超前注浆管棚在麻栗坝水库西低隧洞工程中的应用

曾路明

(云南省德宏州麻栗坝水库管理局 德宏 678701)

1 概况

麻栗坝水库工程位于云南省德宏州陇川县境内，地处国际河流伊洛瓦底江水系瑞丽江一级支流南宛河上游，是一座以灌溉、防洪为主，兼有发电、旅游等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。水库设计总库容10665万m3，坝高37.6m，坝顶高程1000.6m，坝轴线总长1172m。整个工程由枢纽部分和灌渠部分组成。其中，枢纽工程主要建筑物有拦河坝、溢洪道、西低隧洞、西高涵、坝后电站;灌渠工程则由西高干渠、西低干渠、东干渠组成，干渠总长112.66km。西低隧洞为2级建筑物，其次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。隧洞布置在水库右岸山体内，绕右坝肩山体横穿西高涵泄水道底板经分水闸分水后分别与西低干渠、南宛河相连。隧洞由引水明渠、清污和检修闸门井段、洞身廊道段、出口工作闸室、消力池、分水闸、泄水道等建筑物组成，总长680.144m，其中洞身廊道段长367m(隧洞段269.731m，明挖埋管段97.269m)，底坡 i=0.006，采用C20钢筋混凝土无压城门洞形，断面尺寸3.9m×4.0m(宽×高)，底板衬砌厚度1m，边墙与顶拱衬砌厚度均为0.8m，隧洞段顶部120o范围内作回填灌浆并布置排水孔，明挖埋管段120o范围内布置排水孔，不作回填灌浆。施工度汛期下泄流量为42.8m3/s。

2 超前注浆管棚设计及施工方案

2.1 隧洞开挖支护设计简况

西低隧洞洞身穿越上第三系(N3)含砾粗中细砂土及粘土透镜体，属于极不稳定的Ⅴ类围岩，地下水位平均高出洞身开挖面约12.0m，围岩强度低，成洞条件差。根据隧洞沿线岩体成洞条件差、地下水位高、不可预见因素多等特点，设计采用超前注浆管棚法进行施工。

注浆管棚设计采用壁厚5mm的φ102钢管，管壁以梅花形布置φ10钻孔作为注浆孔，设计单管长12m，搭接长度1.2m，注浆管轴线间距33.3cm，管棚平行洞轴线沿开挖方向上仰1°倾角，在工作面处较格栅顶上抬20cm安装，沿开挖线外轮廓环向布置(见1、图2)。

图1 管棚结构布置纵剖面

图2 支护及管棚安装剖面

格栅钢架采用钢筋制作，主筋为4根φ22螺纹钢筋，安装间距80cm/榀。每榀格栅设计钢筋用量285kg。

2.2 施工方案优化及效果

工程开工后按照设计大管棚方案进行施工。施工中发现:由于单根钢管设计长度为12m，重量较大，在洞内由于工作面有限而使得安装比较困难，钻孔容易发生弯曲，且难以控制1°的上仰角精度，上仰角增大，导致洞室超挖，增加工程量，造成不必要的资金浪费，上仰角偏下，管棚侵占格栅支护断面位置，达不到设计效果，影响格栅支护;同时，前一支护循环结束后，由于格栅钢架及喷护混凝土已经形成，下一组管棚与格栅钢架的高差(上抬值)为20cm，造成同一工作面安装管棚较为困难。为此，建设单位多次组织专家及参建各方进行现场研究论证后，决定在进口工作面采用小管棚方案进行生产性试验，试验参数为:管径φ40，壁厚3.25mm，管轴线间距为15cm，单管长4m，钢管搭接长度0.8m，上抬值24cm，上仰倾角8°，每循环开挖进尺控制在2.4m，其余施工参数按照原设计要求控制。试验结果表明:在地质条件相对较好的进口工作面，采用小管棚方案施工是可行的，其优点是施工工艺简单、安装方便、容易控制超欠挖、进度快等，缺点是钢管短，致使施工循环数增加。

实际施工过程中，隧洞开挖贯通主要是通过进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，长度为4m的74段，长度为3m和6m的各2段，使用单根钢管总长314m，完成进尺196.8m，是洞挖段总长的3/4;采用大管棚方案施工1段，长度为12m。出口工作面根据实际地质情况分别采用大管棚和小管棚方案施工，采用长度为6m的大管棚10段，采用长度为4m的小管棚7段，完成进尺59.68m，不到洞挖段总长的1/4。通过采用小管棚方案进行施工，隧洞开挖进度明显加快，隧洞如期顺利贯通，证明改用小管棚方案施工是成功的。

3 施工工艺及措施

3.1 超前注浆管棚施工

3.1.1 造孔

造孔采用自制台架2套，根据注浆孔布置现场加工;洛阳产3kW 水电钻机2台(用于大管棚)，配备φ120钻头;电动螺旋式钻机3台(用于小管棚)，配备φ50钻头。

造孔时，将台架移动至操作面，精确调整钻杆倾角(大管棚1°，小管棚8°)。大管棚造孔由于钻机振动较大、钢管较长及钻杆自身刚度等原因，造孔时容易发生钻孔弯曲，采用调整倾角的措施防止造成过大的弯曲，并经常进行弯曲测定，避免插管工序施工困难。钻头口径与钢管直径相同，这样有利于注浆止浆，增加注浆压力。根据实际造孔效果，选用振动小的钻机，对保持岩体原有胶结性质及稳定较为有利。

