小断面引水隧洞超前小导管预注浆施工技术研究与应用

薛小攀，冯秋丰，韩 福，李伯平

（1.西北水利水电工程有限责任公司,陕西 西安 710199；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安 710065；3.青海省引大济湟工程建设运行局,青海 西宁 811108）

随着国家基础设施建设步伐加快,水利领域引调水建设项目的投资力度也在加大,有大型跨流域引调水项目,也有流域内水资源结构优化项目,有效缓解地区农业需水矛盾,解决部分人畜饮水困难,促进农业结构调整和地区经济发展,改善生态环境,增加农业、工业、旅游业综合生产能力,意义重大。

部分水利引调水工程地处山区,调水距离远,渠线线路长,隧洞占比大、断面小,地质条件复杂,施工难度大,安全风险大。在该类工程施工中,隧洞开挖施工往往是整个工程施工的关键线路,遇到岩石松散、破碎等地质条件恶劣的洞段,目前常用的支护方法有喷射混凝土支护、锚杆挂网喷射混凝土、钢拱架挂网喷射混凝土、超前导管预注浆支护、超前注浆支护、旋喷桩超前支护 （水平、竖向）、超前锚杆支护等。其中喷射混凝土支护分为喷射普通混凝土支护、喷射玻璃纤维混凝土支护、喷射钢纤维混凝土支护,旋喷桩超前支护分为竖向旋喷桩超前支护与水平旋喷桩超前支护两种,竖向旋喷桩超前支护通常用于覆盖层深度较浅的洞段。

超前导管预注浆支护分为超前大导管预注浆支护与超前小导管预注浆支护。对于小断面引水隧洞,受洞内工作面狭小的影响,超前大导管一般在洞口部位使用,隧洞内以超前小导管预注浆技术为主。相较其他几种支护方法,超前小导管预注浆技术具有布设灵活、受空间限制小、工艺简单、施工方便、成本低、支护效果相对可控等优点,可以有效解决岩石破碎、松散地质条件下开挖作业安全与成洞难题,为安全施工并继续掘进提供保障,在青海省湟水北干渠扶贫灌溉二期工程、西干渠工程中大量应用。

1 小断面隧洞超前小导管预注浆技术

超前小导管通常用于地质条件较差的洞段,通过超前支护改善围岩力学性能,为下个循环掌子面开挖施工创造安全的作业环境。提前将钢管加工成设有溢浆孔的小导管,在下个掌子面开挖施工前,根据不同地质条件,按照一定的角度造孔安装小导管或者直接将小导管沿掌子面周边打入地层中,按照合适的配合比拌制浆液,压力注入导管,使浆液通过溢浆孔扩散或渗入到周边岩石的空隙、裂隙中,以改善掌子面周边岩体整体性能,达到提高围岩自稳能力、限制岩体变形的目的。超前小导管的布设一般配合钢拱架等临时支护结构一起实施。

隧洞小导管超前注浆措施一般用于地质不良洞段,自稳能力较差的松散围岩,沿隧洞轮廓线布设,注浆压力一般不需要很大,可根据不同地质条件对灌浆压力进行适当调整。在注浆压力的作用下,浆液渗入或压入围岩的空隙、裂隙中,随着浆液凝固,形成以注浆导管为主干的树枝状浆脉[1],浆液凝固后周边围岩整体性将得到改善,强度提高,起到固结、稳定岩体的作用。同时,钢导管自身具有一定的抗弯、抗剪强度,多根钢导管形成的支护结构,也是防止掉块、坍塌的最后一道安全防线。

隧洞超前小导管预注浆施工,用喷射混凝土封闭掌子面岩石,现场将钢管加工成小导管,用凿岩机钻孔、清孔后装入钢导管,安装注浆阀门,按设计要求的先后顺序、压力进行注浆,封孔,待凝,然后进行下一个循环的开挖作业。

