大管棚超前帷幕止水注漿在隧洞涌水地段中的應用

田樹寶 黃伯順 祖博禹

遼寧水利土木咨詢有限公司 沈陽 110003

大管棚超前帷幕止水注漿在隧洞涌水地段中的應用

田樹寶 黃伯順 祖博禹

遼寧水利土木咨詢有限公司 沈陽 110003

1. 工程簡介

大伙房水庫輸水（二期）工程三標段位于撫順市南郊，區(qū)內地形起伏較大，地勢略呈北高南低，溝谷發(fā)育，本段主洞共穿越夜海溝東溝、夜海溝谷、郎士溝谷、偏坎子溝谷、英德堡的部分溝谷，這些溝谷埋深淺，且常年有流水，洞線穿越長度為87～766m，圍巖較差，主要以Ⅴ類為主，部分Ⅳ類；有些溝谷在施工中出現(xiàn)了大量涌水，安全通過溝谷淺埋段是施工的難點之一

2. 問題的提出及方案確定

在實際施工中各溝谷都出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，特別是通過朗士溝谷時，主洞開挖到13+085～13+095時，出水量約2000～3000L/min·10m已達到涌水，開挖至樁號13+095～13+115時，水量達到5000～6000L/min·10m，圍巖地質條件明顯變差，在開挖過程中遇水經常坍塌，小導管注漿已不能滿足施工安全的需求。為保證施工安全和洞室穩(wěn)定，在13＋115樁號進行了超前勘探工作，進一步探明了前方30m范圍內的地質狀況，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結合其他隧道施工經驗，認為較為合理的施工方法是采用超前大管棚帷幕注漿止水。

3.超前大管棚帷幕注漿的工程量和工期

根據(jù)前期勘探成果，為了達到止水目的，本次超前灌漿計劃在主洞上部均勻布置2環(huán)共19個灌漿孔，其中外環(huán)孔10個，內環(huán)孔9個，外環(huán)間距1.2m內環(huán)1.08m，梅花布孔。

本次超前灌漿鉆孔深度外環(huán)為25m，外插角為6°，內環(huán)為30m，外插角為3°。孔口管鑲鑄、待凝時間3天，鉆、灌效率按30m/d·臺計算，投入2臺鉆機，需9天，進退場3天，總計需12天。

4.施工方法

4.1、掌子面的封閉:掌子面的水集中導流，然后打錨桿(不要侵占108鋼管的位置)，掛網，噴20cm厚C20混凝土，封閉掌子面。

4.2、測量放樣：布設108管注漿孔的位子，在以頂半圓的圓心為圓心，3.5米為半徑，間距為120cm,10個φ108鋼管，在半徑3.3米的內環(huán)間距為108cm,9個108鋼管，和上面的10個管成梅花形布置。中間有兩個鉆心取樣的探測孔，兩個孔都在一個水平線上，在中心線兩側各1米處，距頂圓心下1.6米，放樣完φ108注漿管的位置后，需用實驗室手工鉆心取樣的手工鉆機140mm直徑的，把噴上的20cm的鋼筋混凝土鉆心取出來，這樣就不會因為沖擊鉆作用在鋼筋網上，把混凝土振落，使掌子面的封閉受到破壞，而不起作用。

4.3 搭鉆機平臺安裝鉆機

（1）鉆機平臺用腳手架搭設，平臺一次性搭好，鉆孔由三臺鉆機由高孔位向低孔位對稱進行，可縮短移動鉆機的時間，便于鉆機定位。

（2）平臺支撐連接牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時鉆機產生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量。

（3）鉆機定位：精確核定鉆機位置，使鉆機與已設定好的孔口管方向平行。可用全站儀、掛線、地質羅盤導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸向與孔口管軸線相吻合。

4.4 鉆孔及孔的沖洗

（1）為了便于安裝孔口管，摘孔口段鉆頭直徑采用φ130mm，1.5米深后，安要求摘管、堵漏、注漿。正常注漿孔徑采用φ75mm，外環(huán)25米，內環(huán)30米。

（2）鉆機開鉆時，可低速低壓，待成孔3m后可根據(jù)地質情況逐漸調整鉆速及風壓。

（3）鉆進過程中經常用測斜儀測定其位置，并根據(jù)鉆機鉆進現(xiàn)象及時判定成孔質量，并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。

