紅旗水庫低涵隧洞開挖軟弱圍巖高壓旋噴灌漿處理

張磊華 陳宇波

（長沙縣水利水電勘察設計室 長沙市 410100）

1 概 況

紅旗水庫為長沙縣四大中型水庫之一，正常庫容1146萬m3，水庫低涵由放水臥管和穿壩涵管組成，位于主壩壩基右端，穿壩涵管內徑0.5m，進口底板高程66.6 m，長121.5m，由當地農民興建，低涵前部為松木結構，漏水嚴重，2002年水庫水位已接近死水位時，低涵尚有（0.05～0.1）m3/s的滲漏量，高水位時滲漏量更大，嚴重影響大壩安全。

2005年實施除險加固工程時，擬定對低涵進行封堵后，重新開挖新建低涵。新建低涵隧洞位于主壩右岸，隧洞進口位于右岸庫內距右壩肩約110m處，進口高程66.6m，出口位于下游壩腳約110m處，隧洞中間段用圓弧連接，隧洞軸線長217.3m，直線段長105.05m，圓弧段長130.67m，坡降i=4.2‰，為無壓隧洞，圓拱直墻斷面，襯砌后底寬1.5m，高1.8m（側墻高1.05m，頂拱高0.75m）。襯砌厚度0.3m，為全斷面鋼筋混凝土襯砌，每15m設伸縮縫，縫寬3cm，瀝青砂漿填縫，采用橡膠止水帶止水。洞頂部中心角120°范圍內采用回填灌漿。

進口閘室采用鋼筋混凝土結構，長6m，寬2.5m，高3.3m，閘門設在閘室中央，其上設起閉機室。起閉機室采用排架式結構。

根據除險加固技施設計地勘報告，新建低涵隧洞最大埋深為21m，隧洞沿線區域未見斷層切割，但洞線圍巖處于強風化狀態，溶蝕沿礫巖層面及礫質膠結物強烈發育，礫質膠結物被溶蝕淋濾帶走，巖體呈散體結構，Zk1鉆孔處于隧洞最大埋深部位，在洞身部位鉆進時還出現嚴重垮孔，土質條件極差。

2005年底在進行低涵隧洞施工時，出口段隧洞埋深較淺，采取了機械明挖的方法，施工相對比較容易。進口段40m，土質相對較好，除局部有少量塌方現象，在采取邊挖邊采用松木樁支撐的情況下，能保證施工進行。除上述進出口兩段外，其他部位開挖時，土質太差，加之山體浸水較大，根本無法進行人工開挖，松木支撐多次被塌方壓垮，并出現穿頂塌方現象。后采用固結灌漿對洞體土體進行固結，試灌20m，但效果不明顯，仍無法進行施工。

2 工程任務與規模

本工程項目的主要任務是：新建低涵是紅旗水庫除險加固工程項目中重要的一項內容，通過新建水庫低涵放水隧洞，確保紅旗水庫正常發揮低涵灌溉效益，確保水庫大壩安全。

工程規模：工程等別為三等工程，工程規模中型，主要建筑物級別3級，次要建筑物級別4級，臨時建筑物5級。設計洪水標準100年一遇，校核洪水標準1000年一遇，消能防沖按30年一遇洪水標準設計。工程主要內容是新建低涵隧洞90m，斷面尺寸0.9mx1.5m，設計流量0.9m3/s。

3 工程設計或論證比較

紅旗水庫低涵開挖過程中出現支護困難的問題后，各方會同進行了充分的分析論證，擬定如下幾種方案進行處理：

（1）采取大放坡明挖方案。開挖深度為20m，因土質較松軟，且有少量滲水，初步擬定按1∶1.5放坡開挖，坡面采取簡易支護措施，開挖修建隧洞后回填，須移動土石方68000m3，回填土方65000m3。主要優點是施工工藝較為簡單，缺點是土方工程量較大，須尋找一處較大的臨時堆土場，開挖放坡破壞副壩壩體較多，恢復大壩時回填質量難保證，同時須重新壩體內防滲措施，安全性不高，同時施工期會較長。

（2）采取另行選線。繞至壩側山體內圍巖較好處開挖隧洞，根據技施設計地勘報告，另行選取地質條件較好隧洞走線須開挖隧洞長度160m。主要優點是隧洞開挖無支護難題，隧洞處于堅硬圍巖中，運行較安全，缺點是洞線較長，開挖施工進度慢，開挖難度較大，增加襯砌長度。

