富水冰磧體中水工隧洞水平旋噴樁預支護施工技術(shù)

駱 紅 兵

(中國水利水電第五工程局有限公司 第三分局，四川 成都 610066)

1 概 述

該段隧洞開挖初期按照水工隧洞的常規(guī)方法，采用超前小導管或超前錨桿注漿+“噴錨網(wǎng)”+型鋼拱架結(jié)構(gòu)進行支護，并結(jié)合預留核心土法突擊支護，但由于其地下水豐富，半膠結(jié)冰磧層巖石顆粒遇水迅速泥化成泥石流，自穩(wěn)時間極短、塌方頻繁、工程進展緩慢。經(jīng)對比分析，業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理審查后決定采用水平旋噴樁預支護技術(shù)，在隧洞拱頂及周邊形成了封閉的水平旋噴帷幕體，阻斷地下水于開挖斷面外，保障了掌子面足夠的自穩(wěn)支護時間，確保了工程順利實施。

2 技術(shù)方案的提出

2.1 施工過程

工程前期是按照Ⅴ類圍巖支護方法采用超前小導管或超前錨桿+“噴錨網(wǎng)”+型鋼拱架結(jié)構(gòu)、預留核心土以及長大管棚等方法施工，在其實施過程中，細顆粒泥石流從鋼管或錨桿縫隙中流出繼而形成較大塌方。經(jīng)監(jiān)理、設(shè)計、業(yè)主現(xiàn)場多次踏勘，商定采用小導管注漿和密集自進式注漿錨桿的方式進行處理。實施中仍出現(xiàn)了多次大規(guī)模的泥石流塌方，每次塌方均需多次小導管注漿和待強，分臺階人工開挖，導致隧洞開挖工期嚴重滯后。

2.2 原因分析

2012年7月，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計院、監(jiān)理、施工方隧洞專家共同查看現(xiàn)場后，在布侖口～公格爾水電站土建Ⅱ標項目部召開了塌方處理方案專題會，分析認為產(chǎn)生塌方的原因有以下幾點：

(2)設(shè)計文件中雖勘探明確了沖溝位置及規(guī)模，但對于此段遇水迅速泥化的第四系冰磧層產(chǎn)狀及地下水情況估計不足，故采用超前注漿小導管或大管棚進行支護已不能滿足施工進度要求。

(3)受季節(jié)性高山雪融水影響，該地段地下裂隙水豐富，掌子面頂部及前方巖體已局部擾動、侵蝕、軟化，滲水通道不明，注漿固結(jié)不能從根本上解決阻水及排水問題。

(4)歷次塌方發(fā)生后，在對塌方體處理尚未達到預期固結(jié)效果的情況下，便急促地往前掘進搶進度，地下水沿掌子面移動使前方巖體遭到侵蝕，開挖揭露過程中導致了塌方體的繼續(xù)發(fā)展與擴大。

2.3 傳統(tǒng)處理方案

按照洞室傳統(tǒng)的開挖方法，為確保持續(xù)穩(wěn)步掘進，首先要解決地下水問題，在滲水量大且洞頂滲水面集中的部位，結(jié)合型鋼拱架位置，增設(shè)了φ50排水孔，孔深3 m，然后在安裝好的鋼拱架上方打了兩排小導管孔，環(huán)向間距20 cm,花管(φ48鋼管)內(nèi)均插一根φ25的鋼筋，在安裝好的花管內(nèi)進行高壓灌漿，水泥漿液水灰比為1∶0.5～1∶0.8，灌漿壓力為0.2～0.5 MPa。灌漿結(jié)束、待強24 h后，進行塌方渣料的清除。根據(jù)情況分半拱施工，安裝間距50 cm的I16鋼拱架，用φ25鋼筋進行縱向連接、加固，再進行掛網(wǎng)、噴30 cm厚的C25混凝土，待其達到一定強度后，進行下一循環(huán)的作業(yè)。此種方法雖能進尺，但后續(xù)循環(huán)保障性較差，當再次遭遇到較多不明滲水通道時，難以保障注漿咬合固結(jié)效果，便會出現(xiàn)較大的塌方。

