孔口管錨固技術在穿江工程中的應用

杜貴正

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州310014)

1 引言

對于下穿大江大河的隧洞工程，地質條件往往更為復雜，超前地質探測的必要性和重要性顯得尤為突出。為防止在隧洞掘進過程中江水倒灌隧洞而發(fā)生突涌水，目前國內外通常的做法是采用多種措施對影響范圍采取先探測后掘進的方法進行開挖，包括宏觀預報、TSP（長距離超前預報）、地質雷達、紅外探水及超前地質鉆孔。其中超前地質鉆孔是最直觀和有效的手段[1，2]。但常規(guī)的超前地質鉆孔存在一定局限性，如果施工時孔內出水量較大，需轉序進行灌漿施工，但轉序花費時間較長，未等轉序完成江水已經(jīng)倒灌至隧洞內，可能造成不可挽回的損失。因此，如何及時對孔內出水進行封閉，并利用超前地質鉆孔對出水部位進行有效灌漿，將直接決定超前地質鉆孔的成敗，而孔口管的錨固防滲成為超前鉆孔的關鍵點。

2 工程概況

某工程通過輸水隧洞引水，為下游原水輸水工程提供優(yōu)質水，線路全長112.34 km。其中分水江段河床寬度約220 m，河底高程-5.5～1.5 m。左岸山勢陡峭，地面高程約18.2 m，某省道沿江布置；右岸山勢較為平緩，有寬度約50m 河灘地，地面高程約14.0 m。為輸水線路全線施工難度最大、風險最高、技術含量最高的區(qū)段。

隧洞斷面為平底馬蹄形，底寬4.8 m，中部寬7.2 m，高度6.9 m。采用鉆爆法開挖，開挖后進行全斷面鋼管襯砌，鋼管直徑5.0 m，壁厚24 mm。

根據(jù)相關資料，河床部位近200 m 長度范圍內上覆巖體厚度偏薄，左岸河槽部位上覆巖體厚度僅為15.9～18.9 m，且河床左岸臨岸段巖體斷裂構造發(fā)育，巖石破碎，在外水壓力作用下，破碎圍巖中開挖容易引起坍塌和突涌水，規(guī)模較大斷層帶甚至可能出現(xiàn)突泥流沙現(xiàn)象。

3 孔口管安裝

在巖土開挖過程中，當遇到含水層、破碎帶或軟弱底層時，采用超前預注漿等措施加固地層，達到堵水防滲的目的。注漿時漿液要通過管路將漿液注入地層中，為防止注漿時注漿管被沖出，同時方便注漿管的導入導出，一般要在注漿孔孔口一定深度內埋置一段鋼管，這段鋼管稱為孔口管[3]。同時，安設孔口管，當遇到突涌水等突發(fā)狀況時，可以即時對孔口管進行有效封堵，防止隧洞被淹，保證掌子面有效開展現(xiàn)場施工。孔口管安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 孔口管安裝示意圖

4 孔口管設計

穿江工程地質條件往往比較復雜，上覆巖體薄、斷裂構造發(fā)育，超前地質鉆孔在施作時涌水風險巨大。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，選擇了3 種孔口管固定方案：方案一是利用鉆孔，直接采用麻絲+水泥砂漿固定孔口管；方案二是利用鉆機，采用麻絲+錨桿固定孔口管；方案三是采用模筑混凝土直接將孔口管固定。

對以上3 種方案進行比較分析，方案三由于施工過于煩瑣，混凝土澆筑后需待凝較長時間才能達到齡期要求，因此否定了該方案。經(jīng)對方案二（采用錨桿安裝）進行分析，該方案具有以下缺點：（1）鉆設錨桿孔耗時過長；（2）施工較復雜，鉆機移位及對中較困難，因此不利于快速施工，不考慮使用。

鑒于以上原因，從錨固力、可靠性、工期性等多個方面綜合考慮，選擇第一種方案進行現(xiàn)場試驗。

5 現(xiàn)場實驗及方案

按照施工方案，當采用φ94 mm 鉆頭繼續(xù)進行造孔作業(yè)時，在鉆進到3 m 左右時孔口管外壁與孔壁之間出現(xiàn)了滲漏水。進行分析后確定主要原因包括：（1）水泥砂漿錨固待凝時間太短，達不到水泥砂漿的強度要求；（2）孔口管外壁與巖面間隙較小，在鉆具鉆進擾動的作用下，導致凝結的水泥產生了破壞；（3）水泥砂漿錨固力不足等。

根據(jù)上述分析，遂決定在孔口管四周布置4 根長80 cm的藥卷錨桿，錨桿外露30 cm，與孔口管焊接后連成整體，結果達到了滿意的結果。該方案具有以下幾個優(yōu)點：（1）4 根短錨桿采用手風鉆進行造孔作業(yè)，施工便捷；（2）藥卷錨桿裝填方便，初錨力高。由此解決了水泥砂漿錨固待凝時間短，錨固力不足等問題。

