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多臂鉆在楊房溝水電站鉆爆施工中的應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)

文檔作者：高巖堂袁平順文檔來(lái)源：中國(guó)水利水電第七工程局有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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第53卷第5期
2017年5月
甘肅水利水電技術(shù)
GANSU WATERRESOURCES ANDI腫ROPOWER TECHNOLOGY
V01．53．No．5
May，2017
·施工技術(shù)·
多臂鉆在楊房溝水電站鉆爆施工中的應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)
高巖堂．袁平順
(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都610081)
摘要：多臂鉆為隧洞施工中優(yōu)選施工設(shè)備，楊房溝水電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)EPC(工程總承包)水電項(xiàng)目，使用多
臂鉆進(jìn)行水墊塘交通洞鉆爆試驗(yàn)性施工，具有降低人工開(kāi)挖勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境、降低人工成本、施工靈活性高等
優(yōu)點(diǎn)，但也辱在一次性投入大、后期維護(hù)和折舊費(fèi)用高、配件采購(gòu)時(shí)間周期長(zhǎng)、對(duì)工期影響大等缺點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)施工過(guò)
程控制要點(diǎn)，積累實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，可為地下洞室工程機(jī)械化快速施工提供技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：楊房溝水電站；水墊塘交通洞；多臂鉆；鉆爆施工
中圖分類號(hào)：TV554+．1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095—0144(2017)05—0060—03
1 工程概況
楊房溝水電站是國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)EPC(工
程總承包)水電項(xiàng)目，工程規(guī)模為大(1)型，安裝4臺(tái)
375 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，與兩河口水電站
聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，保證出力523．3 MW，多年平均發(fā)電量
為68．557億kW·h。工程樞紐主要由擋水建筑物、泄
洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物
采用混凝土雙曲拱壩，最大壩高155 m；泄洪消能建
筑物為壩身表、中孔+壩后水墊塘及二道壩；引水發(fā)
電系統(tǒng)布置在河道左岸山體內(nèi)，地下廠房采用首部
開(kāi)發(fā)方式，尾水洞出口布置在楊房溝溝口上游側(cè)。
引水發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物由進(jìn)水口、壓力管道、
地下廠房及其輔助洞室、尾水調(diào)壓室、尾水閘門(mén)室、
尾水隧洞等組成。水墊塘交通洞為楊房溝水電站左
岸場(chǎng)內(nèi)交通的一部分，未處于關(guān)鍵線路且工期寬裕
(圖1 o水墊塘交通洞(Ⅲ類圍巖)為馬蹄形斷面，開(kāi)挖斷
圖1引水發(fā)電系統(tǒng)及水墊塘交通洞布置
面(寬X高)85mX7．0m。多臂鉆開(kāi)挖全長(zhǎng)49．265m。
多臂鉆具有作業(yè)面積大、鉆孔速度快、鉆眼精度
高及機(jī)械操作靈活等特點(diǎn)㈣。使用多臂鉆進(jìn)行水墊
塘交通洞鉆爆試驗(yàn)陛施工，可為后續(xù)多臂鉆在地下
洞室的鉆爆作業(yè)收集各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)施工過(guò)程
控制要點(diǎn)，并積累實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)。
2施工過(guò)程
水墊塘交通洞開(kāi)挖采用單頭掘進(jìn)、全斷面開(kāi)挖、光
面爆破虹工藝。開(kāi)挖及錨桿支護(hù)采用Boomerxl 2D多
臂鉆鉆孔，多臂鉆主要眭能參數(shù)見(jiàn)表1所列；光面爆破
后液壓反鏟進(jìn)行危石清理，石渣采用側(cè)卸裝載機(jī)配合
25t自卸汽車出渣。Ⅱ、Ⅲ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺2．5～3．0m，
Ⅳ類圍巖循環(huán)進(jìn)尺控制在2．0 m左右。開(kāi)挖完成后
多臂鉆造錨桿孑L，人工注漿插桿、掛網(wǎng)噴混凝土。
表1 Boomer L2D多臂鉆主要技術(shù)參數(shù)
技術(shù)指標(biāo)技術(shù)參數(shù)
最大工作高度／寬度
整機(jī)全長(zhǎng)／寬／高
覆蓋面積
鉆孔速度
最大單桿鉆孔深度
鉆孑L孔徑范圍
推進(jìn)補(bǔ)償長(zhǎng)度
鉆臂延伸長(zhǎng)度
最小轉(zhuǎn)彎半徑
離地間隙
收稿日期：2017—05—22
