剪力墙施工之前），底板厚1米钢筋混凝土筏板结构。1.3暗道施工概况及环境：暗道为盖挖逆法施工，即当暗道顶板施工完成后，进行暗道掏土再进行暗道底板及墙板施工。陶土施工时室外环境温度为零下30度至零下15度（1月至3月），暗道混凝土浇筑时室外环境温度约零下20度至零下15度（2月至4月）。2.施工技术难点根据该工程自身的特殊性及施工环境的特点，该工程暗道施工具有四大难点：暗道埋深太大，净高太低，土方盖挖困难；暗道顶板临时跨度较大，挠度不易控制；地下水量大，降排水困难；在暗道埋深范围内主要为粉沙层及沙砾层，防治流沙困难。具体如下：1)本工程暗道埋深27米，且暗道净高太低仅4米，土方盖挖时大型机械无法利用，土方外运也困难，运土坡道冬季结冰易打滑。2）暗道顶板临时净跨17.5米，在挖土过程中要严格观测挠度变化情况，应制定切实可行的施工方案来确保施工安全。3)地质条件较复杂，整个暗道土层主要为粉沙层及沙砾层，因地下水丰富，防治流沙是确保正常施工的关键。4)本工程-16米以下地下水量较大，地下水降排及承压水的处理问题，在寒冷的冬季较困难。5)如何保证混凝土底板及外墙不渗水，是施工的关键工序。6)逆作法地下部分施工时，墙与顶板的交接处不密实性及墙体的不均匀沉降控制，也是本工程实施过程关键技术之一。3.施工经济技术措施在暗道施工方案选择时，主要提出两种方法：一是暗道土方采取明挖顺作施工方法；二是暗道土方采取盖挖逆作施工方法。两者优缺点比较如下：项 目明 挖盖 挖土方开挖可以投入大型机械。不可投入大型机械。主要施工措施暗道两边桩内侧各增加钢梁锚索4道，纵向间距1500mm，每个锚索长平均25米，费用高。无需增加钢梁锚索，暗道顶板作为支撑。几乎不增加措施费，仅需顶板地胎模，费用低。安全性支护桩有变形隐患，安全性欠佳。支护桩不变形，安全性好。施工质量顺作施工易保证质量逆做施工质量不易控制工期较快、需冬歇三个月较慢费用较高较低周转料具顶板施工需大量模板、脚手架顶板施工仅做地胎模经上述比较，决定采用方案二，盖挖逆作施工法，可以节约大量资金；工期的调整方法是原计划冬休三个月取消，确保工期要求，但需增加冬期施工措施费。4.关键施工技术措施4.1暗道顶板混凝土施工技术暗道顶板厚2000mm，混凝土的浇筑应严格按大体积混凝土施工方案要求施工，同时应将以下关键施工工序作为施工重点： 逆作钢筋工程：由于暗道逆做法施工，施工顶板后再施工剪力墙，在浇筑顶板混凝土时必须将板下剪力墙预留插筋预埋固定准确。具体做法如下：暗道顶板土方开挖时，在墙体位置局部超挖1000mm左右，（按施工规范要求，竖向构件搭接接头错开50%，且距板面高度不小于500mm，两接头错开长度大于35d，故插筋部位应超挖1000mm左右才满足要求）。在做顶板地胎模时将超挖1000mm部位回填细沙，再铺150mm厚的聚苯板，将墙体插筋插于聚苯板及沙层内，如图示。确保钢筋的级别、数量、直径、间距、形状、锚固长度和绑扎位置正确。同时对插入沙层内的钢筋对其作好保护避免锈蚀。预留混凝土下料孔：由于逆作施工，竖向构件墙体混凝土后浇筑，墙体混凝土的下料及振捣是施工的关键，同时考虑到墙体顶部混凝土的密实性，经设计同意在施工暗道顶板时（墙顶部位）预埋150mm钢管作为下料洞口和振动棒的插入口，间距1500mm，钢管内封堵沙子，以免混凝土进入钢管内，如图示。