超前注漿管棚在麻栗壩水庫西低隧洞工程中的應用

曾路明

(云南省德宏州麻栗壩水庫管理局 德宏 678701)

1 概況

麻栗壩水庫工程位于云南省德宏州隴川縣境內，地處國際河流伊洛瓦底江水系瑞麗江一級支流南宛河上游，是一座以灌溉、防洪為主，兼有發電、旅游等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫設計總庫容10665萬m3，壩高37.6m，壩頂高程1000.6m，壩軸線總長1172m。整個工程由樞紐部分和灌渠部分組成。其中，樞紐工程主要建筑物有攔河壩、溢洪道、西低隧洞、西高涵、壩后電站;灌渠工程則由西高干渠、西低干渠、東干渠組成，干渠總長112.66km。西低隧洞為2級建筑物，其次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。隧洞布置在水庫右岸山體內，繞右壩肩山體橫穿西高涵泄水道底板經分水閘分水后分別與西低干渠、南宛河相連。隧洞由引水明渠、清污和檢修閘門井段、洞身廊道段、出口工作閘室、消力池、分水閘、泄水道等建筑物組成，總長680.144m，其中洞身廊道段長367m(隧洞段269.731m，明挖埋管段97.269m)，底坡 i=0.006，采用C20鋼筋混凝土無壓城門洞形，斷面尺寸3.9m×4.0m(寬×高)，底板襯砌厚度1m，邊墻與頂拱襯砌厚度均為0.8m，隧洞段頂部120o范圍內作回填灌漿并布置排水孔，明挖埋管段120o范圍內布置排水孔，不作回填灌漿。施工度汛期下泄流量為42.8m3/s。

2 超前注漿管棚設計及施工方案

2.1 隧洞開挖支護設計簡況

西低隧洞洞身穿越上第三系(N3)含礫粗中細砂土及粘土透鏡體，屬于極不穩定的Ⅴ類圍巖，地下水位平均高出洞身開挖面約12.0m，圍巖強度低，成洞條件差。根據隧洞沿線巖體成洞條件差、地下水位高、不可預見因素多等特點，設計采用超前注漿管棚法進行施工。

注漿管棚設計采用壁厚5mm的φ102鋼管，管壁以梅花形布置φ10鉆孔作為注漿孔，設計單管長12m，搭接長度1.2m，注漿管軸線間距33.3cm，管棚平行洞軸線沿開挖方向上仰1°傾角，在工作面處較格柵頂上抬20cm安裝，沿開挖線外輪廓環向布置(見1、圖2)。

圖1 管棚結構布置縱剖面

圖2 支護及管棚安裝剖面

格柵鋼架采用鋼筋制作，主筋為4根φ22螺紋鋼筋，安裝間距80cm/榀。每榀格柵設計鋼筋用量285kg。

2.2 施工方案優化及效果

工程開工后按照設計大管棚方案進行施工。施工中發現:由于單根鋼管設計長度為12m，重量較大，在洞內由于工作面有限而使得安裝比較困難，鉆孔容易發生彎曲，且難以控制1°的上仰角精度，上仰角增大，導致洞室超挖，增加工程量，造成不必要的資金浪費，上仰角偏下，管棚侵占格柵支護斷面位置，達不到設計效果，影響格柵支護;同時，前一支護循環結束后，由于格柵鋼架及噴護混凝土已經形成，下一組管棚與格柵鋼架的高差(上抬值)為20cm，造成同一工作面安裝管棚較為困難。為此，建設單位多次組織專家及參建各方進行現場研究論證后，決定在進口工作面采用小管棚方案進行生產性試驗，試驗參數為:管徑φ40，壁厚3.25mm，管軸線間距為15cm，單管長4m，鋼管搭接長度0.8m，上抬值24cm，上仰傾角8°，每循環開挖進尺控制在2.4m，其余施工參數按照原設計要求控制。試驗結果表明:在地質條件相對較好的進口工作面，采用小管棚方案施工是可行的，其優點是施工工藝簡單、安裝方便、容易控制超欠挖、進度快等，缺點是鋼管短，致使施工循環數增加。

