大管棚超前帷幕止水注漿在隧洞涌水地段中的應(yīng)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(yīng)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(jiǎn)介

大伙房水庫輸水（二期）工程三標(biāo)段位于撫順市南郊，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，地勢(shì)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(zhǎng)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(diǎn)之一

2. 問題的提出及方案確定

在實(shí)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(shí)，主洞開挖到13+085～13+095時(shí)，出水量約2000～3000L/min·10m已達(dá)到涌水，開挖至樁號(hào)13+095～13+115時(shí)，水量達(dá)到5000～6000L/min·10m，圍巖地質(zhì)條件明顯變差，在開挖過程中遇水經(jīng)常坍塌，小導(dǎo)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(hào)進(jìn)行了超前勘探工作，進(jìn)一步探明了前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合其他隧道施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)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(dá)到止水目的，本次超前灌漿計(jì)劃在主洞上部均勻布置2環(huán)共19個(gè)灌漿孔，其中外環(huán)孔10個(gè)，內(nèi)環(huán)孔9個(gè)，外環(huán)間距1.2m內(nèi)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(nèi)環(huán)為30m，外插角為3°?？卓诠荑傝T、待凝時(shí)間3天，鉆、灌效率按30m/d·臺(tái)計(jì)算，投入2臺(tái)鉆機(jī)，需9天，進(jìn)退場(chǎng)3天，總計(jì)需12天。

4.施工方法

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

4.2、測(cè)量放樣：布設(shè)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(gè)φ108鋼管，在半徑3.3米的內(nèi)環(huán)間距為108cm,9個(gè)108鋼管，和上面的10個(gè)管成梅花形布置。中間有兩個(gè)鉆心取樣的探測(cè)孔，兩個(gè)孔都在一個(gè)水平線上，在中心線兩側(cè)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(shí)驗(yàn)室手工鉆心取樣的手工鉆機(jī)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(huì)因?yàn)闆_擊鉆作用在鋼筋網(wǎng)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(jī)平臺(tái)安裝鉆機(jī)

（1）鉆機(jī)平臺(tái)用腳手架搭設(shè)，平臺(tái)一次性搭好，鉆孔由三臺(tái)鉆機(jī)由高孔位向低孔位對(duì)稱進(jìn)行，可縮短移動(dòng)鉆機(jī)的時(shí)間，便于鉆機(jī)定位。

（2）平臺(tái)支撐連接牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移等影響鉆孔質(zhì)量。

（3）鉆機(jī)定位：精確核定鉆機(jī)位置，使鉆機(jī)與已設(shè)定好的孔口管方向平行。可用全站儀、掛線、地質(zhì)羅盤導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)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(nèi)環(huán)30米。

（2）鉆機(jī)開鉆時(shí)，可低速低壓，待成孔3m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

（3）鉆進(jìn)過程中經(jīng)常用測(cè)斜儀測(cè)定其位置，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)現(xiàn)象及時(shí)判定成孔質(zhì)量，并及時(shí)處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事故。

（4）鉆進(jìn)時(shí)若遇到坍孔、卡鉆現(xiàn)象，需補(bǔ)漿后再鉆進(jìn)。

（5）認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時(shí)對(duì)孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷，作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)報(bào)，為洞身開挖提供指導(dǎo)依據(jù)。

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

（7）用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣。

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

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

（10）當(dāng)鄰近有正在灌漿的孔或臨近灌漿孔結(jié)束不足24h時(shí)，不得進(jìn)行裂隙沖洗。

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

4.5 壓水試驗(yàn)

結(jié)合裂隙沖洗，采用“簡(jiǎn)易壓水”、“單點(diǎn)法”進(jìn)行壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力為灌漿壓力的80%，該值若大于0.5MPa時(shí)，采用0.5MPa；壓水20min，每5min測(cè)讀一次壓水流量，取最后的流量值作為計(jì)算流量，其成果以透水率表示。

4.6 灌漿材料、灌漿設(shè)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(jí)普通硅酸鹽水泥，其質(zhì)量滿足灌漿要求。施工過程中，對(duì)于受潮結(jié)塊的水泥和出廠期超過三個(gè)月的水泥及時(shí)清場(chǎng)，不得使用。

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

4.6.2 灌漿設(shè)備

（1）灌漿泵使用BW-250/500灌漿泵1臺(tái)，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(tái)高速和1臺(tái)低速漿液攪拌機(jī)。高速攪拌機(jī)為自制的300L攪拌桶；低速漿液攪拌機(jī)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(biāo)值為10MPa，已經(jīng)過率定。壓力表和管路之間應(yīng)設(shè)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(shí)采用自動(dòng)記錄儀記錄水泥用量。其性能指標(biāo)滿足施工要求。

