矿山输送廊道钢结构修复施工的新方法

2022-07-27夏春生路海军朱向国

水泥技术 2022年4期

夏春生，路海军，朱向国

1 项目简介

1.1 项目概况

某水泥公司有一套矿山破碎与输送系统，胶带输送机输送角度为19°，1号、2号胶带输送机基础位于箱涵出口下方边坡上，边坡原始坡角为45°。输送系统桁架及基础建设完成后，边坡在自然状态下基本稳定。但受强降雨持续影响，雨水渗入边坡岩体，在孔隙水压力、岩体温差及基础传递的动荷载等作用下，边坡坡面附近的破坏程度不断上升，各节理面进一步发展、延伸并逐渐贯通。随着雨水渗入边坡的深度增加，破坏范围逐渐增大，边坡由局部破坏发展为整体滑动破坏、失稳垮塌，输送系统1号、2号基础钢支架严重损坏，桁架发生垂直和水平方向的位移，仅依靠输送机胶带的张力悬挂在空中，输送系统已无法正常运行。为恢复输送系统正常运行，亟需对已变形损坏的钢支架与桁架进行修复。

1.2 项目施工条件

（1）施工区域地形、工程地质及水文地质情况

施工区域地形陡峻，箱涵出口至5号基础高差达100m，主要出露地层为上覆第四系全新统崩坡积层碎石。施工区域北东侧坡脚附近有一条水沟，沟宽约2.5～4.5m，水流较急，流速约1.0m/s，流量较大。施工区域地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水，岩溶水主要赋存于石炭系下统铺门前组灰岩表层节理裂隙和溶蚀缝隙中，其中，岩溶裂隙中的含岩溶水是施工区域内主要的地下水，岩溶裂隙也是主要的含水层，富含水。根据钻探岩芯的完整程度判定，该场地内的中风化灰岩岩体属于“较破碎”岩体，根据土工试验报告可知，其饱和抗压强度标准值为51.1MPa，属较硬岩。中风化灰岩岩石基本质量分级为Ⅳ类。

（2）施工场地设施与运输条件

施工用电可以利用廊道上的检修电源。施工区域外有临时通道可通往附近的5号基础，且临时通道仅可通行小型车辆，大型吊装设备无法进入施工区域，材料运输困难，需多次人工倒运。

2 工程修复方案

根据现场地形，排除了使用吊装机械设备的施工方案，原因主要包括：无联络道路可供机械设备通行；已失稳垮塌的边坡尚未稳定，应避免扰动导致其二次破坏；受地形限制，施工使用的材料需应用小吨位机械运至现场。

由于该修复工程为高空作业，施工期正值雨季，经反复论证，决定采用“吊桥型悬吊桁架”吊装修复方案。该方案具体如下：确定可以承受外力的位置，采用吊桥形式为吊装作业提供受力点，将桁架及其他构配件悬吊至设计位置后，安装钢支架，修复此段输送胶带廊道。

具体实施时，在箱涵和3号桁架处各设置一座龙门架，以设计的输送胶带中心线为基准，在龙门架上对称布置主吊索，为桁架和钢支架吊装提供受力点，以使桁架起吊完成后基本位于设计位置。预计上部桁架的复位与校正工期约为10d，钢支架的安装工期约为10d。

3 工程修复重点

1号、2号基础钢支架损坏情况如图1所示。由图1可以看出，输送系统上部桁架在水平与垂直方向均有移位，需在两个方向上进行调整复位；有两跨桁架杆件存在变形，需要更换或校正；箱涵出口与1号桁架间的输送胶带支架已毁坏，需更换。

图1 1号、2号基础钢支架损坏照片

1号、2号基础钢支架损坏严重，需钢结构厂重新分节加工制作，以便于现场安装；安装钢支架时，需在基础四周搭设脚手架平台，随着钢支架分节安装高度的上升，逐渐提高脚手架平台高度。

4 龙门架主吊索荷载和安全系数验算

制作龙门架，悬吊2根主吊索，胶带输送机工艺布置及龙门架吊索位置如图2所示。主吊索钢丝绳根据龙门架移位段的桁架、构配件总质量进行选型，本工程施工荷载的总质量约8t，因此选用的钢丝绳型号为：6*19-26.0mm-1570MPa。主吊索荷载和安全系数的验算如下。

图2 胶带输送机工艺布置及龙门架吊索位置布置图

4.1 确定钢丝绳跨度和工作垂度

根据现场实际情况，确定钢丝绳跨度L=50m，外荷载作用下，工作垂度f=L/20=2.5m。

4.2 计算单位跨度施工总荷载

（1）钢丝绳荷载

单条钢丝绳单位质量2.49kg/m，g=10m/s2，2条钢丝绳单位荷载为：

（2）桁架及构配件荷载

（3）施工人员荷载

取6人在廊道上同时作业，按每人75kg计，6名施工人员荷载为:

（4）单位跨度施工总荷载

4.3 验算钢丝绳安全系数

钢丝绳公称抗拉强度为1 570MPa，破断拉力T破=777kN。

单根主吊索最大水平拉应力

其中:

最大力矩

单根钢丝最大水平拉应力

单根钢丝最大轴向拉应力

安全系数K=0.8T破/Tmax=0.8×777/206=3.02，安全系数≥3～4，符合要求。

5 修复工程施工过程

5.1 安装架设龙门架及主吊索

（1）安装架设龙门架

在箱涵端部及桁架端部各安装架设一座龙门架[2]，在距箱涵端部2m的顶板上安装架设一座龙门架；在桁架端部上弦加设节点板，节点板下部的立杆用同型号的槽钢加固，在节点板上架设另一座龙门架，此龙门架与节点板间采用绞接方式连接。龙门架吊索布置见图3，龙门架架设实景见图4。

图3 龙门架吊索布置图

图4 龙门架架设实景

（2）对称布置主吊索

以设计的输送胶带中心线为基准，在龙门架上对称布置主吊索，以使桁架起吊完成后基本上处于设计位置。

（3）布置垂直吊索

主吊索张紧前，在对应位置安装垂直吊索。根据桁架及两个龙门架的间距，在两根主吊索（1号桁架靠箱涵端、两跨桁架连接处的垂直上方）设置吊点，同时，需考虑主吊索张紧后的伸长量。

（4）张拉主吊索

箱涵端吊索通过箱涵顶板穿孔螺栓固定后，沿廊道施放主吊索，并在主吊索上预设垂直吊索与提升用葫芦（4个5t葫芦，1根主吊索上安装2个）。先将3号桁架端部的龙门架朝箱涵方向放倒，测量长度后，将主吊索与龙门架顶部的箱涵侧吊耳固定，另一侧的吊耳通过10t葫芦对2根主吊索同时进行张紧，达到设计位置后，再用钢丝绳在3号、4号桁架上多点固定，将3号、4号桁架间的上下弦用槽钢焊接，使3号、4号桁架形成一个整体。主吊索张拉施工现场见图5。

图5 主吊索张拉施工现场

5.2 稳定桁架

（1）利用吊索、葫芦等工具悬吊移位钢桁架端部下弦至受力状态。

（2）移位钢桁架的两侧设揽风绳，将揽风绳用地锚固定。在钢桁架移位方向，揽风绳采用“钢丝绳+葫芦”的形式，以便归位时能缓慢调整位置。

5.3 拆除2号支架

（1）将葫芦系在桁架上，吊住2号支架并拉紧，割开支架顶部的桁架支座。如此一来，在拆除支架时，不论支架承受拉力还是承受压力，均不会失稳。

（2）拆除支架，设置揽风绳，控制支架下落方向，避免碰撞3号支架。

5.4 桁架归位

（1）缓慢调整桁架右侧揽风绳上的葫芦，使桁架先水平方向归位。

（2）同时调整主吊索与桁架间的4个葫芦，使桁架垂直方向归位。

（3）桁架就位后，检查所有桁架受损情况并进行修复。

5.5 安装及校正钢支架

钢支架的安装需与1号、2号基础及边坡治理工程协同进行。待基础与上部边坡治理完成后，开始安装钢支架。用挖掘机将钢支架分节运至现场。受地形限制，钢支架不能采取“先组对、后整体吊装”的方式，只能在基础上逐节（＜1t重）向上架设，边吊装边组对。钢支架利用桁架上弦进行起吊，同时支架四周的脚手架作为组对平台同步向上搭设。安装最后一节支架时，需同时利用平台与桁架。

5.5.1 进行安装前准备

（1）平整吊装场地。

（2）复验安装定位所使用的轴线控制点，测量标高使用的水准点。

（3）标出标高控制线和坐标轴线。

（4）复验预埋件轴线、标高、水平度、预埋螺栓位置及伸出长度，超过允许偏差时，作技术处理。

（5）核对钢支架几何尺寸与现场基础或预埋件的尺寸。

（6）充分考虑运输便利性，避免构件变形，根据构件的结构特点和使用顺序，合理放置构件。

（7）对构件外观、制作质量、是否存在搬迁变形等环节进行检查、记录。

（8）修复或调换不符合安装要求的构件、材料，构件、材料符合安装要求后方可投入现场施工。

5.5.2 实施钢支架安装

安装顺序由下至上，安装时应特别注意误差的累加。每一独立杆件安装完成后，应具有足够的空间刚度和可靠的稳定性。

（1）主柱安装