小斷面引水隧洞超前小導(dǎo)管預(yù)注漿施工技術(shù)研究與應(yīng)用

薛小攀，馮秋豐，韓 福，李伯平

（1.西北水利水電工程有限責(zé)任公司,陜西 西安 710199；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西西安 710065；3.青海省引大濟(jì)湟工程建設(shè)運(yùn)行局,青海 西寧 811108）

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快,水利領(lǐng)域引調(diào)水建設(shè)項(xiàng)目的投資力度也在加大,有大型跨流域引調(diào)水項(xiàng)目,也有流域內(nèi)水資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化項(xiàng)目,有效緩解地區(qū)農(nóng)業(yè)需水矛盾,解決部分人畜飲水困難,促進(jìn)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,改善生態(tài)環(huán)境,增加農(nóng)業(yè)、工業(yè)、旅游業(yè)綜合生產(chǎn)能力,意義重大。

部分水利引調(diào)水工程地處山區(qū),調(diào)水距離遠(yuǎn),渠線線路長(zhǎng),隧洞占比大、斷面小,地質(zhì)條件復(fù)雜,施工難度大,安全風(fēng)險(xiǎn)大。在該類(lèi)工程施工中,隧洞開(kāi)挖施工往往是整個(gè)工程施工的關(guān)鍵線路,遇到巖石松散、破碎等地質(zhì)條件惡劣的洞段,目前常用的支護(hù)方法有噴射混凝土支護(hù)、錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土、鋼拱架掛網(wǎng)噴射混凝土、超前導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)、超前注漿支護(hù)、旋噴樁超前支護(hù) （水平、豎向）、超前錨桿支護(hù)等。其中噴射混凝土支護(hù)分為噴射普通混凝土支護(hù)、噴射玻璃纖維混凝土支護(hù)、噴射鋼纖維混凝土支護(hù),旋噴樁超前支護(hù)分為豎向旋噴樁超前支護(hù)與水平旋噴樁超前支護(hù)兩種,豎向旋噴樁超前支護(hù)通常用于覆蓋層深度較淺的洞段。

超前導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)分為超前大導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)與超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護(hù)。對(duì)于小斷面引水隧洞,受洞內(nèi)工作面狹小的影響,超前大導(dǎo)管一般在洞口部位使用,隧洞內(nèi)以超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù)為主。相較其他幾種支護(hù)方法,超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù)具有布設(shè)靈活、受空間限制小、工藝簡(jiǎn)單、施工方便、成本低、支護(hù)效果相對(duì)可控等優(yōu)點(diǎn),可以有效解決巖石破碎、松散地質(zhì)條件下開(kāi)挖作業(yè)安全與成洞難題,為安全施工并繼續(xù)掘進(jìn)提供保障,在青海省湟水北干渠扶貧灌溉二期工程、西干渠工程中大量應(yīng)用。

1 小斷面隧洞超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù)

超前小導(dǎo)管通常用于地質(zhì)條件較差的洞段,通過(guò)超前支護(hù)改善圍巖力學(xué)性能,為下個(gè)循環(huán)掌子面開(kāi)挖施工創(chuàng)造安全的作業(yè)環(huán)境。提前將鋼管加工成設(shè)有溢漿孔的小導(dǎo)管,在下個(gè)掌子面開(kāi)挖施工前,根據(jù)不同地質(zhì)條件,按照一定的角度造孔安裝小導(dǎo)管或者直接將小導(dǎo)管沿掌子面周邊打入地層中,按照合適的配合比拌制漿液,壓力注入導(dǎo)管,使?jié){液通過(guò)溢漿孔擴(kuò)散或滲入到周邊巖石的空隙、裂隙中,以改善掌子面周邊巖體整體性能,達(dá)到提高圍巖自穩(wěn)能力、限制巖體變形的目的。超前小導(dǎo)管的布設(shè)一般配合鋼拱架等臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)一起實(shí)施。