4.2槽仓暗道盖挖逆作法降水施工盖挖逆作法是在煤槽仓护壁施工完成后，土方开挖至-17.1米先浇筑暗道顶板，在混凝土顶板的保护下，在暗道内开挖土方、浇筑暗道底板及墙板混凝土结构的施工方法。槽仓暗道盖挖法施工，基本分为两个阶段，第一阶段为地面以下施工阶段，它包括结构桩的施工、槽仓土方明挖及槽仓护壁施工、暗道支护桩、结构桩及暗道顶板结构施工；第二阶段为暗道内施工阶段，包括土方盖挖、暗道混凝土底板及剪力墙结构的施工等。根据工程地质报告及以往施工经验，拟选择管井降水的方法进行降水。其优点是：一是施工简便灵活，能迅速有效降低地下水位。二是能有效防止流沙现象，有利于提高边坡的稳定性。三是水影响范围大，能保证土方开挖的顺利进行。为节约降水经费，我们考虑降水系统设计应本着实用，简单节约为目的，采用在槽仓基坑内安装管井降水。即当槽仓暗道顶板施工完成后，在顶板上施工降水管井。暗道顶板设计有两排60个漏煤口，每间隔一个漏煤口施工一个降水井，因西半部水量较大，适当增加降水井，共计施工降水井35个。 本地区土层含沙砾较多，根据施工经验，考虑井内沉积因素增加2米沉砂管，管井使用深度不低于10米为宜。管井设计深度12米，降水时井内水位不高于6米，才能有效降低地下水位。为增强井管渗水效果，所选用井管内径以400毫米为宜。井管应在成孔后立即进行安装，井管沉放前，应对空内予以清洗，将泥渣排出，井管下放时，应在管壁绑长竹片导向使接头对正，安装接头布，沉管时力求垂直居中。井管安装完后，应立即在井管与井壁之间填充沙砾滤料，滤料粒径38毫米，杂质含量不大于3，填充采用铁锨下料，以防不均匀和冲击井管，滤料要一次连续完成，从井底填至井口下1米时上部在用粘土封口。洗井应在下完井管，填好滤料封口后随时进行。防止时间过长，护壁泥皮老化聚结，影响渗水效果。洗井应在井管内排出的水由浊变清后并达到正常出水量时方可停止。潜水泵安装前，应对其系统做一次全面检查，确保无误后方可放入，安装完毕后应进行试抽水，满足要求后转入正常工作。管井使用完毕后进行封井。封井方法 根据工程实际情况，要求降水维持到整个槽仓暗道底板及墙板施工完毕，在确保工程正常施工的情况下，方可停止抽水，并采取可靠的封井措施，抽水设备拆除后，填入级配砂石距井口1.5米改填C40抗渗混凝土捣实，逐个有序封闭，以确保建筑工程质量的完整性。降水沉降防护措施：参考地质资料得知：土壤空隙较大易于液化的特点，因降水对周围地面所产生的沉降都可能对边坡造成损害，为确保施工安全，制定如下措施：一是暗道土方开挖后，对暗道支护桩间采用10150钢筋网片锚喷支护措施。二是根据我们的施工经验，由于土层砂含量较多，要延长洗井时间，确保成品井质量。三是在确保开挖施工能正常作业的情况下，采取必要的弱降措施，适当降低排量，避免地下水大量流失。四是降水井施工完成后，在-15.1米暗道顶板上面安装排水管，将地下水集中排至水箱内再抽排至地面（草原），由于室外天气寒冷，至地面的排水管要保温处理且包裹电热带。如下示意图：暗道土方开挖过程中，因地下水丰富，降水井降水效果不明显，需要挖两道1000 mm400mm200米长排水沟，辅助排水。沟内预埋350钢管排水管并回填碎石形成盲沟，便及时将地下水排除。