某水电站千枚岩洞段变形处理施工技术

2019-03-20龚万鹏郭必丽

水电站设计 2019年1期

龚万鹏，郭必丽，方元

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041)

1 概述

金元水电站3号施工支洞上游引5+830 m～引5+430 m段变形严重，已严重侵占二衬结构线，从而导致施工人员在开挖结束后不得不对已侵占结构线的洞段进行处理，以满足该洞段的施工尺寸要求。变形段处理遵循尽量处理边墙和底板，个别洞段允许全断面拆除拱架以满足设计断面尺寸要求的原则。

该变形段处理需拆除原有的喷混凝土、拱架、挂网、锚杆和清除占结构线的岩石等，并可能需要在处理好后进行重新支护；然而，该变形段岩石以千枚岩为主，岩石稳定性差，在拆除原有支护过程中存在的施工难度及安全风险极大，同时，为了响应业主的投产发电的工期要求，不得不加大施工人员、设备及安全保证措施等投入。

2 变形处理原则

(1)变形段处理之前，先对需要处理的变形段边墙或顶拱进行小导管固结灌浆，如灌浆过程不吸浆或吸浆很少，可试验加密L=4.5 m、Ф50 mm的灌浆小导管或Ф25 mm灌浆中空自进式锚杆的方法进行处理。

(2)在固结或锚固完成后拆除需要处理的部位，且在需拆除的拱架两侧施工注浆小导管进行锚固，即务必以确保该拱架的稳定和施工期间的设备人员安全为主，从而降低拱架拆除时的安全风险。

(3)尽量采用比较简单的施工工艺，达到缩短整个施工时间的目的。

3 变形段处理施工方法

3.1 变形段换支等具体处理施工程序

首先，对需要处理的变形段边、顶拱按变形处理原则(1)进行处理；对围岩进行加固后，根据初期支护断面测量成果，确定初期支护侵占范围，在现场画出换拱范围，每次用风镐凿除1榀钢拱架初期支护，割除侵占部分工字钢拱架、钢筋网片、连接筋、锚杆等，按设计开挖轮廓线人工用风镐修出占结构线部分围岩，如有需要，可按设计要求挂设钢筋网，换上新加工的钢拱架并进行可靠连接、加固，然后喷射混凝土，完成一次换拱循环；其中5+520 m～5+430 m需先用注浆小导管在顶拱大范围内的拱架两侧垂直岩壁进行预注浆加固，小导管环向间距为10～25 cm，待注浆达到一定强度后再拆除初期支护，并置换拱架。

变形段换支处理施工程序为：小导管固结灌浆或Ф25 mm中空灌浆锚杆加固后→拆除原占结构部位→按原支护方案恢复原钢拱架。施工程序见图1。

3.2 施工方法

3.2.1 小导管固结灌浆

3.2.1.1 钻孔

小导管固结灌浆孔以YT28手风钻造孔为主，QZJ-100B潜孔钻造孔为辅，沿变形段边、顶拱布孔，灌浆孔间排距为1 m，小导管固结灌浆管(花管)直径50 mm，管长4.5 m。钻孔方向应与岩面保持垂直，钻孔孔位偏差不大于10 cm，孔深满足设计要求。钻孔结束后，采用压力水敞开孔口的方式对钻孔孔壁进行冲洗，将水管放至孔底，向孔内通入大流量水流，污水自孔口返出，直至回水清为止。冲洗后孔内沉碴不大于20 cm。钻孔需在孔口处编号，以防孔位混乱，查找不清。

图1 变形段换支处理施工程序

3.2.1.2 裂隙冲洗

(1)固结在灌浆前，视具体情况对灌浆孔段进行裂隙冲洗。对于采用自上而下灌浆的孔段，每段均进行裂隙冲洗；对于采用自下而上灌浆的孔段，孔底段进行裂隙冲洗，孔口段不再进行裂隙冲洗，以免影响前一段浆液凝固。裂隙冲洗根据地质条件分两种类型进行冲洗：第一类是在正常地质条件下，采用常规的压力水冲洗，或采用风水联合冲洗的方式；第二类是对于软弱结构面及岩层内部的软弱夹层采用风吹的方法进行。