（3）對現有隧洞走線不作調整。采取高噴灌漿加固隧洞兩側和洞頂，再進行隧洞開挖，優點是隧洞線形較直，支護襯砌長度較短，軟弱圍巖開挖進度較快。缺點是施工工藝較復雜，施工要求定位控制精確度高。

經過認真研究商討，最后決定采取對洞體進行雙管高壓旋噴樁對土體進行止水及加固處理，樁徑800mm，橫向間距800mm，沿洞身軸線方向間距700mm，洞側兩排樁樁長5m，進入底板以下1m，洞頂三排樁樁長2m。橫向布5根樁，樁長：左右二側樁長5m，總孔數222孔，中間三排樁長2m，總孔數333孔，樁頂標高高于隧道頂標高2m。工程量：施工平臺土方開挖686.4m3，鉆孔6000 m，旋噴灌漿進尺1776m。

4 工程施工

4.1 鉆 孔

鉆進方法可采用回轉鉆鉆進成孔，泥漿護壁，沖洗液選用優質粘土泥漿或膨潤土泥漿。高噴鉆孔孔徑不小于ф110mm；孔深按隧洞設計高程進行放樣，兩側旋噴樁長5m，深入隧洞底板以下1m，頂部樁長2m，樁底高程平隧洞頂拱高程。孔斜偏斜率≤0.5%。樁位按隧洞中心線的位置放樣，其中心允許誤差控制不大于1%孔距。

4.2 孔斜控制

為防止鉆孔偏斜，在施工時采取以下措施進行防斜：（1）鉆機加設底座，力求鉆機工作時保持平穩。

（2）鉆機就位后，應墊穩及調整好鉆機，使開孔鉆具保持鉛垂狀態。

（3）隨時校對軸垂直度，加長粗徑鉆具，禁止使用彎曲鉆桿和彎曲的粗徑鉆具。

（4）鉆孔每5m左右進行一次孔斜測量，對鉆孔過程實施檢測，如孔斜偏并較大，應及時采取有效措施糾偏（如鉆具上下往復拉動修復、填孔重鉆、擴孔修復等）。

4.3 固壁泥漿

采用當地優質粘土或采用膨潤土做為造漿主要材料。泥漿性能參數指標見附表。

附表 泥漿性能參數

4.4 泥漿凈化及回收

鉆孔時，孔口返出的泥漿 經排漿溝、沉淀池沉淀后，用泥漿泵再次泵入鉆桿循環使用，排漿溝、沉淀池的漿渣人工挖出，運至定地點堆放。當泥漿中含砂量增多不能滿足護壁要求時，應用采特殊除砂措施（振動篩砂）或廢棄。

4.5 采用的設備及施工流程

施工采用1臺高噴臺車、1臺高壓清水泵、1臺空壓機和1臺灌漿組裝成一套高噴設備進行施工。旋噴樁施工采用預先成孔，而后下入高噴管進行。

施工流程：測量放線定點→鉆機就位調正→鉆孔→終孔驗收→噴車就位→地面試噴→下設噴管→噴射注漿→孔口靜壓補漿→粘土封孔→下一流程。

4.6 高噴注漿試驗施工

施工時先選擇未開通段進口和出口段（3～5）m進行試噴，試噴后對隧洞進行加固后的試開挖，檢查加固方案的可行性，再結合其余段灌漿對工藝參數進行優化調整，確定高噴注漿施工工藝參數，確定最合適的加固方案。

4.7 高壓噴射灌漿作業

鉆孔驗收合格后，進入噴漿作業。首先高噴臺車就位、進行調平、支撐點墊實墊穩；全面檢查噴漿設備是否完好，再進行孔口試噴，檢查各種管路是否暢通；下管時將噴頭進行密封，以防漿、氣、水管道堵塞；下到設計深度后，掃漿、水、氣順序依次送入，各種參數達到設計要求和孔口返漿正常后，再按要求進行正常提升噴射。

噴射作業完成后，通過送漿管路及時向噴射孔內補充地層漏失的漿液，進行靜壓補漿（回灌），直至孔內漿液面穩定和不再下沉為止。回灌可用噴射漿液，亦可用砂礫石層噴射作業時孔口返漿進行補漿，但不可使用粘土層噴射作業時孔口返漿進行補漿。

