抽水蓄能电站高边墙绳锯切割施工技术应用研究

李永林，胡紫航，刘永奎，刘传军，张一波

（1.山东文登抽水蓄能有限公司，山东省威海市 264419；2.中铁十四局集团第二工程有限公司，山东省泰安市 271000）

0 引言

目前，抽水蓄能电站上下水库、厂房、引水系统、各类辅助洞室、道路交通等施工存在大量的石方开挖工程量，主要采用爆破开挖施工方式[1]。采用传统爆破施工工艺，安全风险高，爆破开挖方式进行地下厂房高边墙施工，爆破结构面平整度不高，且容易造成抽水蓄能隐形裂隙，存在潜在安全隐患。因此亟需在抽水蓄能电站工程建设中积极应用新技术、新材料、新工艺、新设备等方式，替代民用爆炸物品使用，降低安全风险[2]。在此背景下，文登抽水蓄能电站开展了绳锯切割新型开挖技术研究，总结形成了一套包含设备选型、施工组织、作业流程及工艺控制的绳锯切割施工技术，以减少爆破振动对围岩的损害。本文将对比常规爆破与切割两种开挖方式，对厂房高边墙围岩稳定性进行分析。

结合在文登抽水蓄能电站的试验数据，确定施工设备的参数和选型，研究地下洞室高边墙切割施工技术，研究高边墙与洞室交叉口施工工艺、设备施工过程、运行过程及技术环节，为地下厂房高边墙和洞室交叉部位切割施工提供施工技术经验。

1 工程概况

文登抽水蓄能电站地下厂房长214.5m、高53.5m，岩壁吊车梁以上宽26.5m、以下宽25m，主副厂房、主机间、安装场成矩形布置。厂房第Ⅱ～Ⅲ层边墙采用切割开挖，开挖高程66～56m。地下厂房区岩性以二长花岗岩和石英二长岩为主，整体块状结构，围岩以Ⅰ、Ⅱ类为主，有f202、f203断层Ⅲ类围岩，围岩强度110～130MPa，围岩完整性较好[3]。

在地下厂房高边墙部位与母线洞形成交叉部位采用绳锯切割施工，对切割石块整体外运，基础底部经过清理后，无需进行二次清洗情况下进行高侧壁和洞室现场继续施工，为后续施工提供了良好工作面，提高开挖效率，且具有安全、经济效益。

2 方案比选及确定

2.1 施工方案比选

经市场调研，综合考虑地下厂房开挖设备空间布置要求、现有市场切割设备和工艺方法熟练度、传统爆破开挖方式及各类施工工艺方法对作业环境影响等因素，对各类施工方法进行了分析比选，见表1。

表1 地下厂房高边墙施工方法比选分析表Table 1 Construction method comparison and analysis table of high side wall of underground powerhouse

2.2 施工方案确定

由于切割部分选择在地下厂房第Ⅱ层边墙开始，施工场地空间小，距离顶拱层起拱位置高度有限，整体地下洞室空间密闭，需采取噪声小、灰尘少、具有设备所需的布置空间、施工速度快的工艺方案，经过综合分析，选择金刚石绳锯切割机设备，采用绳锯切割方法对高边墙与洞室交叉口进行施工。

金刚石绳锯切割机具有明显优点：绳锯切割机的技术先进，实用性和适用性高，能够切割不同类型的混凝土构件；切割机全自动化，在进行切割施工时，能够自动控制切割的路线和切割的速度；切割机进行切割时，能够进行横向、竖向、倾斜切割，灵活性强，施工方便；运用切割机的导向轮，可以在复杂的施工环境下进行切割施工，适用性强[4]。

3 施工技术难点

抽水蓄能电站地下洞室较多，高边墙与地下洞室的交叉部位多，为保证切割料能够顺利取料，地下厂房中部提前进行爆破施工，形成了临空面，为切割创造高边墙切割条件的同时，爆破存在的潜在不稳定块体较多，需重点清理。基础面采用爆破施工，设备布置基面不平整，设备布设要求平整度高，需提前调平，保证切割时切割设备平稳。地下厂房对高边墙的稳定性要求高，切割时要做好切割部位监测。

4 绳据切割技术应用

4.1 绳锯切割原理及设备技术参数

绳锯切割通过把金刚石绳安装在绳锯机械的飞轮和导论上，飞轮固定在电动机轴上，运用主电动机的转动带动金刚石绳转动，通过绳上的金刚珠研磨，切割混凝土或石材。金刚石绳锯能够把切割面切割的平整，能切割多种断面，大小面积构件均能进行切割，还可以切割不规则构件，在广泛切割工艺中进行运用[5]。