(2)冲洗压力：常规冲洗水压采用灌浆压力的80%，当压力超过1 MPa时，采用1 MPa。当采用压力水射流冲洗工艺时，水压力不低于1.5 MPa。

(3)裂隙风吹时间应以无松动块状为止。

(4)灌浆孔(段)裂隙冲洗(吹)后，该孔(段)应立即连续进行灌浆作业，因故中断时间间隔超过24 h时，应在灌浆前重新进行裂隙清理。

3.2.1.3 压水试验

小导管固结灌浆选取总孔数的5%进行压水试验(Ⅰ、Ⅱ序孔均应进行压水试验，Ⅰ序孔为3%，Ⅱ序孔为2%)，压水试验采用单点法。其余孔段可进行简易压水，简易压水与裂隙冲洗工艺相同，可结合进行。小导管固结灌浆孔的压水试验在钻孔冲洗和裂隙冲洗完成后进行。压水试验全孔一次进行，压力值采用0.8 MPa，每5 min 测读一次压入流量，取最后4次读数的平均值作为计算流量，成果以透水率表示。在遇水后性能易恶化的岩层中进行灌浆时，可不进行裂隙冲洗和压水试验。

3.2.1.4 灌浆材料

(1)水泥。用于回填灌浆的水泥强度等级为P.O42.5，由业主指定供应商供应。水泥符合GB175要求，细度要求通过80 μm方孔筛的剩余量不得大于5%。

(2)水。灌浆用水采用系统水，按规定定期进行水质化验，符合JGJ63-89的规定，拌浆用水的温度高于5℃，但不得高于40℃。

(3)掺合料。水泥浆液中的掺入料包括：砂、黏性土、粉煤灰和水玻璃等掺合料。各种掺合料质量须符合DL/T5148中有关规定，其掺入量通过试验确定。

(4)外加剂。掺入水泥浆液中的外加剂包括速凝剂以及监理人指定或批准的其他外加剂。各种外加剂的质量符合DL/T5148有关规定，其最优掺加量通过室内试验和现场灌浆试验确定。所有能溶于水的外加剂以水溶液状态加入。

3.2.1.5 小导管固结灌浆具体施工方案

(1)灌浆单元划分、分序。将变形段小导管固结灌浆10m划分为一个单元(小于10 m也划分为一个单元)。灌浆按环间分序、环内加密的原则进行，环间分2序进行，采用隔孔分序的原则进行，环内孔隔孔分两序施工。

(2)灌浆方法选择。加快施工进度，拟采用孔口循环纯压式灌浆。采用单机单孔灌注，在岩石条件较好，钻孔吸浆量较小或当发生串孔时，且灌浆泵的排浆量能满足孔段吸浆的条件下，可采取并联灌注，但一次并联孔数不多于3个孔，并控制好并联灌浆孔的间距。

(3)灌浆压力。小导管固结灌浆采用纯压式孔口循环灌浆法施工，压力计及压力表安设在进浆管路上。小导管固结灌浆原则上宜单机单孔灌注，当灌浆孔相互串通时，串通孔采用棉絮、麻刀等物堵塞，灌浆结束后对串通孔重新扫孔灌注。小导管固结灌浆的灌浆压力取0.6～0.8 MPa。

(4)浆液配比。小导管固结灌浆水灰比拟采用3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1、0.5 ∶1四个比级，开灌水灰比为3 ∶1。

(5)浆液变换。小导管固结灌浆按规定水灰比由稀至浓逐级变换，当某一级浆液的注入量大于300 L或灌注时间已达1 h，而灌浆压力或注入率均无显著改变时，应改浓一级灌注；当某一级浆液的注入率大于30 L/min时，可越级变浓。

(6)小导管固结灌浆结束标准。小导管固结灌浆采用自动记录仪进行注入率测记，在设计压力下，注入率不大于1 L/min时，续灌30 min后结束。

(7)质量检查。第一，小导管固结灌浆施工完成3～7 d后，在堵头混凝土端部采用手风钻造斜孔，做压水试验检查。该检查采用单点法，检查孔数量和位置由监理人根据灌浆施工成果资料共同确定。检查孔压水试验与压水试验压力相同。第二，小导管固结灌浆压水试验合格标准为透水率不大于5 Lu，或孔段合格率不小于85%，不合格孔段透水率值不超过设计规定值的150%，且不集中，灌浆质量可认为合格。第三，对检查孔检查完后采用灌浆封堵。