高噴灌漿結束后，心墻粘土段孔內應用粘土球回填封孔，每填一定高度后，下入粗徑鉆具搗實，使灌漿孔封填密實。

4.8 隧洞開挖

隧洞開挖一般要在旋噴樁強度達到90%以上進行（旋噴樁施工結束28天），為加快施工進度，施工時，摻入了一定比例的速凝劑，減短旋噴樁達到強度時間。隧洞開挖根據圍巖加固質量采取不同的支護措施，對加固后十分堅固段采取簡易支護后即進行開挖，對仍有軟弱點的開挖段采取松木支護的開挖方案，開挖采用人工洞內鎬鋤開挖，手推車運土出洞，為加快施工進度，采取兩頭并進開挖方案，日進尺能達到2m。

5 圍巖加固后的效果及成本分析

進行高壓旋噴樁施工后，隧洞沿軸線方向都進行了加固，土體質量明顯改善，且山體浸水量也顯著減少，開挖時在松木支撐的情況下能順利進行，兩側旋噴樁基本搭接，有一定的止水效果，開挖時無明顯滲水，大大降低了隧洞開挖難度，項目自2006年10月15日開始實施至2007年2月結束，工程歷經4個月，隧洞全線貫通。通過采取旋噴樁改良土體，確保了紅旗水庫低涵施工的安全和進度。

該項目實施主要工程量為：施工平臺土方開挖686.4 m3，鉆孔6000m，旋噴灌漿進尺1776m。工作井一個深20m，圍巖加固總工程造價86萬元，每米圍巖加固費用7800元。

工程實施效益十分明顯：

（1）工程實施后，能在較大程度上消除大壩安全隱患，免除因大壩可能發生事故對大壩下游人民生命財產安全的巨大威脅。

（2）工程實施后，穩定性大大提高，能保證大壩防洪效益的發揮，大大減輕了壩址下游河段沿河城鎮因洪災損失對社會環境、自然生態環境造成的嚴重破壞，為區域經濟發展提供了可靠的保證。

（3）工程實施后，蓄水有保證，能保證水庫灌溉效益、旅游效益、養殖效益的發揮。

（4）通過工程的實施，為低涵隧洞軟弱圍巖開挖探索出一條新的途徑，通過工程實踐，總結出一套較完善的軟弱圍巖高噴灌漿加固后開挖施工方案。為今后類似工程處理提供了寶貴的實踐經驗。

（5）工程實施的經濟效益：水庫增蓄200萬m3，按0.3元/m3計算，增加水庫收益60萬元。水庫增蓄后，恢復灌溉面積133.33hm2（2000畝），每畝增產糧食200kg，增收糧食400萬kg，農民增收30萬元/a。水庫養殖每年增收10萬元，水庫旅游收入每年增加2萬元。項目實施共計產生經濟效益102萬元/年。

6 結語

紅旗水庫低涵隧洞軟弱圍巖高壓旋噴灌漿加固后開挖的實施，成功地實現了低涵加固改造，確保了整個水庫除險加固項目圓滿完工。通過項目實施，探索出一條在水庫低涵施工時，遇極其軟弱圍巖地質情況，加固后開挖的施工方案。該方案主要優點是：一是處理效果好，處理后基本無滲水，簡易支護后即可順利開挖。二是灌漿施工在壩頂實施，施工場地寬，施工組織布置簡單。三是施工周期短，可組織流水施工，灌漿后達到強度即可進行開挖。四是經濟性好，每米加固費用7800元，隧洞總造價大大低于采用明挖處理方案和改線方案。主要缺點是：對灌漿鉆孔位置和高程要求控制精確，如控制不好易造成洞內開挖灌漿體，難度加大；適用于強風化土體，不適用于有裂隙、滲水量大的弱風化圍巖，適用范圍受限。

（1）頂部旋噴樁底高程控制應精確，設計時可考慮適當高于隧洞拱頂（30～50）cm，在施工過程中，遇到旋噴成樁質量較好的地方，旋噴樁占用隧洞拱頂位置，且造成人工洞內鑿除旋噴樁施工難度大的問題，主要原因一是未考慮旋噴樁漿液向底部延伸的因素，二是部分樁樁底標高控制不嚴格。

（2）側向支撐樁的偏位，部分側向樁位置各孔斜必須控制精確，在隧洞開挖過程中就發現了部分側向支撐樁伸入隧同開挖斷面的問題，造成后續工作難度大。

總而言之，該項目是較為成功的一次嘗試，紅旗水庫新建低涵施工完成后，經過1年的運行，在水庫高水位時沒有發現滲漏現象，能夠滿足使用要求。