現(xiàn)場進行注漿及拉拔力試驗：把固定好的孔口管放置2 d后，采用3.0 MPa（根據(jù)專項施工方案中注漿壓力要求進行確定）注漿壓力持續(xù)注漿10 min，如未發(fā)現(xiàn)孔口管有破壞或頂出現(xiàn)象，隨后采用鉆機進行拉拔試驗。利用鉆機自帶的動力系統(tǒng)，采用7～8 MPa 的拉應力無法將孔口管拉出。根據(jù)現(xiàn)場鉆機的性能指標，拉力為15～20 kN。

根據(jù)理論計算，穿江段進行鉆孔時，如果孔內發(fā)生突涌水，鉆孔承受的最大水壓力約1 MPa，在進行試驗前需充分考慮孔口管在水壓力作用下所承受的荷載，并留有一定的安全裕度，才能保證鉆孔施工的安全，因此確定采用3 MPa 的注漿壓力進行試驗。根據(jù)試驗結果，所安裝的孔口管在持續(xù)3 MPa的注漿壓力及15～20 kN 的拉力下，未發(fā)生破壞或拉出，具有較高的安全性。因此，確定采用該錨固方式進行穿江段堵水及灌漿施工。

6 孔口管錨固力驗算

根據(jù)穿江段超前預注漿鉆孔施工情況，鉆機采用國產XY-2 型鉆機，大鉆頭直徑為150 mm，小鉆頭直徑為94 mm，預定承壓能力為9 MPa。孔口管外徑為127 mm，管壁厚度為5 mm，內徑為117 mm。

孔口管至孔口20～30 cm 纏棉紗封堵，安裝好孔口管后，注入水泥砂漿進行填充，同時，孔口管四周布設4 根80 cm 長度的φ22 mm 藥卷錨桿，藥卷錨桿與水平方向呈30°夾角，錨桿外露長度為30 cm，并與孔口管外部焊接為一體。

孔口管長度為2 m，每根藥卷的抗拔力不小于15 kN。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗，水泥砂漿抗壓強度較低，抗壓強度增長速度較慢，抗壓強度第1 d 僅為0.6 MPa，且抗壓強度初始強度增長按照線性增長，則12 h 后的抗壓強度為0.3 MPa，抗剪和黏結強度大約為抗壓強度的10%。穿江段超前預注漿施工過程中，考慮孔口管漿液包裹不密實、不均勻等情況，特在孔口管四周布置4 根短錨桿，保證孔口管在施工過程中不發(fā)生破壞。孔口管外徑為127 mm，長2 m，其中外露部分按照40 cm考慮。經(jīng)驗算不同水壓作用下安全系數(shù)的大小（見表1），當水壓力小于3 MPa 時，均可以保證孔口管安全。

表1 孔口管的抗拔力與安全系數(shù)計算表

7 方案實施

根據(jù)選定的孔口管錨固方案，要確保其錨固質量，經(jīng)過細致分析，確定其關鍵控制點在于：（1）孔口管制作尺寸控制：鉆孔孔徑為150 mm，而所選孔口管規(guī)格為127 mm×5 mm，為了確保孔口管居中，需要在孔口管外均勻設置居中鐵塊，其外徑尺寸控制在φ148 mm；（2）孔口管、錨樁錨固段的尺寸控制：為了保證錨固段的長度，長2.0 m 孔口管，其孔口管外露控制在0.40 m；（3）水泥砂漿質量控制：拌制水泥砂漿和水泥的用量，都可以事先計量好，而用水量直接關系到水泥砂漿的凝固時間，為了控制好用水量，采用水桶進行計量；（4）孔口管與錨樁焊接固定：以孔口管為中心，用直徑為18 mm 的鋼筋為連接材料，在孔口管上選擇4 個與各錨樁頭適合的焊接部位，再通過電焊形成一個整體。

8 結語

在穿江工程施工中如何有效控制涌水，并對涌水進行有效封堵，是實現(xiàn)穿江工程成功貫通的關鍵。本文根據(jù)某配水工程穿分水江段上覆巖體薄、斷裂構造發(fā)育及地下水富集等特點，對復雜地質條件下超前地質鉆孔中孔口管錨固技術進行了重點研究和創(chuàng)新，尤其采用4 根藥卷錨桿與孔口管連成整體，通過控制鉆機鉆進時的撓動，有效保證了孔口管外壁與巖面由于混凝土厚度偏薄容易產生破壞這個關鍵問題，通過方案選擇、理論分析及現(xiàn)場試驗等方面對孔口管錨固技術進行了研究，并將研究成果應用于穿江工程的施工中，結果在7 次錨固施工過程中（其中，5 次出現(xiàn)壓力達到0.50 MPa，流量50～80 L/min 的涌水），成功利用所研究的孔口管錨固技術，對出水及時進行了封堵，確保了安全施工，實現(xiàn)了穿江工程的一次性貫通。現(xiàn)場試驗及實際應用結果表明，本文所研究的孔口管安裝方案達到了快速、安全的目的，確保了復雜地質條件下超前地質鉆孔的順利實施，為穿江工程的成功貫通提供了保證，為今后類似工程提供借鑒，并在更多工程實施過程中得到推廣應用。