待暗道混凝土完成后，为防止地下水渗入暗道，预埋350钢管内灌注水泥浆（在预埋350钢管时，间距8米预留一个150mm长1200mm的泄水检查孔注浆孔，并在注浆孔位置预留400400500深的集水井，以便积水排入预埋钢管内）。4.3暗道土方盖挖施工方案一：整个暗道长206米，暗道混凝土结构设计分为四段，三道伸缩缝。在土方开挖时分为八段开挖，即每段暗道混凝土结构再设置一道施工缝（施工缝内安装橡胶膨胀止水条或钢板止水带）。每段土方开挖长度约为25米左右，当每一段开挖完成后及时浇筑暗道底板及墙板混凝土。方案二：根据现场实际情况为加快施工进展，每段土方开挖长度按原设计伸缩缝为界，即暗道土方开挖每段长度约为50米。经综合分析决定采取第二种施工方法（施工快、不留施工缝），自轴向轴方向开挖（自东向西），每开挖完成一段后，及时进行下道工序施工。由于暗道净高不足5米，无法利用大型机械开挖，均采用小型挖机开挖，两台120履带式挖掘机及两辆350装载机。运输设备的选择：方案一:采用4-8辆5T运输汽车，暗道内需铺设临时道路并铺设钢板，以便车辆更好的通行。方案二：暗道内架设皮带运输机，直接将土运输至地面。方案二的施工进度快，但投入设备费用高，并且根据当时环境情况，气温太低（约-25），土易结冰不利运输。故采用常规汽车运输（方案一）。由于暗道盖法挖土是前进式开挖，如果一次挖至底板底标高，因运土车辆来回行驶会严重扰动基底土层，故采取分层开挖法，第一层先“前进”开挖，先开挖深4米（即挖到底板顶标高）；当挖到规定的进深后，再 “后退”开挖第二层，挖深1.1米，即挖至底板底标高处（如下图示）。由于地下水降低不明显，致使基底土层含水量大，运土车辆行驶困难，所以在整个挖土过程中均铺设特制的钢板作为车辆运输道路。开挖施工总程序：开挖一段土方；施工一段暗道底板混凝土及剪力墙混凝土。（不得将整个暗道土方开挖完成后再施工混凝土暗道底板）。土方开挖工艺：第一层前进挖土（掏土）、钢板铺设道路、外运土第二层后退挖土、修正顶板处余土、外运土、拆除钢板道路验槽浇筑混凝土垫层。因天气寒冷（-25左右），运输车辆使出暗道后，泥土冻结粘车厢不易卸土，所以车辆在装土前应先在车上满铺一层塑料布，以便卸车。土方外运土时，由于自地下27米处运至地面，要保证运输车辆安全，运土坡道坡度不得大于10，并且铺设山皮石。特别是寒冷的风雪天气，及时用碎石修整道路，下雪天气必须派专人及时清扫积雪，确保道路不积雪不结冰。盖挖法施工难点及对策: a、暗道净高低无法发挥大型机械的工作效率，改用多台小型机械。b、暗道内土方运输车辆行走困难，采用钢板铺设道路；运输车辆因冻土卸车困难，车厢内满铺塑料布。c、降、排地下水困难，增加排水盲沟。d、支护桩间渗水易塌方，采用自然冷冻使土层表面结冰、桩间支护铁皮。e、降水井管影响挖土机械回旋，拆除部分井管，改用软管直接抽水。f、顶板阴角余土冻结不易挖除，搭设活动脚手架人工清除。g、顶板预埋墙体插筋处聚苯板清理困难，喷灯烤烧及稀料（甲苯、二甲苯）融化。4.4暗道顶板挠度控制措施暗道顶板施工完成后，开始开挖暗道内土方，由于暗道两侧支护桩间距离为17.5米，即暗道顶板临时跨度为17.5米，故在开挖暗道土方施工中，必须保证暗道顶板挠度变化不超过设计要求，具体采取以下控制措施: a、禁止顶板上部堆放任何施工材料及周转料具。b、机械挖斗、铲头等严禁撞击顶板。c、顶板上杜绝施工车辆停放及通行。