隧洞小導(dǎo)管超前注漿措施一般用于地質(zhì)不良洞段,自穩(wěn)能力較差的松散圍巖,沿隧洞輪廓線布設(shè),注漿壓力一般不需要很大,可根據(jù)不同地質(zhì)條件對(duì)灌漿壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在注漿壓力的作用下,漿液滲入或壓入圍巖的空隙、裂隙中,隨著漿液凝固,形成以注漿導(dǎo)管為主干的樹(shù)枝狀漿脈[1],漿液凝固后周邊圍巖整體性將得到改善,強(qiáng)度提高,起到固結(jié)、穩(wěn)定巖體的作用。同時(shí),鋼導(dǎo)管自身具有一定的抗彎、抗剪強(qiáng)度,多根鋼導(dǎo)管形成的支護(hù)結(jié)構(gòu),也是防止掉塊、坍塌的最后一道安全防線。

隧洞超前小導(dǎo)管預(yù)注漿施工,用噴射混凝土封閉掌子面巖石,現(xiàn)場(chǎng)將鋼管加工成小導(dǎo)管,用鑿巖機(jī)鉆孔、清孔后裝入鋼導(dǎo)管,安裝注漿閥門(mén),按設(shè)計(jì)要求的先后順序、壓力進(jìn)行注漿,封孔,待凝,然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)挖作業(yè)。

2 湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2標(biāo)段工程簡(jiǎn)介

青海省引大濟(jì)湟工程是國(guó)務(wù)院十三五期間分步建設(shè)的172 項(xiàng)重大水利工程建設(shè)項(xiàng)目之一。青海省湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2 標(biāo)段,是該工程的一個(gè)組成部分,項(xiàng)目跨大通與互助兩縣,樁號(hào)15+610.64～23+724.41,線路總長(zhǎng)8.114 km,主要以無(wú)壓引水隧洞為主,引水隧洞5 條總長(zhǎng)7.467 km,占線路總長(zhǎng)的92.0%。穩(wěn)定性差的Ⅲ類(lèi)圍巖3327 m,占隧洞總長(zhǎng)比例44.5%；不穩(wěn)定的IV 類(lèi)圍巖1364 m,占隧洞總長(zhǎng)比例18.3%；極不穩(wěn)定的V 類(lèi)圍巖2776 m,占隧洞總長(zhǎng)比例37.2%。引大濟(jì)湟工程位置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 引大濟(jì)湟工程位置示意圖

隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜,開(kāi)挖施工難度最大的V 類(lèi)圍巖,巖石為近古系砂巖、粘土巖、砂礫巖、碎石土、松散土石、震旦系白云質(zhì)灰?guī)r等,巖性變化頻繁,普遍分布夾層、互層、交錯(cuò)層等現(xiàn)象,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石破碎,掉塊嚴(yán)重,部分洞段地下水發(fā)育,局部斷層、巖溶發(fā)育,自穩(wěn)能力極差或沒(méi)有自穩(wěn)能力,開(kāi)挖后易產(chǎn)生塌落或塌方。部分淺覆蓋層洞段,頂部覆蓋層為松散堆積體、洪積漂礫卵石層,有塌方、冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。以上豐積村為例,地質(zhì)縱斷面圖見(jiàn)圖2。

圖2 湟水北干渠地質(zhì)縱斷面圖(上豐積村)

隧洞斷面均為城門(mén)洞型,以Ⅴ（2）類(lèi)圍巖為例,圍巖隧洞開(kāi)挖斷面3.22 m×3.36 m、初期支護(hù)采用間距80 cm 鋼拱架（H160×88）,鋼拱架之間采用φ22 mm 螺紋鋼筋連接,鋼筋間距40 cm,超前小導(dǎo)管注漿（φ40 mm,L=3.0 m,間距0.3 m,排距2.0 m）,波浪型噴射混凝土加鋼筋網(wǎng)片支護(hù),噴射混凝土強(qiáng)度C20 厚度10 cm,鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm 的HPB300 級(jí)鋼筋,網(wǎng)片規(guī)格15 cm×15 cm。二次襯砌現(xiàn)澆40 cm 厚C25 鋼筋混凝土,成型斷面為城門(mén)洞型尺寸2.1 m×2.3 m。