（6）所有注漿設(shè)備、儀器、儀表均始終保持工作狀態(tài)正常，并應(yīng)配有足夠的備用設(shè)備。電力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備保證接地良好并經(jīng)確認(rèn)能保證施工安全時(shí)，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(yù)注漿必須嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5148-2001）中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（2）施工程序。外排I序孔→外排 II序孔→內(nèi)排I序孔→內(nèi)排 II序孔。

（3）工藝流程?？卓跀U(kuò)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(yàn)→鑲鑄孔口管（φ108mm的鋼管19個(gè)）→灌漿（19個(gè)孔都達(dá)到閉漿標(biāo)準(zhǔn)）→下一段鉆孔→沖孔及壓水試驗(yàn)→全孔灌漿結(jié)束→封孔。

（4）灌漿段1.5米段,外環(huán)孔25米一段，內(nèi)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(gè)25米深，內(nèi)環(huán)孔9個(gè)30米深，按要求鉆孔、鉆孔沖洗和壓水試驗(yàn)后，進(jìn)行灌漿。

（5）超前預(yù)注漿采用“孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)分段灌漿法，分段原則為出水量大于30L/min的需要進(jìn)行注漿處理。設(shè)計(jì)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(shù)要求進(jìn)行注漿，對(duì)特殊地層注漿段應(yīng)采取相應(yīng)的施工技術(shù)措施，有效控制灌漿量。

（7）射漿管采用4′硬質(zhì)PVC管，注漿時(shí)射漿管底部距離孔底不大于0.5m。

（8）注漿應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，但對(duì)于注入率較大部位應(yīng)分級(jí)升壓。

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

（10）注漿應(yīng)由稀至濃逐級(jí)變換。灌漿的變換原則如下：

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

2）當(dāng)某級(jí)漿液注入量已達(dá)到300L以上，或灌漿時(shí)間已達(dá)30min，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時(shí)，應(yīng)該濃一級(jí)水灰比。

3）當(dāng)注入率大于30L/min時(shí)，可根據(jù)具體情況越級(jí)變濃。

4.7.3 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和封孔方法

（1）超前預(yù)注漿結(jié)束條件為，注漿段在最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注15min結(jié)束。

（2）全孔注漿結(jié)束并經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后，采用“壓力灌漿封孔法”進(jìn)行封孔。

4.8 灌漿質(zhì)量控制

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

⑵注漿過程中隨時(shí)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(yīng)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(shí)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(yīng)停機(jī)檢查。

（3）注漿過程應(yīng)派專人負(fù)責(zé)，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(dòng)力組織及設(shè)備投入

超前預(yù)注漿施工工序多，工種雜、技術(shù)性強(qiáng)、要求技術(shù)工人具有各方面獨(dú)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(zhì)量很大程度上取決于鉆孔和注漿的質(zhì)量。為了保質(zhì)保量快速完成本次超前灌漿任務(wù)，達(dá)到預(yù)期止?jié){目的，使得下步主洞開挖安全順利進(jìn)行，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，承包人配置了相應(yīng)的設(shè)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(shè)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(zhì)量與效果評(píng)定

超前灌漿為隱蔽工程，且對(duì)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(wù)的施工質(zhì)量，對(duì)本次灌漿施工質(zhì)量與效果評(píng)定如下：

6.1 外環(huán)注漿孔外插角5.5°～6°，間距 1.8 cm;內(nèi)環(huán)外插角2.8°～3.3°滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求，為保證注漿的擴(kuò)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(shí)也表明水泥漿液已經(jīng)擴(kuò)散到圍巖的裂隙中，起到了止水、固結(jié)周邊圍巖的作用。

6.3 注漿前通過壓水實(shí)驗(yàn)測(cè)得透水率在16.7～27.3之間，灌漿完畢后，按監(jiān)理打檢驗(yàn)孔后做壓水實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)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(yù)注漿到了止水的預(yù)計(jì)效果。

7.結(jié)束語

注漿前開挖時(shí)，裝藥較為困難，剛裝進(jìn)去即被水沖出，爆破時(shí)拱頂還經(jīng)常出現(xiàn)大小不等的塌方（頂塌方在50～3000mm）；注漿前噴砼時(shí)總是脫落，施工較為困難，每延米用料量都在設(shè)計(jì)值的四倍以上。注漿后在注漿固結(jié)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(yù)注漿施工完成后，僅用了15天時(shí)間即完成了洞身30mⅤ級(jí)圍巖淺埋段的開挖施工，整個(gè)開挖過程安全順利。進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)于隧道淺埋富水破碎圍巖地段采用超前預(yù)注漿施工工藝，提前發(fā)揮止水、支護(hù)作用，增加了施工安全度，提高了隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.021