文登抽水蓄能电站使用的绳锯切割机型号为SJ-37D。切割机主要组成部分包括绳锯驱动装置、飞轮、相关操作系统、导向轮、金刚石锯绳。绳锯切割设备及相关参数见表2。

表2 绳据切割设备及参数表Table 2 Rope cutting equipment and parameters list

4.2 绳锯切割施工的影响因素

地下厂房高边墙切割施工时，影响切割施工的因素包括切割机功率、金刚石绳锯施工状态、对切割施工工艺设计、现场施工环境。对不同构件进行切割的施工所制定的切割方案不同，根据工程概况制定合理的切割施工方案，以达到好的施工效果；根据切割构件的不同选择合理的切割设备和切割参数，进行切割施工时能够产生好的切割效果；根据工程概况和构件的大小，选择合理的切割设备，避免大的切割面用小功率的切割设备进行切割施工，对施工造成不好的效果[6]。

4.3 绳锯切割施工工艺方法

金刚石绳锯切割主要施工工方法是施工准备、测量放样、穿线孔钻孔、绳锯机械系统安装（含金刚石绳穿孔和导向轮安装等）、绳锯切割等。

（1）施工准备：清理施工场地，重点将场地底部和石块清理干净，现场四周进行围栏防护，做好配电箱和电缆敷设，现场储备水箱用于绳锯施工中冷却金刚石绳，设置好排水措施等。

（2）测量放样：在切割面位置处，选择切割面矩形直角角点进行标记，按照4个角点位置相互保证水平和竖直联通进行测量放点，确定切割穿线的竖直和水平向孔各2个。

（3）穿线孔钻孔：按照测量放样的点和孔向，搭建钻孔机架，先采用短钻杆进行预开孔，然后更换长钻杆整体贯通，钻孔过程中注意测量孔斜和偏差，钻孔后，穿入PVC套管对孔内进行保护。

（4）绳锯机械系统安装：安装线锯之前，做好电源、水源和选址准备，根据水平和竖向两个切割方向设备布置空间需要，规划好绳锯机械系统的设置位置。在切割面1～3m处进行轨道安装，从前往后铺设，使轨道平顺，安装完毕后，对轨道水平度检查。将绳锯设备安装在轨道上，连接电源和操作台，在没有负载情况下来回移动绳锯设备进行试运行。试运行正常后，将绳锯机移至导轨前端，根据垂直切割要求将主驱动轮旋转到所需高度状态，并选择合适位置将垂直导轮或水平导轮安装固定在岩体上。按照切割施工需求选择合理长度的金刚石绳穿入孔内，垂直切割时自水平孔入绳，垂直孔穿出[7]。

（5）绳锯操作交底：对绳锯切割工艺进行安全风险分析，针对风险点源制定预控措施和操作规程，对机械操作人员进行专项技术交底和安全培训，设备电源线和控制线保持正常状态，接地装置良好。操作台设置在距绳锯侧面不小于5m位置，切割方向严禁处于操作员面向方向，切割垂直面时，严禁靠近切割绳相同施工方向和俯看切割绳孔。挪动冷却管时要从切割缝位置操作，避免绳断裂时对人员损伤。施工过程中，需安全员旁站监督，快要切割完成时，转化为人工切割，减慢切割速度，绳锯切割完成后及时清洗设备上岩浆。设备使用中，要对设备滚动部件润滑保养，对金刚石绳检查是否有裂纹、变形等[8]。

（6）绳锯切割控制要点：金刚石绳安装要牢固可靠，防止绳锯脱落，保证切割面平整；安装时，保证钢珠安装方向与绳锯回旋转动方向一致，检查串珠大小一致性，避免卡锯和切割面不均匀。金刚石绳连接接头，用专用液压钳拧紧，确保绳锯缝与珠子连接紧密。切割过程中，要做好安全措施，尤其是用电、吊装，设置安全防护装置，做好警示标志，防止人员靠近切割机[9]。

4.4 高边墙绳锯切割具体实施方法

4.4.1 地下厂房安装间高边墙绳锯切割施工

文登抽水蓄能电站地下厂房安装间边墙绳锯切割具体方法如下，穿绳孔布设见图1。

图1 穿绳孔布设示意图（单位：mm）Figure 1 Rope hole layout diagram（unit：mm）

打设穿绳孔。对竖直孔（孔1）用YT-28手风钻打孔，竖直孔径50mm，钻孔完毕后检查，保证孔径和孔深，随即对孔位清理和保护，防止残渣堵孔；在地下厂房第Ⅲ层下部边墙设置开挖轮廓线，打通水平穿线孔2，使水平孔与竖直孔相交连通，水平孔孔深3m，每次切割进尺3m；在边墙切割完成后打孔水平穿线孔3，为下步切割施工提供切割通道便于运输切割料。固定绳锯机及导向轮，采用M16化学锚栓固定绳锯主脚架，导向轮固定在硬岩上，导向轮边缘与穿孔的中心线对齐。金刚石绳穿过穿孔1、孔2，与绳锯活轮、辅助轮连接。边壁轮廓切割完成后，金刚石绳分别穿过穿孔2和孔3、孔1和孔3。