3 超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù)在湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2 標(biāo)段的應(yīng)用

湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2 標(biāo)段隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、斷面小、操作空間有限,選擇超前小導(dǎo)管預(yù)注漿技術(shù),可以根據(jù)不同地質(zhì)條件靈活布設(shè)超前小導(dǎo)管,不受操作空間的限制,適用性廣、支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用快,施工期間安全、進(jìn)度可控。

隧洞加強(qiáng)段、斷層段、V 類(lèi)（2）圍巖段均采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿措施,以V 類(lèi)（2）圍巖段為例,隧洞為城門(mén)洞型,設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面3.22 m×3.36 m,隧洞超前小導(dǎo)管布置在拱頂圓弧段120°范圍內(nèi),弧長(zhǎng)4.04 m,小導(dǎo)管布設(shè)排距2.0 m、間距0.3 m,外插角度為12°[2],每排導(dǎo)管搭接長(zhǎng)度1 m 左右,以解決隧洞地質(zhì)不良洞段開(kāi)挖作業(yè)安全隱患大與成洞難題,效果顯著。V 類(lèi)（2）圍巖隧洞橫斷面圖見(jiàn)圖3。

圖3 V 類(lèi)（2）圍巖橫斷面圖（尺寸單位：cm）

3.1 施工準(zhǔn)備

需要提前完成人、材、機(jī)等施工準(zhǔn)備工作,包括漿液的選擇與配合比的選擇、噴射混凝土配合比的確定,施工人員崗前技術(shù)培訓(xùn)、交底,施工用風(fēng)、水、電的準(zhǔn)備,機(jī)械設(shè)備、工具的安裝及調(diào)試,注漿參數(shù)的試驗(yàn)與確定,各種施工材料進(jìn)場(chǎng),鋼拱架加工與安裝等。

3.2 導(dǎo)管制作

超前小導(dǎo)管直徑采用φ40 mm 無(wú)縫鋼管制作,長(zhǎng)度3.0 m,導(dǎo)管尾端1 m 范圍內(nèi)不設(shè)置溢漿孔,其他部分按照梅花形布設(shè)溢漿孔,溢漿孔直徑6 mm,間距200 mm～300 mm。導(dǎo)管前端加工成約100 mm 長(zhǎng)度的圓錐形,尾端用φ6 mm～8 mm 焊接鋼筋箍[3]。為保證溢漿孔成型圓潤(rùn)、周邊平順,不破壞鋼導(dǎo)管受力機(jī)構(gòu),建議采用鉆機(jī)鉆孔成型,不得采用電焊、氣焊沖孔。

與鋼拱架聯(lián)合支護(hù)時(shí),小導(dǎo)管以鋼拱架為起點(diǎn),從鋼拱架腹部穿過(guò),尾端與鋼架焊接。

3.3 造孔與小導(dǎo)管安裝

導(dǎo)管鉆孔直徑大于導(dǎo)管直徑20 mm 左右,如果成孔容易,造孔完成并清理巖粉后,插入制作好的小導(dǎo)管。如果巖石破碎或軟弱巖層無(wú)法成孔時(shí),可用帶沖擊的鑿巖機(jī)將制作好的鋼導(dǎo)管頂入巖體,或直接通過(guò)錘擊將制作好的鋼導(dǎo)管打入巖體,施工過(guò)程中注意安全,同時(shí)注意不能破壞小導(dǎo)管整體受力結(jié)構(gòu),具體方式需根據(jù)巖石地質(zhì)條件確定。

鉆孔、清孔完成后,及時(shí)安裝小導(dǎo)管,防止塌孔后增加小導(dǎo)管安裝難度。在小導(dǎo)管尾端管口處安裝孔口注漿閥門(mén),注漿閥門(mén)與導(dǎo)管需連接牢固、嚴(yán)密。孔口處用錨固劑等材料封堵導(dǎo)管與孔壁之間的空隙,閥門(mén)安裝與空隙封堵的嚴(yán)密性以能夠承受注漿最大壓力為準(zhǔn),防止注漿時(shí)漏漿[4]。