實際施工過程中，隧洞開挖貫通主要是通過進口工作面采用小管棚施工方案完成的，采用小管棚方案施工78段，其中，長度為4m的74段，長度為3m和6m的各2段，使用單根鋼管總長314m，完成進尺196.8m，是洞挖段總長的3/4;采用大管棚方案施工1段，長度為12m。出口工作面根據實際地質情況分別采用大管棚和小管棚方案施工，采用長度為6m的大管棚10段，采用長度為4m的小管棚7段，完成進尺59.68m，不到洞挖段總長的1/4。通過采用小管棚方案進行施工，隧洞開挖進度明顯加快，隧洞如期順利貫通，證明改用小管棚方案施工是成功的。

3 施工工藝及措施

3.1 超前注漿管棚施工

3.1.1 造孔

造孔采用自制臺架2套，根據注漿孔布置現場加工;洛陽產3kW 水電鉆機2臺(用于大管棚)，配備φ120鉆頭;電動螺旋式鉆機3臺(用于小管棚)，配備φ50鉆頭。

造孔時，將臺架移動至操作面，精確調整鉆桿傾角(大管棚1°，小管棚8°)。大管棚造孔由于鉆機振動較大、鋼管較長及鉆桿自身剛度等原因，造孔時容易發生鉆孔彎曲，采用調整傾角的措施防止造成過大的彎曲，并經常進行彎曲測定，避免插管工序施工困難。鉆頭口徑與鋼管直徑相同，這樣有利于注漿止漿，增加注漿壓力。根據實際造孔效果，選用振動小的鉆機，對保持巖體原有膠結性質及穩定較為有利。

3.1.2 插管

插管前清除鉆孔內巖渣，將鋼管一邊晃動一邊插入。大管棚鋼管較長，單管重量較大，插管比較困難，根據插管行程，使用頂推法或卷揚機反壓鋼管法插管;小管棚鋼管較短，單管重量較小，插管較容易，使用電動螺旋式鉆機推進較為快捷簡便。

3.1.3 管棚注漿

根據生產性試驗結果，結合揭露的地質情況，除部分地質極差部位采用大管棚施工方案外，其余部分均采用小管棚施工方案。注漿設備為ZQ—5型注漿機、QY—20型壓力機、TZ—750型拌漿機。

注漿前，分別對大管棚和小管棚進行注漿試驗。注漿試驗采用 0.3∶1、0.4∶1、0.43∶1、0.45∶1、0.5∶1、0.52∶1 六種漿液水灰比，采用 0.4MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.7MPa、0.91MPa、1.0MPa、1.1MPa、1.2MPa八種壓力變換注漿，然后觀察巖體在注漿壓力作用下的變形情況，開挖后檢查注漿效果。

注漿試驗結束后，通過對巖體吃漿量、漿液滲入巖體的擴散半徑(15～20cm)、固結效果及切剖注漿鋼管檢查管內注漿密實情況進行認真分析得出:漿液濃度太稀，固結效果差，易出現冒漿串漿情況，太稠則不能滲入圍巖，達不到固結的效果。注漿壓力過大容易導致圍巖松散失穩，引起串漿、冒漿，與初衷相悖，太小則達不到注漿效果。最終確定:漿液水灰比(W/C)控制在0.4∶1～0.5∶1之間較為適宜，注漿壓力控制在0.55～1.0MPa之間最為合理，既可固結圍巖，又能保證管棚內注漿密實，增加管棚剛度。

在注漿過程中出現串漿現象時，即時停止，進行下一孔注漿，待凝固后，再對串漿孔進行復注，復注采用同水灰比的漿液，直至不吃漿為止;當發現冒漿現象時，及時采取嵌縫、表面封堵，加稠漿液、降低壓力、間歇灌漿，及時組織人員堵漏等方法進行處理。