d、昼夜及时检测顶板的挠度变化情况，并做好记录，发现异常及时上报。e、制定专项检测测量方案专人负责。f、暗道底板施工完成后首先施工中间一道剪力墙。在整个暗道施工过程中，经检测记录表明最大挠度为35mm,平均为21mm。没有异常现象发生，施工安全顺利。4.5流沙的治理由于设计没有要求在开挖基坑前降低地下水，根据地质报告及现场实际情况，暗道范围内的水量较大，当暗道顶板施工完成后，此时才在暗道顶板上进行施工降水井（漏煤口处），但是由于工期要求紧降水时间短，降水效果不佳，在开挖土方过程中，暗道支护桩间出现大量渗水及流沙现象，采取了如下措施防治：桩间渗水处采用自然冷冻法使土层表面结冰后(因土方开挖时环境温度-25度左右，土方开挖后土层表面遇渗水易结冰固化，减少了塌方了频率)，在桩间支护铁皮。在含有大量砂层处，因渗水出现流沙，在出现流沙处用膨胀螺栓将钢板固定在支护桩上，然后用干硬性速凝水泥浆封堵，见如下示意图：4.6混凝土底板排水沟施工改进 原设计在底板两侧留有400*400mm的排水明沟，并且在排水沟部位暗道底板局部下沉，给施工带来极大的不便，经与设计、业主沟通，将该排水沟改为明暗结合的方式，即在混凝土底板内埋设200mm钢管排水管作为暗排水沟，原排水明沟由400mm深变为100mm，明、暗沟相连，积水由明沟引入暗沟再排向集水坑。见如下示意图：4.7暗道墙板施工方法钢筋绑扎及连接：墙体钢筋上端必须与顶板内的预留插筋螺栓连接，下端与底板墙插筋绑扎连接，确保连接满足施工规范要求，绑扎顺序为墙体外层立筋-外层水平筋-墙体内层立筋-内层水平筋。模板支设及加固：外墙模板仅单面支设加固，不易加固支撑牢固，产生涨模等质量通病，为保证模板的稳定性，必须在支护桩侧打膨胀螺栓焊接对拉螺杆，上下间距400mm一道，模板用14槽钢作背楞，间距1.5米一道，槽钢上端与顶板预留墙插筋固定，下端与底板预留墙插筋固定。见如下加固示意图：混凝土浇筑及振动：暗道墙体混凝土均从暗道顶板上预留150mm下料孔内由汽车泵直接输入。为了减少墙体水平施工缝，墙体模板不需留下料喇叭口及振捣口，墙体混凝土的振捣也从下料孔内插入8米长得振捣棒进行振捣。 4.8墙顶与顶板结合处施工措施由于逆作施工竖向构件顺作，考虑墙体混凝土的密实性，顺作墙体与逆作暗道顶板之间由于混凝土收缩存在缝隙，在支设墙体模板前，事先在顶板底面预埋钢管注浆管（注浆管上钻喷浆孔300mm，并用胶带包裹喷浆孔，防止混凝土进入注浆管内，如下图），如遇到部分注浆管散浆孔堵塞，在墙体剔凿“V”型凹槽，埋设注浆嘴，间距500mm；将注浆嘴的进浆孔骑缝粘贴在预定的位置上。用环氧胶泥，将槽嵌填密实，进行封缝。.4.9施工缝及墙体防渗水措施暗道底板及剪力墙施工缝预埋膨胀止水条或钢板止水带做法如下图示。暗道外墙墙体为900mm厚混凝土墙体，其模板采用18厚胶结板、钢管回楞、穿心螺栓固定，每根穿心螺栓都应严格加焊止水片。4.10施工通风及照明槽仓暗道206米长，由于暗道顶板有60个漏煤口，能够满足暗道内的通风需求，因此在开挖暗道土方时没有安装通风设备，机械尾气及CO经检测均没有超标。暗道内照明安装两道照明线路，间距20米一盏200瓦防爆灯。5.