2.4 水平旋噴樁處理方案

經(jīng)過幾次大塌方后，考慮到地質(zhì)條件的復雜性，對于后續(xù)長達120 m的過溝段能否平穩(wěn)、安全通過存在疑慮，為確保工程發(fā)電工期目標，經(jīng)多渠道探索分析，邀請了設(shè)計、監(jiān)理、業(yè)主和專業(yè)公司的專家親臨現(xiàn)場商討，通過對小導管注漿、長大管棚注漿、水平高壓旋噴灌漿、全斷面固結(jié)等超前預加固方案進行對比分析，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理審查，決定采用水平高壓旋噴預支護方案，在隧洞拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，利用水平旋噴樁的阻水和土體改良加強效應(yīng)，起到對拱頂圍巖超前預加固的作用。

3 水平旋噴樁方案的實施

3.1 方案的實施

按照多方研究決定的方案，2012年8月，項目部對班組長以上的施工人員、現(xiàn)場技術(shù)人員進行了水平旋噴樁施工技術(shù)交底，首先對坍塌的渣體坡面采用袋裝干水泥壘砌小臺階并噴射20 cm厚的混凝土封堵以形成止?jié){墻。根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，為加固隧洞拱頂?shù)能浫鯂鷰r，在隧洞拱頂施工水平高壓旋噴樁，以起到阻水、固結(jié)作用。

施工時，在隧洞拱部180°范圍形成了長30 m、直徑500 mm的水平旋噴柱，循環(huán)搭接長度為8 m(含工作室)。采用HTG-100型管棚鉆機打設(shè)水平孔，鉆進至設(shè)計深度后，拔出鉆桿且同時通過鉆桿、噴嘴(直徑2.7 mm)以大于35～40 MPa的壓力把配制好的漿液(水泥水玻璃漿液的水灰比為0.8∶1～1∶1)噴射到巖體內(nèi), 借助流體的沖擊力切削軟弱巖層，使噴流射程內(nèi)的軟弱巖體遭受破壞；與此同時，鉆桿一面以一定的速度(20 r/min)旋轉(zhuǎn)，一面低速(15～30 cm/min)徐徐外拔，使土體與水泥漿充分攪拌混合、膠結(jié)硬化后形成直徑比較均勻、具有一定強度(0.5～8 MPa)的樁體，從而使地層得到加固；當旋噴樁相互咬接后,便以同心圓的形式在隧洞拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體, 水平旋噴樁具有阻水效應(yīng)和土體改良加強效應(yīng)，能夠起到防流沙、抗滑移、防滲透的作用，進而保證隧洞掘進的安全。至9月18日，除仰拱外，共用30 d，順利、安全地通過了擾動塌方段。

3.2 施工要點

(1)在塌方下來的渣堆上, 采用碼砌編織袋的方式對塌方體坡腳進行防護，堆碼成臺階狀并對塌滑體實施噴漿防護處理，以防止灌漿時塌方體流動而不能增壓，從而影響灌漿效果。對于局部滲水或集中滲水，埋設(shè)φ50的排水管將其集中引排至封閉面外并安裝球閥，以便冒漿時能隨時關(guān)閉。

(2)水平旋噴灌漿施工時，第一循環(huán)向上傾13%～15%鉆進15 m，第二循環(huán)向上傾1%～3%鉆進30 m，第三循環(huán)向上傾13%～15%鉆進15 m。中心間距35 cm左右，相鄰樁咬合15 cm。鉆孔完畢開始實施旋噴灌漿，水灰比為1∶1，注漿壓力為35～40 MPa。進行高壓噴漿前，應(yīng)檢查高壓注漿泵，查看泵壓讀數(shù)是否達到設(shè)計要求(35～40 MPa)，待泵壓達到設(shè)計要求時才能開始噴漿，在孔底高壓噴漿時應(yīng)停留一定時間，然后再緩慢外拔鉆桿，鉆桿每向外拔出0.6 m應(yīng)回拖0.3 m鉆桿，同時高壓噴漿；當鉆桿拔至孔口1 m時停止注漿，關(guān)閉漿液通道，再緩慢拔出鉆桿，進行封孔作業(yè)。