（4）鉆進時若遇到坍孔、卡鉆現(xiàn)象，需補漿后再鉆進。

（5）認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質判斷，作為開挖洞身的地質預報，為洞身開挖提供指導依據(jù)。

（6）用鉆桿配合鉆頭來回掃孔，清除浮渣至孔底，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。

（7）用高壓風從孔底向孔口清理鉆渣。

（8）灌漿孔均進行沖洗。沖洗采用灌漿壓力的80%，壓力超過0.5MPa時，采用0.5MPa。

（9）裂隙沖洗應沖至回水澄清后10分鐘結束，且總的時間要求，單孔不少于30min，孔內殘存的沉積物厚度不得超過20cm。

（10）當鄰近有正在灌漿的孔或臨近灌漿孔結束不足24h時，不得進行裂隙沖洗。

（11）注漿孔段裂隙沖洗后，該孔應立即連續(xù)進行注漿作業(yè)，因故中斷時間間隔超過24h時，在注漿前重新進行裂隙沖洗。

4.5 壓水試驗

結合裂隙沖洗，采用“簡易壓水”、“單點法”進行壓水試驗。試驗壓力為灌漿壓力的80%，該值若大于0.5MPa時，采用0.5MPa；壓水20min，每5min測讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計算流量，其成果以透水率表示。

4.6 灌漿材料、灌漿設備

4.6.1 材料

灌漿采用純水泥漿。

（1）水泥。水泥采用渾河牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其質量滿足灌漿要求。施工過程中，對于受潮結塊的水泥和出廠期超過三個月的水泥及時清場，不得使用。

（2）拌和用水。抽取4＃支洞施工區(qū)內的地下水，水溫及水質均符合灌漿要求。

4.6.2 灌漿設備

（1）灌漿泵使用BW-250/500灌漿泵1臺，其最大容許工作壓力為10.0Mpa，排漿量能滿足灌漿最大注入率的要求。

（2）根據(jù)灌漿需要配置1臺高速和1臺低速漿液攪拌機。高速攪拌機為自制的300L攪拌桶；低速漿液攪拌機為YJ－200型雙層攪拌桶，能保證均勻連續(xù)地拌制漿液。

（3）灌漿管路選用可承受最大壓力為15MPa的高壓鋼絲編織膠管；壓力表最大標值為10MPa，已經過率定。壓力表和管路之間應設有隔漿裝置。

（4）孔口封閉器為自制法蘭盤，耐高壓，易于安裝和卸除。

（5）注漿時采用自動記錄儀記錄水泥用量。其性能指標滿足施工要求。

（6）所有注漿設備、儀器、儀表均始終保持工作狀態(tài)正常，并應配有足夠的備用設備。電力驅動的設備保證接地良好并經確認能保證施工安全時，方可使用。

4.7 灌漿

4.7.1 施工工藝

4.7.2 灌漿程序

（1）一般要求。超前預注漿必須嚴格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》（DL/T5148-2001）中相關規(guī)定執(zhí)行。

（2）施工程序。外排I序孔→外排 II序孔→內排I序孔→內排 II序孔。

（3）工藝流程。孔口擴大段鉆孔（孔口段鉆頭直徑采用φ130mm，鉆深1.5米）→沖孔及壓水試驗→鑲鑄孔口管（φ108mm的鋼管19個）→灌漿（19個孔都達到閉漿標準）→下一段鉆孔→沖孔及壓水試驗→全孔灌漿結束→封孔。

（4）灌漿段1.5米段,外環(huán)孔25米一段，內環(huán)30米一段。摘管注漿完成后，采用φ75mm鉆頭重新開鉆，外環(huán)孔10個25米深，內環(huán)孔9個30米深，按要求鉆孔、鉆孔沖洗和壓水試驗后，進行灌漿。

（5）超前預注漿采用“孔口封閉，孔內循環(huán)分段灌漿法，分段原則為出水量大于30L/min的需要進行注漿處理。設計初始灌漿壓力0.25MPa，最大灌漿壓力不超過0.5MPa。