2 湟水北干渠扶贫灌溉二期工程一分干第2标段工程简介

青海省引大济湟工程是国务院十三五期间分步建设的172 项重大水利工程建设项目之一。青海省湟水北干渠扶贫灌溉二期工程一分干第2 标段,是该工程的一个组成部分,项目跨大通与互助两县,桩号15+610.64～23+724.41,线路总长8.114 km,主要以无压引水隧洞为主,引水隧洞5 条总长7.467 km,占线路总长的92.0%。稳定性差的Ⅲ类围岩3327 m,占隧洞总长比例44.5%；不稳定的IV 类围岩1364 m,占隧洞总长比例18.3%；极不稳定的V 类围岩2776 m,占隧洞总长比例37.2%。引大济湟工程位置示意图见图1。

图1 引大济湟工程位置示意图

隧洞地质条件复杂,开挖施工难度最大的V 类围岩,岩石为近古系砂岩、粘土岩、砂砾岩、碎石土、松散土石、震旦系白云质灰岩等,岩性变化频繁,普遍分布夹层、互层、交错层等现象,节理裂隙发育,岩石破碎,掉块严重,部分洞段地下水发育,局部断层、岩溶发育,自稳能力极差或没有自稳能力,开挖后易产生塌落或塌方。部分浅覆盖层洞段,顶部覆盖层为松散堆积体、洪积漂砾卵石层,有塌方、冒顶的风险。以上丰积村为例,地质纵断面图见图2。

图2 湟水北干渠地质纵断面图(上丰积村)

隧洞断面均为城门洞型,以Ⅴ（2）类围岩为例,围岩隧洞开挖断面3.22 m×3.36 m、初期支护采用间距80 cm 钢拱架（H160×88）,钢拱架之间采用φ22 mm 螺纹钢筋连接,钢筋间距40 cm,超前小导管注浆（φ40 mm,L=3.0 m,间距0.3 m,排距2.0 m）,波浪型喷射混凝土加钢筋网片支护,喷射混凝土强度C20 厚度10 cm,钢筋网采用φ8 mm 的HPB300 级钢筋,网片规格15 cm×15 cm。二次衬砌现浇40 cm 厚C25 钢筋混凝土,成型断面为城门洞型尺寸2.1 m×2.3 m。

3 超前小导管预注浆技术在湟水北干渠扶贫灌溉二期工程一分干第2 标段的应用

湟水北干渠扶贫灌溉二期工程一分干第2 标段隧洞地质条件复杂、断面小、操作空间有限,选择超前小导管预注浆技术,可以根据不同地质条件灵活布设超前小导管,不受操作空间的限制,适用性广、支护结构发挥作用快,施工期间安全、进度可控。

隧洞加强段、断层段、V 类（2）围岩段均采用超前小导管预注浆措施,以V 类（2）围岩段为例,隧洞为城门洞型,设计开挖断面3.22 m×3.36 m,隧洞超前小导管布置在拱顶圆弧段120°范围内,弧长4.04 m,小导管布设排距2.0 m、间距0.3 m,外插角度为12°[2],每排导管搭接长度1 m 左右,以解决隧洞地质不良洞段开挖作业安全隐患大与成洞难题,效果显著。V 类（2）围岩隧洞横断面图见图3。

图3 V 类（2）围岩横断面图（尺寸单位：cm）

3.1 施工准备

需要提前完成人、材、机等施工准备工作,包括浆液的选择与配合比的选择、喷射混凝土配合比的确定,施工人员岗前技术培训、交底,施工用风、水、电的准备,机械设备、工具的安装及调试,注浆参数的试验与确定,各种施工材料进场,钢拱架加工与安装等。

3.2 导管制作

超前小导管直径采用φ40 mm 无缝钢管制作,长度3.0 m,导管尾端1 m 范围内不设置溢浆孔,其他部分按照梅花形布设溢浆孔,溢浆孔直径6 mm,间距200 mm～300 mm。导管前端加工成约100 mm 长度的圆锥形,尾端用φ6 mm～8 mm 焊接钢筋箍[3]。为保证溢浆孔成型圆润、周边平顺,不破坏钢导管受力机构,建议采用钻机钻孔成型,不得采用电焊、气焊冲孔。