(3)由于水平旋噴樁施工完成后在頂拱形成了封閉面，上部山體滲水越積越多，形成了較大的水壓力，對已開挖支護的洞段極為不利。因此，如何排水亦成為一個關(guān)鍵問題。工程中，采用鉆設(shè)長、大排水孔的方式集中排水泄壓。根據(jù)水平旋噴樁施工過程中鉆孔的滲水記錄，在出水較大的孔位上方鉆設(shè)20 m長的排水孔并埋設(shè)花管(φ108鋼管)，以利排水。

(4) 根據(jù)排水孔出水情況，在水量較大且集中的部位采用小導管加強注漿固結(jié)，以避免水平旋噴樁出現(xiàn)斷樁，從而確保拱頂水平帷幕阻水的質(zhì)量。結(jié)合安裝好的鋼拱架，在其上方打小導管、外插角度15°～20°鉆進，長度均為6 m，間距25 cm左右，梅花型布置。打好孔后，安裝灌漿花管(φ48鋼管)，為保證管棚的承載力，在每根花管內(nèi)均插一根φ25的鋼筋并注漿，現(xiàn)場根據(jù)鉆孔情況進行適當?shù)恼{(diào)整。在安裝好的花管內(nèi)進行高壓灌漿，水泥漿液比為1∶0.5～1∶0.8，將注漿壓力控制在3～5 MPa。灌漿待強24 h后進行小藥量控制爆破開挖。

(5)富水冰磧體引發(fā)的泥石流處理。

在水平旋噴樁穿越冰磧層塌方體過程中，成樁效果是無法直接檢驗的，因此，如何保證塌腔處的成樁質(zhì)量控制是關(guān)鍵。該方案中，先施工水平旋噴樁，形成旋噴樁帷幕，在該帷幕下再施工大管棚。帷幕有效地固結(jié)了富水冰磧體圍巖，為大管棚施工創(chuàng)造了條件，大管棚在下部作為骨架，有效地支撐了水平旋噴樁帷幕，管棚水泥漿液充填了拱頂塌腔并固結(jié)了裂隙，加強了帷幕的強度，確保了成樁質(zhì)量，兩者互補，起到了良好的受力及堵漏阻水效果。通過純水平旋噴樁和水平旋噴樁+大管棚(同心圓分層布置，見圖1)兩者相結(jié)合的施工布置，取得了良好的預支護及堵漏效果。

圖1 水平高壓旋噴樁+大管棚(同心圓分層)循環(huán)布置圖

(6)處理完成后，繼續(xù)鉆進開挖。在不影響正常開挖的情況下，再對該段塌方處進行鉆孔埋設(shè)回填灌漿管施工。

(7)加強對塌方洞段及附近洞段圍巖的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)險情及時排除。

4 結(jié) 語

在新疆克州蓋孜河流域布侖口～公格爾水電站引水隧洞施工中，成功地應(yīng)用了水平旋噴樁預支護施工技術(shù)穿越了富水冰磧體，確保了工程進度。筆者總結(jié)了以下幾點經(jīng)驗，供參考。

(1)當水電站引水隧洞施工中遇到實際地質(zhì)情況與勘探資料有出入時要及時報告并停止開挖，經(jīng)多方共同研究，調(diào)整施工支護參數(shù)，選擇合適的支護方法后再進行施工開挖。

(2)無論含水是采用雙液灌漿或單液灌漿預加固塌渣體或周圍飽和含水巖層時，必須先阻(排)水后再注漿，才能達到預期效果。

(3)在水利水電工程引水隧洞工程施工中，針對富水冰磧體采用水平旋噴樁施工技術(shù)是科學、可行的。

(4)采用水平高壓旋噴樁，結(jié)合大管棚超前

預支護的方法，有利于提高水平旋噴樁的成樁質(zhì)量，保證隧洞開挖安全的可靠性。

(5)在類似小型水工隧洞中施工大管棚或水平旋噴樁，宜將樁體長度控制在20 m以內(nèi)；若過長，兩樁末端的左右距離將增大，且上下角度偏差大，末端咬合質(zhì)量難以保證。在條件允許的情況下，建議掌子面封堵采用加筋混凝土墻體，方能獲得良好的堵漿效果。