4.4.2 地下厂房通风机室以下端墙绳锯切割施工

文登抽水蓄能电站地下厂房2号通风机室以下至厂房Ⅱ层底部（高程67.9m～高程55m）端墙绳锯切割具体方法如下。

打设穿绳孔。因选择的部位12.9m高，竖直孔需采用100B潜孔钻钻孔作业，钻孔直径90mm，间距1.5m，从2号通风机室底部高程自上而下钻孔贯通至交通洞顶部，部分钻至地下厂房Ⅱ层底部高程55m处，高程55m处打设水平孔穿线孔，水平穿线孔孔深1.5m，与垂直穿线孔连通，作为绳锯切割通道。端墙轮廓线切割完成后，打设垂直于端墙的穿线孔，为下一步切割取料提供切割通道。用M16化学锚栓固定绳锯主脚架，导向轮固定于坚硬岩石上，导向轮边缘与穿绳孔的中心线对准，将金刚石绳穿过穿线孔，与绳锯主动轮及辅助轮连接，通过控制盘调整主动轮提升张力，保证金刚石绳适当绷紧，启动循环冷却水，驱动主动轮带动金刚石绳索回转切割。

5 绳锯切割施工技术成效

绳锯切割技术因其独特的无尘、低噪声、高效率、高质量、设备成本低、切割形状适应范围广等特点，越来越多的在混凝土结构拆除中广泛应用，但在抽水蓄能地下洞室高边墙施工中首次在文登抽水蓄能电站应用。对比传统爆破法、风镐切割法等岩石开挖施工工艺，传统地下洞室开挖办法虽技术成熟但缺点较多，如污染严重、噪声大、安全风险高、环境影响大、开挖质量差等。采用绳锯进行地下洞室高边墙和高端墙开挖施工，利用反复摩擦切割原理，经实践论证，抽水蓄能地下洞室边墙绳锯切割技术优点明显。切割面效果见图2。

图2 切割面效果Figure 2 Cutting surface effect

（1）安全性能好。绳锯切割设备重量轻、体积小且操作方便，为成套购置，安全性能高，作业过程中，安全风险小，隐患少，操作手是专门的技能型人才，与传统爆破开挖作业人员相比，安全素质和技能高，整体作业过程安全可靠性高。金刚石串珠线锯机安全性能高，易于现场安全管理。

（2）作业环境影响小。施工时绳锯进行切割面打磨，由于电动液压马达运行平稳且绳锯与支撑构件接触面很小，所发出的音量可限制在44dB之内。无有害气体影响人员职业健康。在绳锯切割过程中，采用地下围岩渗水冷却即可满足绳锯降温需求，施工用水同时起到润滑绳锯作用，可以清除岩粉，因金刚石绳属于线状结构，可有效控制运转过程中污水飞溅，也无石粉飞逸，整体安全文明施工效果好。

（3）开挖质量高。切割作业是一种高速金刚石串珠锯，利用研磨围岩边墙的原理，与爆破开挖施工比，无冲击波振动影响，不会造成围岩深层破坏，不损害周围建筑物结构安全。开挖出来的地下洞室高边墙切割面平整度高、成镜面效果，克服了传统工艺存在的弊端。

（4）施工效率高。绳锯切割布设简便，工序简单，切割速度快，设备灵活，易于更换部件和转序，不受火工品重大节日等受控的影响，可保证连续施工。

（5）综合成本低。绳锯切割设备购置单价低、穿入金刚石绳后可稳定地在轨道上自行切割、减少了大量的人员投入，低劳动强度可获得高破岩能力的作业；工序简单效率高，可较少管理人员成本投入；施工质量好，由设计优化支护参数，节省工程投资。

6 结论

本文结合文登抽水蓄能电站实际案例，对高边墙与端墙切割技术进行了研究和分析，详细阐述了抽水蓄能地下洞室高边墙和端墙使用绳锯切割的工艺流程，通过应用，得出了绳锯切割施工的技术要点，对比分析了出了绳锯切割施工成效，该技术应用于抽水蓄能地下洞室开中，具有安全性能好、作业环境影响小、开挖质量高、施工效率高、综合成本低的优势，通过实践论证了绳锯切割技术可适合于抽水蓄能地下洞室高边墙开挖施工。