与钢拱架联合支护时,小导管以钢拱架为起点,从钢拱架腹部穿过,尾端与钢架焊接。

3.3 造孔与小导管安装

导管钻孔直径大于导管直径20 mm 左右,如果成孔容易,造孔完成并清理岩粉后,插入制作好的小导管。如果岩石破碎或软弱岩层无法成孔时,可用带冲击的凿岩机将制作好的钢导管顶入岩体,或直接通过锤击将制作好的钢导管打入岩体,施工过程中注意安全,同时注意不能破坏小导管整体受力结构,具体方式需根据岩石地质条件确定。

钻孔、清孔完成后,及时安装小导管,防止塌孔后增加小导管安装难度。在小导管尾端管口处安装孔口注浆阀门,注浆阀门与导管需连接牢固、严密。孔口处用锚固剂等材料封堵导管与孔壁之间的空隙,阀门安装与空隙封堵的严密性以能够承受注浆最大压力为准,防止注浆时漏浆[4]。

3.4 注浆

注浆压力一般要求0.5 MPa～2.0 MPa,浆液扩散入岩的半径根据围岩地质条件、小导管布置间距及导管外插角度进行调整,一般以0.5 m 左右为宜,注浆速度宜控制在50 L/min～100 L/min 之间,水灰比1.25∶1～0.5∶1。注浆时要全程监控,并随时观察周边漏浆、岩石变形情况。注浆顺序按设计要求进行,如设计无要求时,按照由低到高、先两侧后中间、交错进行的原则,先注无水孔,后注有水孔,浆液先稀后浓、注浆量先大后小,控制进浆速度。是否采取跳孔注浆措施,建议根据现场实际需求试验确定。某些特殊地质条件洞段也可结合成孔一个注浆一个的施工方式,达到超前固结、局部加固的目的。每根导管理论注浆量应提前进行计算确定。若注浆过程中出现压力上升、流量减少的现象,就算注浆量未达到理论计算值,只要注浆压力达到设计终压并稳定10 min,且进浆速度小于开始进浆速度的1/4,或注浆量不小于设计注浆量的80%[5],也可以结束单孔注浆。配制的浆液应在规定的时间内用完。超前小导管注浆顺序图见图4。

图4 超前小导管注浆顺序图

小导管注浆过程要全程监控并进行记录,记录内容必须包含导管施工部位与里程桩号、导管数量与编号（或者孔号）、导管长度、每根导管注浆量、浆液配合比、注浆时间与对应的注浆压力、总注浆量等内容,签字确认,同时做好影像资料留存工作。

3.5 下一个循环施工

注浆完成至开始下一个循环开挖作业的时间间隔,应根据浆液种类决定。当浆液为单液水泥浆时,建议开挖时间为注浆完成8 h 后,浆液为水泥-水玻璃双液水泥浆时建议开挖时间为注浆完成4 h 后[4],具体时间间隔可根据现场对浆液强度的需求适当延长。下一个循环进尺开挖完成后,应确保已经施工的超前导管尾端保留0.8 m 以上的长度在掌子面岩石内,具体长度根据掌子面岩石条件确定,起到止浆、支撑导管、稳定岩石的作用。

4 结语

湟水北干渠扶贫灌溉二期工程,线路由小断面引水隧洞、混凝土渠道、渡槽、倒虹吸等建筑物组成,引水隧洞部分洞段为极不稳定的V 类（2）围岩,主要为成岩较差的古近系粘土岩、断层及其影响带、第四系松散堆积物碎石土与黄土等,渗水、涌水现象频繁。在引水隧洞开挖掘进过程中,大量采用了超前小导管预注浆措施,顺利通过地质条件复杂洞段与浅覆盖层洞段,为安全施工创造了条件,目前隧洞工程已经全部完工。