（6）各注漿孔段不論透水率大小均按技術要求進行注漿，對特殊地層注漿段應采取相應的施工技術措施，有效控制灌漿量。

（7）射漿管采用4′硬質PVC管，注漿時射漿管底部距離孔底不大于0.5m。

（8）注漿應盡快達到設計壓力，但對于注入率較大部位應分級升壓。

（9）注漿漿液水灰比擬采用2﹕1、1﹕1、0.5﹕1三個比級。開灌水灰比采用3﹕1。

（10）注漿應由稀至濃逐級變換。灌漿的變換原則如下：

1）當灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或注入率不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

2）當某級漿液注入量已達到300L以上，或灌漿時間已達30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，應該濃一級水灰比。

3）當注入率大于30L/min時，可根據(jù)具體情況越級變濃。

4.7.3 灌漿結束標準和封孔方法

（1）超前預注漿結束條件為，注漿段在最大設計壓力下，當注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注15min結束。

（2）全孔注漿結束并經監(jiān)理工程師驗收合格后，采用“壓力灌漿封孔法”進行封孔。

4.8 灌漿質量控制

⑴注漿前先檢查管路和機械狀況，確認正常后做壓漿實驗，確定合理的注漿參數(shù)，據(jù)以施工。

⑵注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現(xiàn)象，如發(fā)生串漿，應立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口，也可采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵，直至不再串漿時再繼續(xù)注漿。注漿過程中壓力如突然升高，可能發(fā)生堵管，應停機檢查。

（3）注漿過程應派專人負責，觀察壓力表值，監(jiān)控連通裝置，避免因壓力猛增而發(fā)生異常情況。

5、 勞動力組織及設備投入

超前預注漿施工工序多，工種雜、技術性強、要求技術工人具有各方面獨立操作能力，又能處理管棚施工中一般的故障，管棚施工的質量很大程度上取決于鉆孔和注漿的質量。為了保質保量快速完成本次超前灌漿任務，達到預期止?jié){目的，使得下步主洞開挖安全順利進行，結合現(xiàn)場作業(yè)條件，承包人配置了相應的設備資源和人力資源。見表2-1、表2-2。

表2 -1 4＃主洞下游超前灌漿擬投入設備表

表2 -2 4＃主洞下游超前灌漿擬投入人力資源表

6.施工質量與效果評定

超前灌漿為隱蔽工程，且對后續(xù)開挖施工的安全起著決定性的作用，因此，承包人高度重視本次灌漿任務的施工質量，對本次灌漿施工質量與效果評定如下：

6.1 外環(huán)注漿孔外插角5.5°～6°，間距 1.8 cm;內環(huán)外插角2.8°～3.3°滿足設計與規(guī)范要求，為保證注漿的擴散范圍創(chuàng)造了條件。

6.2 注漿過程中有漿液從掌子面的裂隙中滲出，說明注漿段的圍巖裂隙很發(fā)育，同時也表明水泥漿液已經擴散到圍巖的裂隙中，起到了止水、固結周邊圍巖的作用。

6.3 注漿前通過壓水實驗測得透水率在16.7～27.3之間，灌漿完畢后，按監(jiān)理打檢驗孔后做壓水實驗測得的透水率在0.8～1.7之間。灌漿后的透水率減小到了灌漿前的1/18。實際開挖后掌子面的出水量較以前明顯減少。

綜合以上本次超前預注漿到了止水的預計效果。

7.結束語

注漿前開挖時，裝藥較為困難，剛裝進去即被水沖出，爆破時拱頂還經常出現(xiàn)大小不等的塌方（頂塌方在50～3000mm）；注漿前噴砼時總是脫落，施工較為困難，每延米用料量都在設計值的四倍以上。注漿后在注漿固結體與超前小鋼管的共同作用下小的塌方與大的超挖現(xiàn)象杜絕；噴砼用料量也大副下降。

超前預注漿施工完成后，僅用了15天時間即完成了洞身30mⅤ級圍巖淺埋段的開挖施工，整個開挖過程安全順利。進一步驗證了對于隧道淺埋富水破碎圍巖地段采用超前預注漿施工工藝，提前發(fā)揮止水、支護作用，增加了施工安全度，提高了隧道的長期穩(wěn)定性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.021