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.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西西安 710065；3.青海省引大濟湟工程建設(shè)運行局,青海 西寧 811108）

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐加快,水利領(lǐng)域引調(diào)水建設(shè)項目的投資力度也在加大,有大型跨流域引調(diào)水項目,也有流域內(nèi)水資源結(jié)構(gòu)優(yōu)化項目,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,促進農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和地區(qū)經(jīng)濟發(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,渠線線路長,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)險大。在該類工程施工中,隧洞開挖施工往往是整個工程施工的關(guān)鍵線路,遇到巖石松散、破碎等地質(zhì)條件惡劣的洞段,目前常用的支護方法有噴射混凝土支護、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、超前注漿支護、旋噴樁超前支護 （水平、豎向）、超前錨桿支護等。其中噴射混凝土支護分為噴射普通混凝土支護、噴射玻璃纖維混凝土支護、噴射鋼纖維混凝土支護,旋噴樁超前支護分為豎向旋噴樁超前支護與水平旋噴樁超前支護兩種,豎向旋噴樁超前支護通常用于覆蓋層深度較淺的洞段。

超前導(dǎo)管預(yù)注漿支護分為超前大導(dǎo)管預(yù)注漿支護與超前小導(dǎo)管預(yù)注漿支護。對于小斷面引水隧洞,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、工藝簡單、施工方便、成本低、支護效果相對可控等優(yōu)點,可以有效解決巖石破碎、松散地質(zhì)條件下開挖作業(yè)安全與成洞難題,為安全施工并繼續(xù)掘進提供保障,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,通過超前支護改善圍巖力學(xué)性能,為下個循環(huán)掌子面開挖施工創(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,在下個掌子面開挖施工前,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){液通過溢漿孔擴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支護結(jié)構(gòu)一起實施。

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)條件對灌漿壓力進行適當(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)管為主干的樹枝狀漿脈[1],漿液凝固后周邊圍巖整體性將得到改善,強度提高,起到固結(jié)、穩(wěn)定巖體的作用。同時,鋼導(dǎo)管自身具有一定的抗彎、抗剪強度,多根鋼導(dǎo)管形成的支護結(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)場將鋼管加工成小導(dǎo)管,用鑿巖機鉆孔、清孔后裝入鋼導(dǎo)管,安裝注漿閥門,按設(shè)計要求的先后順序、壓力進行注漿,封孔,待凝,然后進行下一個循環(huán)的開挖作業(yè)。

2 湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2標段工程簡介

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

圖1 引大濟湟工程位置示意圖

隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜,開挖施工難度最大的V 類圍巖,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、交錯層等現(xiàn)象,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石破碎,掉塊嚴重,部分洞段地下水發(fā)育,局部斷層、巖溶發(fā)育,自穩(wěn)能力極差或沒有自穩(wěn)能力,開挖后易產(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。以上豐積村為例,地質(zhì)縱斷面圖見圖2。

圖2 湟水北干渠地質(zhì)縱斷面圖(上豐積村)

隧洞斷面均為城門洞型,以Ⅴ（2）類圍巖為例,圍巖隧洞開挖斷面3.22 m×3.36 m、初期支護采用間距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,噴射混凝土強度C20 厚度10 cm,鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm 的HPB300 級鋼筋,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 標段的應(yīng)用

湟水北干渠扶貧灌溉二期工程一分干第2 標段隧洞地質(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、支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用快,施工期間安全、進度可控。

隧洞加強段、斷層段、V 類（2）圍巖段均采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿措施,以V 類（2）圍巖段為例,隧洞為城門洞型,設(shè)計開挖斷面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)管搭接長度1 m 左右,以解決隧洞地質(zhì)不良洞段開挖作業(yè)安全隱患大與成洞難題,效果顯著。V 類（2）圍巖隧洞橫斷面圖見圖3。

圖3 V 類（2）圍巖橫斷面圖（尺寸單位：cm）

3.1 施工準備

需要提前完成人、材、機等施工準備工作,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、電的準備,機械設(shè)備、工具的安裝及調(diào)試,注漿參數(shù)的試驗與確定,各種施工材料進場,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 無縫鋼管制作,長度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、周邊平順,不破壞鋼導(dǎo)管受力機構(gòu),建議采用鉆機鉆孔成型,不得采用電焊、氣焊沖孔。

與鋼拱架聯(lián)合支護時,小導(dǎo)管以鋼拱架為起點,從鋼拱架腹部穿過,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法成孔時,可用帶沖擊的鑿巖機將制作好的鋼導(dǎo)管頂入巖體,或直接通過錘擊將制作好的鋼導(dǎo)管打入巖體,施工過程中注意安全,同時注意不能破壞小導(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,注漿閥門與導(dǎo)管需連接牢固、嚴密?？卓谔幱缅^固劑等材料封堵導(dǎo)管與孔壁之間的空隙,閥門安裝與空隙封堵的嚴密性以能夠承受注漿最大壓力為準,防止注漿時漏漿[4]。

3.4 注漿

注漿壓力一般要求0.5 MPa～2.0 MPa,漿液擴散入巖的半徑根據(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。注漿時要全程監(jiān)控,并隨時觀察周邊漏漿、巖石變形情況。注漿順序按設(shè)計要求進行,如設(shè)計無要求時,按照由低到高、先兩側(cè)后中間、交錯進行的原則,先注無水孔,后注有水孔,漿液先稀后濃、注漿量先大后小,控制進漿速度。是否采取跳孔注漿措施,建議根據(jù)現(xiàn)場實際需求試驗確定。某些特殊地質(zhì)條件洞段也可結(jié)合成孔一個注漿一個的施工方式,達到超前固結(jié)、局部加固的目的。每根導(dǎo)管理論注漿量應(yīng)提前進行計算確定。若注漿過程中出現(xiàn)壓力上升、流量減少的現(xiàn)象,就算注漿量未達到理論計算值,只要注漿壓力達到設(shè)計終壓并穩(wěn)定10 min,且進漿速度小于開始進漿速度的1/4,或注漿量不小于設(shè)計注漿量的80%[5],也可以結(jié)束單孔注漿。配制的漿液應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)用完。超前小導(dǎo)管注漿順序圖見圖4。

圖4 超前小導(dǎo)管注漿順序圖

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

3.5 下一個循環(huán)施工

注漿完成至開始下一個循環(huán)開挖作業(yè)的時間間隔,應(yīng)根據(jù)漿液種類決定。當(dāng)漿液為單液水泥漿時,建議開挖時間為注漿完成8 h 后,漿液為水泥-水玻璃雙液水泥漿時建議開挖時間為注漿完成4 h 后[4],具體時間間隔可根據(jù)現(xiàn)場對漿液強度的需求適當(dāng)延長。下一個循環(huán)進尺開挖完成后,應(yīng)確保已經(jīng)施工的超前導(dǎo)管尾端保留0.8 m 以上的長度在掌子面巖石內(nèi),具體長度根據(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

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（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。在引水隧洞開挖掘進過程中,大量采用了超前小導(dǎo)管預(yù)注漿措施,順利通過地質(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。