(8)封孔。洞内小导管固结灌浆可采用压力灌浆法(水平及仰孔)或机械压浆法封孔，封孔后若脱空深度大于1 m，需进行补封，脱空深度小于1 m时，脱空部分使用干硬性水泥砂浆人工封填密实并抹平。

3.2.1.6 特殊情况处理

(1) 冒(漏)浆处理。灌浆过程中若岩壁发生冒(漏)浆现象时，可根据(漏)浆量的大小，采取如下方法处理：当冒浆量较小时，可不作专门处理，正常灌注至达灌浆结束标准；当冒浆量较大时，一般采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌注等方法处理，必要时采取嵌缝、地表封堵方法处理。

(2)地质构造处理。当钻孔穿过断层、破碎带，发生塌孔、掉块或集中渗漏时，应立即停钻查明原因。通常采取缩短段长进行灌浆处理后再进行下一段的钻灌作业。

(3)串浆处理。钻灌过程中若发生灌浆孔串通现象，应先查明串通量和串通孔数、范围，并按下述方法处理：①当串通孔的串通量相差悬殊时，单机同时灌注，并分别控制灌浆压力，各自变浆，使各串通孔不发生互串现象；串通孔灌浆时，先预留足够的排浆孔，采取一灌一排的方式间歇性(间隔时间可按15 min左右控制)排放稀浆，待排浆孔排出的浆液浓度与灌浆孔浆液浓度一致时，将排浆孔重新扫孔灌注。②当串通孔不具备灌浆条件时，若串通孔正在钻进应立即停钻；当串浆量较小时，可在灌浆同时对被串孔通水，使被串孔不被浆液充填；当串浆量较大时，将阻塞器阻塞于被串孔串浆部位上方(孔口方向)1～2 m处，对灌浆孔继续进行灌浆，灌浆结束后立即将串通孔内的阻塞器取出，并扫孔，待凝后进行灌浆；串通孔灌浆结束后，待凝24 h，方可进行下一段的钻灌作业。

(4)中断处理。灌浆过程中，因故被迫中断时，应立即用清水冲洗，保持灌浆系统通畅，并及早恢复灌浆，恢复灌浆时使用开灌水灰比浆液灌注，如注入率与中断前相近，可改用中断前水灰比的浆液灌注。中断时间大于30 min或注入率较中断前减少很多，且在短时间内停止吸浆，则清洗至原孔深后恢复灌浆，此时若灌浆孔仍不吸浆，则重新就近钻孔进行灌浆并报告监理工程师定夺。

(5)大漏量孔段处理。灌浆时若遇注入率大、灌浆难以正常结束时，暂停灌浆作业。对灌浆影响范围的隧洞、结构分缝、地质缺陷等进行彻底检查，如有串通，采取措施处理后再恢复灌浆。灌浆时可采用低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆法灌注，必要时亦可掺加适量速凝剂灌注，该段经处理后待凝24 h，再重新扫孔、补灌。灌浆资料要及时报送监理、设计人员，以便工作人员根据灌浆情况及该部位的地质条件，分析、研究是否需进行补充钻灌处理。

3.2.2 其他预加固围岩方法

例如：小导管固结灌浆过程不吸浆或吸浆很少，可试验加密小导管灌浆锚杆或灌浆中空自进式锚杆的方法进行处理，上述施工方法中自进式锚杆间排距为0.5 m，恢复拱架的位置根据现场实际情况确定。

3.2.3 小导管的制作

小导管杆体由Φ50 mm热轧无缝钢管制作，壁厚3.5 mm，每段长4.5 m。管壁按梅花型布钻注浆孔，孔眼直径Φ5～8 mm，每排3个注浆孔，排距为250 mm。为防止漏浆，管口段1.0 m钢管不开孔。管前端用Φ42 mm热轧无缝钢管锻成20 cm锥头，并与Φ50 mm钢管进行焊接，并在止浆段和注浆段均设置一道Φ8 mm加劲箍。钢管加工形式如图2所示(小导管固结灌浆的导管制作也相同)。

3.2.4 喷混凝土凿除

使用风镐凿除喷射混凝土，凿除混凝土时在支撑结构上搭设防护网等安全防护措施，以免下落混凝土块对人和机械构成威胁。

图2 小导管加工示意(带锥头)