作者簡(jiǎn)介：高巖堂(1990一)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士研究生，主要從事水利水電施工及管理，E—mail：YantangGao@163．tom。
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第5期高巖堂．等：多臂鉆在楊房溝水電站鉆爆施工中的應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)第53卷
多臂鉆就位后，按爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行鉆孔，嚴(yán)格按
測(cè)量放線進(jìn)行炮孔的布置，先施工周邊孔及主爆孔，
然后再施工底板孔。鉆孔孔徑為42 ranl，采用非電毫
秒導(dǎo)爆系統(tǒng)，周邊孔使用+25乳化炸藥、其余爆破
孔使用+32乳化炸藥。根據(jù)水墊塘交通洞的地質(zhì)條
件、圍巖類別、開(kāi)挖斷面、掘進(jìn)進(jìn)尺、火工材料進(jìn)行爆
破設(shè)計(jì)，通過(guò)爆破試驗(yàn)并參照經(jīng)驗(yàn)類比確定爆破參
數(shù)。采用楔形掏槽，周邊孔間隔裝藥，其余炮孔采用
孔底連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。爆破設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2所列。
表2爆破參數(shù)特性
3多臂鉆與手風(fēng)鉆對(duì)比分析
水墊塘交通洞與尾閘連接洞斷面大小相同，均
為8．5 m×7 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，現(xiàn)對(duì)水墊塘交通
洞鉆爆施工中多臂鉆與尾閘連接洞人工手風(fēng)鉆開(kāi)挖
的實(shí)施效果進(jìn)行對(duì)比。
3．1 綜合成本
多臂鉆和手風(fēng)鉆的綜合成本，從人工費(fèi)、火工材
料、配件、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、其他機(jī)械費(fèi)、增加裝載機(jī)
費(fèi)用、鉆爆平臺(tái)等各方面進(jìn)行對(duì)比(表3)。
表3綜合成本分析對(duì)比元／m3
由表3可知，與手風(fēng)鉆施工相比，多臂鉆的綜合
成本劣勢(shì)導(dǎo)一次性投入較大，保養(yǎng)、折舊及維修費(fèi)用
較高，但多臂鉆設(shè)備殘余價(jià)值高。
3．2安全環(huán)保
多臂鉆開(kāi)挖支護(hù)施工，掌子面所需作業(yè)人員少，
遠(yuǎn)離掌子面，且主要人員處于臺(tái)車防護(hù)棚之下，在復(fù)
雜地質(zhì)條件下開(kāi)挖時(shí)，可以避免頂拱和掌子面塌方
對(duì)作業(yè)人員的傷害，同時(shí)多臂鉆亦直接參與排險(xiǎn)。手
風(fēng)鉆施工時(shí)人員集中，在復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)挖時(shí)易
出現(xiàn)群體傷害。
多臂鉆采用封閉式油路系統(tǒng)，消除了手風(fēng)鉆排
氣的噪音，沒(méi)有風(fēng)鉆排出的濕霧狀廢氣，空氣較清
新，安全性高。相對(duì)于手風(fēng)鉆開(kāi)挖，多臂鉆開(kāi)挖造孑L
過(guò)程中產(chǎn)生廢水及冷卻水，須合理做好抽排水工作。
3．3施工質(zhì)量
多臂鉆鉆臂利用改裝的電子羅盤(pán)儀可迅速定
位，鉆桿可按水平或固定傾角推進(jìn)，較人工控制鉆孔
角度更為精確，但由于鉆桿受多臂鉆滑架頂托及鑿
巖機(jī)自身尺寸的影響，周邊孑L的超挖控制仍有待提
高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的洞室超欠挖測(cè)量數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)
計(jì)算平均性超挖值指標(biāo)(表4)，可知多臂鉆開(kāi)挖成
形方面已基本接近人工開(kāi)挖。
表4超挖控制對(duì)比cm
3．4工作面選擇
在供水與供電具備的前提下，多臂鉆即可自行
移動(dòng)至工作面，參與開(kāi)挖支護(hù)工作。手風(fēng)鉆施工，需
要供水、供電與供風(fēng)同時(shí)具備，且臺(tái)車移動(dòng)需要裝載
機(jī)等設(shè)備輔助。
同手風(fēng)鉆開(kāi)挖相比，多臂鉆不需要布置空壓機(jī)，
且沒(méi)有臺(tái)車搬運(yùn)的需要，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)眭。
3．5鉆孔速度
水墊塘交通洞及尾閘連接洞的Ⅲ類圍巖設(shè)計(jì)炮
孔數(shù)分別為118、112，投入設(shè)備分別為1臺(tái)2臂鉆
及10把手風(fēng)鉆，總鉆孔時(shí)間分別為3．0～3．5 h、
3．2—3．5 h。
與手風(fēng)鉆開(kāi)挖相比，兩臂開(kāi)挖在造孔時(shí)間上優(yōu)
·6l·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2017年第5期甘肅水利水電技術(shù)第53卷
勢(shì)不明顯。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，三臂鉆較兩臂鉆開(kāi)挖可
縮短115左右的時(shí)間。
3．6其他方面
多臂鉆進(jìn)行洞室開(kāi)挖的動(dòng)力來(lái)源主要為低碳環(huán)
保的系統(tǒng)電力，能量的利用率可達(dá)到30％～40％，而