3.4 注漿

注漿壓力一般要求0.5 MPa～2.0 MPa,漿液擴(kuò)散入巖的半徑根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、小導(dǎo)管布置間距及導(dǎo)管外插角度進(jìn)行調(diào)整,一般以0.5 m 左右為宜,注漿速度宜控制在50 L/min～100 L/min 之間,水灰比1.25∶1～0.5∶1。注漿時(shí)要全程監(jiān)控,并隨時(shí)觀察周邊漏漿、巖石變形情況。注漿順序按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行,如設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí),按照由低到高、先兩側(cè)后中間、交錯(cuò)進(jìn)行的原則,先注無(wú)水孔,后注有水孔,漿液先稀后濃、注漿量先大后小,控制進(jìn)漿速度。是否采取跳孔注漿措施,建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求試驗(yàn)確定。某些特殊地質(zhì)條件洞段也可結(jié)合成孔一個(gè)注漿一個(gè)的施工方式,達(dá)到超前固結(jié)、局部加固的目的。每根導(dǎo)管理論注漿量應(yīng)提前進(jìn)行計(jì)算確定。若注漿過(guò)程中出現(xiàn)壓力上升、流量減少的現(xiàn)象,就算注漿量未達(dá)到理論計(jì)算值,只要注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定10 min,且進(jìn)漿速度小于開(kāi)始進(jìn)漿速度的1/4,或注漿量不小于設(shè)計(jì)注漿量的80%[5],也可以結(jié)束單孔注漿。配制的漿液應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用完。超前小導(dǎo)管注漿順序圖見(jiàn)圖4。

圖4 超前小導(dǎo)管注漿順序圖

小導(dǎo)管注漿過(guò)程要全程監(jiān)控并進(jìn)行記錄,記錄內(nèi)容必須包含導(dǎo)管施工部位與里程樁號(hào)、導(dǎo)管數(shù)量與編號(hào)（或者孔號(hào)）、導(dǎo)管長(zhǎng)度、每根導(dǎo)管注漿量、漿液配合比、注漿時(shí)間與對(duì)應(yīng)的注漿壓力、總注漿量等內(nèi)容,簽字確認(rèn),同時(shí)做好影像資料留存工作。

3.5 下一個(gè)循環(huán)施工

注漿完成至開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖作業(yè)的時(shí)間間隔,應(yīng)根據(jù)漿液種類(lèi)決定。當(dāng)漿液為單液水泥漿時(shí),建議開(kāi)挖時(shí)間為注漿完成8 h 后,漿液為水泥-水玻璃雙液水泥漿時(shí)建議開(kāi)挖時(shí)間為注漿完成4 h 后[4],具體時(shí)間間隔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)漿液強(qiáng)度的需求適當(dāng)延長(zhǎng)。下一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺開(kāi)挖完成后,應(yīng)確保已經(jīng)施工的超前導(dǎo)管尾端保留0.8 m 以上的長(zhǎng)度在掌子面巖石內(nèi),具體長(zhǎng)度根據(jù)掌子面巖石條件確定,起到止?jié){、支撐導(dǎo)管、穩(wěn)定巖石的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

湟水北干渠扶貧灌溉二期工程,線路由小斷面引水隧洞、混凝土渠道、渡槽、倒虹吸等建筑物組成,引水隧洞部分洞段為極不穩(wěn)定的V 類(lèi)（2）圍巖,主要為成巖較差的古近系粘土巖、斷層及其影響帶、第四系松散堆積物碎石土與黃土等,滲水、涌水現(xiàn)象頻繁。在引水隧洞開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中,大量采用了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿措施,順利通過(guò)地質(zhì)條件復(fù)雜洞段與淺覆蓋層洞段,為安全施工創(chuàng)造了條件,目前隧洞工程已經(jīng)全部完工。