3.2.5 清除侵占结构线岩石

换支部位在割除侵占部分工字钢拱架钢筋网片、连接筋后，人工使用风镐处理小于20 cm侵占结构线部位，对于大于20 cm的侵占结构线部位采用反铲液压冲击锤清除；若因变形段断面高度及宽度不够，底板需采用风镐或反铲液压冲击锤进行下挖及拓宽。

3.2.6 拱架拆除

混凝土凿除后及时进行换拱部位原初期支护纵向连接筋、钢筋网及钢架等的割除。为了安全起见，每次使用风镐拆除1榀钢拱架时，同时用30装载机对每榀拱架顶拱进行临时支撑。在拱架拆除后根据设计开挖轮廓线，人工使用风镐等工具修整开挖断面，并进行后续的喷锚支护施工。

3.2.6.1 换拱架施工方法

(1)在根据测量断面的测量结果凿除侵占结构部位的喷射混凝土和岩石时，应在拱架切割口上部多凿除20～30 cm混凝土，用于事前砂浆锚杆的固定。固定方法为：在拆除拱架切口上20 cm左右处，未拆拱架两侧各打设2根锁脚砂浆锚杆，砂浆锚杆规格为Ф25 mm，长度4.5 m。

(2)在顶拱加固完成后，先按设计要求制作好I18钢拱架，计算好下料长度，备好焊接用的连接钢板。

(3)把焊好的钢拱架运至作业平台上拼装钢架，就位调整后定位；同时在新接拱架施工前完成Φ8@15 cm×15 cm的钢筋网片挂设。

(4)换上的钢拱架与原拱钢架进行对接焊好后，分别在对接的工字钢腹板或者翼板上贴板10 cm左右处补块进行加强焊接固定，接头采用螺栓连接。

(5)按要求对拱架之间焊接间距为0.5～1 m、Ф25 mm的纵向连接筋；同时新接拱架两侧分别施工间距为1 m、L为3 m、2Ф25 mm的砂浆锚杆，并与拱架进行焊接固定。

(6)在挂网、拱架、固定锚杆、接结钢筋等完成后，喷射20 cm厚的C20混凝土；同时采用同样标号的混凝土将拱架后的所有空腔喷填密实，以上所有工序所发生工程量均以现场实际发生量计。

3.2.6.2 换钢架施工工艺要求

(1)严格按照现场实际要求加工钢拱架，检查其尺寸、焊接质量等，要符合设计、规范等要求。所用钢材进场时按批量和型号分批试验、检验，内容包括：标志、厂家、品种、数量、外观等，并按规定的抽样做力学性能试验，符合要求后才能使用。

(2)根据中线、水平、隧道断面和预留沉落量等，将钢拱架架设在中线方向的平行面上，并力求整齐。

(3)新拱架与原拱架间焊接要牢靠、平顺。

(4)钢架平行于隧洞中线，上下、左右允许偏差±5 cm，钢架倾斜度不得大于2°。

4 变形处理注意事项

(1)小导管固结灌浆易出现外漏现象，压水、灌浆过程中需仔细观察，发现冒浆(水)、漏浆(水)情况，应及时采取嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理，必要时浆液中掺加速凝剂。如遇特殊情况时，及时上报业主、监理等相关单位，以便制定相应的处理措施。

(2)风镐凿除喷射混凝土之前，必须先把喷射混凝土的凿除部分与不凿除部分在分界处切开分离，以防对不凿除部分混凝土有损伤。

(3)不能大面积拆除初期支护，防止掉块和塌方等。

(4)拆除后必须及时进行支护。

(5)在施工过程中应随时注意原支护拱架的安全情况，如出现任何不安全的现象，应及时停工处理，确保施工安全。

(6)在拱架拆除前就采取临时安全措施，即用30装载机对每榀拱架顶拱进行临时支撑，防止顶拱拱架发生垮塌。为了更好地对拱架进行支撑，需在装载机斗齿内布置拱形槽钢平台，槽钢加工形状根据现场实际情况确定，拱形槽钢安放固定在斗齿上，并在斗槽内采用Ф25 mm钢筋作为支撑杆与平台进行焊接，将槽钢支撑牢固，在拱架拆除并恢复后随即展开收敛观测。