3.1.2 插管

插管前清除钻孔内岩渣，将钢管一边晃动一边插入。大管棚钢管较长，单管重量较大，插管比较困难，根据插管行程，使用顶推法或卷扬机反压钢管法插管;小管棚钢管较短，单管重量较小，插管较容易，使用电动螺旋式钻机推进较为快捷简便。

3.1.3 管棚注浆

根据生产性试验结果，结合揭露的地质情况，除部分地质极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。注浆设备为ZQ—5型注浆机、QY—20型压力机、TZ—750型拌浆机。

注浆前，分别对大管棚和小管棚进行注浆试验。注浆试验采用 0.3∶1、0.4∶1、0.43∶1、0.45∶1、0.5∶1、0.52∶1 六种浆液水灰比，采用 0.4MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.7MPa、0.91MPa、1.0MPa、1.1MPa、1.2MPa八种压力变换注浆，然后观察岩体在注浆压力作用下的变形情况，开挖后检查注浆效果。

注浆试验结束后，通过对岩体吃浆量、浆液渗入岩体的扩散半径(15～20cm)、固结效果及切剖注浆钢管检查管内注浆密实情况进行认真分析得出:浆液浓度太稀，固结效果差，易出现冒浆串浆情况，太稠则不能渗入围岩，达不到固结的效果。注浆压力过大容易导致围岩松散失稳，引起串浆、冒浆，与初衷相悖，太小则达不到注浆效果。最终确定:浆液水灰比(W/C)控制在0.4∶1～0.5∶1之间较为适宜，注浆压力控制在0.55～1.0MPa之间最为合理，既可固结围岩，又能保证管棚内注浆密实，增加管棚刚度。

在注浆过程中出现串浆现象时，即时停止，进行下一孔注浆，待凝固后，再对串浆孔进行复注，复注采用同水灰比的浆液，直至不吃浆为止;当发现冒浆现象时，及时采取嵌缝、表面封堵，加稠浆液、降低压力、间歇灌浆，及时组织人员堵漏等方法进行处理。

3.2 隧洞开挖

根据不同的地质条件采用不同的开挖方式:进口采用小型挖掘机辅以人工开挖，小型运输机械出渣;出口工作面采用风镐、风钻配合开挖，小型装载机出渣。因隧洞地下水位高、岩体透水性强，开挖机械及施工人员施工操作时对岩体产生的扰动，在地下水作用下岩体容易出现液化坍塌，通常洞壁会在格栅钢架和喷混凝土支护施工前出现大小不一的坍塌空腔体，对开挖工作面形成严重的安全隐患。为此在开挖过程中，采取了以下安全保障措施:

a.沿工作面两侧超前开挖宽约1.2m、进尺不大于2m的导槽，预留中间部分支撑拱顶岩体，逐步向中间挖掘，坚持先上后下作业的原则。

b.工作面开挖结束后立即安装格栅钢架，进行底板50cm厚C10埋石混凝土浇筑和边墙喷混凝土支护，同时在格栅脚增加水平型钢底撑，形成闭合整体支护，有效地消除了两边墙岩体因临空面水平应力释放而引起对格栅的横向变形，巩固支护成果。

c.在底板每隔20～30m设置深1.5～2m、井口高于底板15～20cm(防止渣土进入井内)的积水井，及时抽排井内积水，减少因积水而引起的洞壁坍塌。

d.洞壁出现坍塌空腔时，及时用毛石对空腔进行填塞封堵，用锚杆加固格栅，增加格栅间的连结钢筋;填塞毛石时预留2～3根φ40导流钢管将渗水引出，待后续管棚注浆时，注入浓浆回填固结空腔体。预备3～4榀格栅钢架，以便在洞室开挖出现特殊情况时应急支护。

3.3 格栅钢架制作及安装

根据洞内施工安装实际条件，格栅钢架每榀分为4段制作，即直线段、圆弧段各两段，段与段之间采用18cm×25cm、厚5mm钢板及 φ18×60mm螺栓连接。格栅的安装质量直接影响到结构安全，安装时做到上下主筋、螺栓孔对齐，螺栓拧紧后焊接加固，并对连接钢板进行焊接补强。为使格栅钢架与底板埋石混凝土形成封闭整体，施工时格栅钢架下部埋入C10埋石混凝土30cm。

3.4 喷射混凝土

3.4.1 材料

水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥;粗骨料采用一级配碎石(d=5～10mm)，含水率7%;细骨料采用河砂，细度模数2.6;水采用河水;外加剂采用QX型速凝剂。

3.4.2 混凝土配合比及施工参数

混凝土配合比及施工参数见下表。

混凝土配合比及施工参数表

3.4.3 喷射混凝土

开挖工序结束后，立即进行C10混凝土喷护。喷护前在围岩上埋设数根φ6钢筋，并露出喷护断面外一定长度，作为施工时控制喷护混凝土厚度的参照物，并用高压气清扫喷护岩体表面。喷射时，喷射机供料必须连续，保持喷射机工作风压稳定，喷射混凝土自下而上依次作业。

4 结语

麻栗坝水库西低隧洞穿越极不稳定的上第三系(N3)含砾粗中细砂土及粘土透镜体，地下水位高，围岩强度低，成洞条件差。隧洞开挖支护采用超前注浆管棚法施工，有效地保障了施工安全、质量和进度。工程于2003年9月开工，2004年8月完成隧洞开挖，同年12月全面完工投入运行承担导流任务，经过4年多的运行考验，各项监测数据未出现异常，运行正常。说明在高地下水位、松软砂土质不良地质条件下进行隧洞开挖，采用超前注浆管棚法施工，其技术是成熟、可行的。