手風(fēng)鉆僅有15％一20％。多臂鉆可用于5～30 113的
超前探孔施工，能對(duì)不良的地質(zhì)條件進(jìn)行探測(cè)；還可
以更換配套(不同直徑)鉆頭，可靈活施作小導(dǎo)管及
各類錨桿孑L造孑L，鉆眼角度操作范圍大。
多臂鉆適用于7．5 m以上不同斷面尺寸的洞室
施工，同時(shí)滿足在各圍巖類型復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)挖
支護(hù)施工。對(duì)于12 m以上的特大斷面，多臂鉆開(kāi)挖
施工優(yōu)勢(shì)更為明顯，并具備鉆孔、裝藥、錨桿安裝等
一機(jī)多能、安全高效的優(yōu)勢(shì)。人工手持鉆一般適用
于較好圍巖地質(zhì)條件下的開(kāi)挖掘進(jìn)施工，不具備多
臂鉆“一機(jī)多能”的優(yōu)勢(shì)。
由于材料和制造技術(shù)的原因，性能較高的多臂
鉆一般從國(guó)外整機(jī)進(jìn)口或進(jìn)口主要核心部件組裝，
儀器費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)高昂，而每套手持風(fēng)鉆相對(duì)較為
便宜。對(duì)于較短長(zhǎng)度的隧洞，多臂鉆使用的優(yōu)勢(shì)并
不明顯，通常多臂鉆更適合于獨(dú)頭掘進(jìn)的較長(zhǎng)隧道。
為避免設(shè)備機(jī)況影響現(xiàn)場(chǎng)施工，須采用“預(yù)修理”的
方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)和檢修，同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備零配件
的“紅黃線”存庫(kù)管理。
4結(jié)語(yǔ)
該工地現(xiàn)有多臂鉆臂長(zhǎng)為7．2 m，建議將臂長(zhǎng)
改為6 m，施工楔形掏槽孔時(shí)便于中間掏槽調(diào)整
角度，增大爆破整體進(jìn)尺，從而降低整體成本。多
臂鉆鉆臂上安裝有電子羅盤(pán)儀，控制周邊孔超欠
挖取得較好效果(超挖20 cna內(nèi))。在水墊塘交通
洞試驗(yàn)段鉆爆施工的過(guò)程中，多臂鉆施工充分發(fā)
揮了空氣粉塵污染小、液壓沖擊鉆高效、傷亡事故
率低的優(yōu)勢(shì)。
采用多臂鉆施工目前也存在一定劣勢(shì)，主要為：
①一次性投入大，后期維護(hù)和折舊費(fèi)用高；②配件采
購(gòu)時(shí)間周期長(zhǎng)，對(duì)工期影響大。經(jīng)過(guò)綜合考慮，該工
程后續(xù)施工暫不考慮使用多臂鉆進(jìn)行大規(guī)模洞室鉆
爆作業(yè)。
隨著手風(fēng)鉆洞挖勞動(dòng)力成本不斷上升，以及對(duì)
人身安全、施工環(huán)境、工程工期的高度重視，多臂鉆
施工在鉆爆施工中逐漸受到追捧。對(duì)于成本控制，可
以通過(guò)提高生產(chǎn)規(guī)模、機(jī)械使用率及操作手技術(shù)水
平以減少超欠挖等手段來(lái)降低成本。
參考文獻(xiàn)：
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(上接第22頁(yè)) 從表9的計(jì)算結(jié)果可以看出，
對(duì)于流道頂板、底板及側(cè)墻部位的配筋均滿足鋼筋
應(yīng)力限制系數(shù)0．7的要求，故結(jié)構(gòu)裂縫驗(yàn)算滿足要
求，同時(shí)配筋面積均滿足理論最小配筋面積的要求。
4結(jié)語(yǔ)
通過(guò)建立進(jìn)水口結(jié)構(gòu)三維有限元模型，模擬進(jìn)
水口結(jié)構(gòu)在多種工況下的運(yùn)行情況，利用有限元法
計(jì)算出各種工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并選取結(jié)構(gòu)各部位
中主拉應(yīng)力最大的工況作為控制性工況來(lái)對(duì)進(jìn)水口
結(jié)構(gòu)相關(guān)部位進(jìn)行配筋計(jì)算，給出了應(yīng)力配筋計(jì)算
的方法和步驟，對(duì)類似的工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。
利用有限元法計(jì)算應(yīng)力并采用正應(yīng)力法進(jìn)行配
筋計(jì)算，同時(shí)通過(guò)限制鋼筋應(yīng)力的方法來(lái)間接實(shí)現(xiàn)
對(duì)裂縫寬度的控制，從而實(shí)現(xiàn)合理配筋的正應(yīng)力配
筋計(jì)算方法，可以直接計(jì)算出結(jié)構(gòu)各部位沿正應(yīng)力方
·62·
向上的配筋數(shù)量，是一種比較簡(jiǎn)單快捷的配筋方法。
通過(guò)對(duì)該電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的三維有限元分析及
正應(yīng)力配筋計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該進(jìn)水口結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力分布區(qū)
域較廣，但主要集中于進(jìn)水口結(jié)構(gòu)流道頂?shù)装寮皞?cè)
墻部位，特別是流道喇叭口頂板部位的拉應(yīng)力較為
集中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋計(jì)算中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
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