3.2 隧洞開挖

根據不同的地質條件采用不同的開挖方式:進口采用小型挖掘機輔以人工開挖，小型運輸機械出渣;出口工作面采用風鎬、風鉆配合開挖，小型裝載機出渣。因隧洞地下水位高、巖體透水性強，開挖機械及施工人員施工操作時對巖體產生的擾動，在地下水作用下巖體容易出現液化坍塌，通常洞壁會在格柵鋼架和噴混凝土支護施工前出現大小不一的坍塌空腔體，對開挖工作面形成嚴重的安全隱患。為此在開挖過程中，采取了以下安全保障措施:

a.沿工作面兩側超前開挖寬約1.2m、進尺不大于2m的導槽，預留中間部分支撐拱頂巖體，逐步向中間挖掘，堅持先上后下作業的原則。

b.工作面開挖結束后立即安裝格柵鋼架，進行底板50cm厚C10埋石混凝土澆筑和邊墻噴混凝土支護，同時在格柵腳增加水平型鋼底撐，形成閉合整體支護，有效地消除了兩邊墻巖體因臨空面水平應力釋放而引起對格柵的橫向變形，鞏固支護成果。

c.在底板每隔20～30m設置深1.5～2m、井口高于底板15～20cm(防止渣土進入井內)的積水井，及時抽排井內積水，減少因積水而引起的洞壁坍塌。

d.洞壁出現坍塌空腔時，及時用毛石對空腔進行填塞封堵，用錨桿加固格柵，增加格柵間的連結鋼筋;填塞毛石時預留2～3根φ40導流鋼管將滲水引出，待后續管棚注漿時，注入濃漿回填固結空腔體。預備3～4榀格柵鋼架，以便在洞室開挖出現特殊情況時應急支護。

3.3 格柵鋼架制作及安裝

根據洞內施工安裝實際條件，格柵鋼架每榀分為4段制作，即直線段、圓弧段各兩段，段與段之間采用18cm×25cm、厚5mm鋼板及 φ18×60mm螺栓連接。格柵的安裝質量直接影響到結構安全，安裝時做到上下主筋、螺栓孔對齊，螺栓擰緊后焊接加固，并對連接鋼板進行焊接補強。為使格柵鋼架與底板埋石混凝土形成封閉整體，施工時格柵鋼架下部埋入C10埋石混凝土30cm。

3.4 噴射混凝土

3.4.1 材料

水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥;粗骨料采用一級配碎石(d=5～10mm)，含水率7%;細骨料采用河砂，細度模數2.6;水采用河水;外加劑采用QX型速凝劑。

3.4.2 混凝土配合比及施工參數

混凝土配合比及施工參數見下表。

混凝土配合比及施工參數表

3.4.3 噴射混凝土

開挖工序結束后，立即進行C10混凝土噴護。噴護前在圍巖上埋設數根φ6鋼筋，并露出噴護斷面外一定長度，作為施工時控制噴護混凝土厚度的參照物，并用高壓氣清掃噴護巖體表面。噴射時，噴射機供料必須連續，保持噴射機工作風壓穩定，噴射混凝土自下而上依次作業。

4 結語

麻栗壩水庫西低隧洞穿越極不穩定的上第三系(N3)含礫粗中細砂土及粘土透鏡體，地下水位高，圍巖強度低，成洞條件差。隧洞開挖支護采用超前注漿管棚法施工，有效地保障了施工安全、質量和進度。工程于2003年9月開工，2004年8月完成隧洞開挖，同年12月全面完工投入運行承擔導流任務，經過4年多的運行考驗，各項監測數據未出現異常，運行正常。說明在高地下水位、松軟砂土質不良地質條件下進行隧洞開挖，采用超前注漿管棚法施工，其技術是成熟、可行的。