确保寒冷冬季施工质量的措施槽仓暗道施工在寒冷的冬季（室外最低温度-40左右），必须做好冬期施工准备工作，根据现场实际情况，总体思路是：当槽仓底板（暗道顶板）施工完成后，槽仓接通暖气、安装煤火炉，槽仓内-15.1米暗道顶板作为混凝土搅拌及钢筋加工场地，冬期施工主要采取措施如下：5.1冬施准备工作及实施 施工现场安装两台1T锅炉，槽仓钢结构围护完成后，在仓内3.4米南北两走道共安装108组暖气片，在-15.1米暗道顶板安装10组直径1.2米煤火炉 （如图示），确保槽仓内温度在-3以上。同时因冬期寒冷天气，原材料运输困难，施工现场必须备足的冬期施工所有原材料：石子4500立方；沙子2700立方；水泥2000吨；钢筋800吨。为防止沙、石堆放冻结，沙、石堆通入暖气管道。5.2混凝土搅拌浇筑方法在槽仓内安装750型搅拌机一台，地泵一台（先安装在西半部，待东半部暗道混凝土完成后，再将搅拌机挪到顶板东半部）。施工东半部暗道混凝土时，将东半部暗道混凝土所需原材料，储存在槽仓内西半部；当施工西半部暗道混凝土时，将槽仓西半部所有材料挪至东半部，且根据暗道混凝土原材料需要量，随时从地面备料场供给。冬期混凝土搅拌工艺：原材料备料（应保温）向槽仓内倒运材料混凝土搅拌混凝土输送浇筑混凝土保温养护。混凝土搅拌布置如下图：槽仓内沙、石均可从地面直接二次倒入，即在适当的位置将采光窗打开，将沙、石二次倒运至槽仓内堆放，或根据使用量随时供给。见如下示意图：暗道底板混凝土直接用地泵通过暗道顶板漏煤口输入浇筑，暗道剪力墙混凝土均从预埋在暗道顶板的钢管下料孔直接输入。混凝土地泵管不易直接架设在暗道顶板上，应架设在支护桩顶贯梁上，预防因输送混凝土振动影响暗道顶板挠度。5.3暗道施工顺序 槽仓内施工降水井并降水槽仓内西半部备料、安装混凝土机械东半部暗道逆做法开挖土方（暗道顶板上禁止堆放任何材料）东半部暗道混凝土结构施工完成将混凝土机械挪至槽仓东半部并备料西半部暗道逆作法开挖土方（顶板上禁止堆放任何材料）西半部暗道混凝土施工完成暖气拆、除搅拌机械退场。 为加快暗道施工进度，防止暗道顶板挠度变形太大，当暗道底板施工后，首先及时施工暗道中间剪力墙，暗道边墙可以待暗道土方全部开挖完成后再施工（或者穿插施工）。6.施工监控本工程槽仓暗道地下埋深27米，长206米，槽仓护壁为土钉及预应力锚杆混凝土结构，施工期间对护壁变形及位移要求严密监控，业主委托专业公司进行24小时监测。本工程监控项目有: 结构桩的垂直监测，支护桩的水平应力监测，预应力锚杆应力监测，混凝土护壁位移监测，地下水位监测，周边土体监测，同时在暗道土方开挖时对暗道顶板挠度的监测，暗道内CO的监测等。主要监测结果：结构桩的垂直：最大30mm，平均20mm。 支护桩的水平应力：差异最大不超过设计应力的2%。预应力锚杆应力差异最大不超过设计应力的2.5%。地下水位：在-16.4米左右。混凝土护壁位移： 上部最大27.4mm，平均21mm。周边土体沉降:南侧最大40.4mm，平均32.5mm；北侧：最大38mm，平均30mm。暗道顶板挠度：最大35mm, 平均21mm。通过合理有效的监测，掌握护壁及顶板变形规律，通过数据分析从而合理的制定出了施工方案及应急措施。7.结束语本工程作为目前国内最大的储煤槽仓，暗道采用逆作法施工，对节约成本及如何在寒冷地区做好冬施，所取得的成功经验必将对今后同类工程的施工起到很好的借鉴作用，特别是为大型地下煤仓综合体的开发积累了宝贵的经验。