花管锚桩在沙湾电站引水隧洞围岩变形中的应用

2021-04-30杨军船

甘肃科技 2021年5期

杨军船

(甘肃信尔达工程试验检测有限公司，甘肃兰州 730030）

1 工程概况

沙湾水电站工程位于甘肃省白龙江干流宕昌县境内，枢纽上距两河口乡11km，上游已有修建的石门坪电站。坝址距宕昌县县城70km,距陇南市武都区约50km,坝址左岸有国道212 线通过，对外交通便利。工程主要任务是发电，枢纽主要建筑物由闸坝及引水发电建筑物等组成。枢纽正常蓄水位1189.5m,电站设计水头29m,设计引水流量202.5 m3/s,电站装机容量51MW,多年平均发电量2.043 亿kW.h，年利用小时数4006h。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2003) 的有关规定,工程规模为三等中型工程,主要建筑物为3 级，次要建筑物为4 级，临时建筑物为5 级,工程区地震设防烈度为Ⅷ级。引水隧洞为有压引水隧洞，全长4923.4m（进水口至调压井中心）,隧洞设计为圆形断面，支护型式采用钢筋混凝土全断面衬砌，衬砌洞径为8.4m。

2 工程地质

引水隧洞布置于右岸山体中，沿线地形较起伏，为中高山地貌，山体基岩大部分裸露，岸坡陡峭，相对高差100～300m，山体完整性较好，沿线冲沟较为发育，除巴楞沟外，其余冲沟沟底距离洞室大于80m，大部分沟底基岩裸露。

引水隧洞所经过的围岩岩性有第四系全新统洪积碎石土层（Q4ql）、泥盆系中统（D2）灰岩、砂岩、碳质板岩及志留系下统（Sl）的板岩、灰岩，千枚岩等。见表1。

表1 隧洞围岩分类一览

3 花管锚桩的适用环境

沙湾电站引水隧洞由于围岩松散，受山体应力的影响，导致隧洞在进行完一次支护后仍然存在严重的围岩变形，给隧洞内的安全施工和隧洞今后的安全运行造成很大的安全隐患。其中引水隧洞桩号（0+983～1+097）围岩类型为Ⅳ～Ⅴ类围岩，在开挖时完全按照“新奥法”的施工理念进行短进尺、弱爆破、强支护的施工方法进行的施工，开挖时每次进尺深度控制在1.0～1.5m 分三个台阶。采用I24 工字钢制作钢拱架进行全断面支护，钢拱架用6m 长锚杆固定，喷射C20 混凝土进行一次支护。在一次支护后，通过隧洞的变形观测数据发现，隧洞存在严重的变形，变形部位分别处于拱顶和腰线以上。通过对变形部位的观察发现钢拱架及锚杆都以被严重的损坏，考虑到直接灌浆会造成钢拱架的荷载过大导致塌方。为了控制隧洞的进一步变形，随后采用了打花管锚桩的方法对变形段进行了处理，最终变形得到了有效的控制，保证了锚桩固体的可靠性，取得了良好的支护效果及较佳的经济效益。见表2，3。

表2 净空收敛量测记录表（随机锚杆）

表3 净空收敛量测记录表（花管锚桩）

从表2，表3 所示是在11 月份采用随机锚杆喷锚支护后，施工人员连续4d 的检测记录，根据记录数据分析，平均收敛值较大，隧洞围岩仍然存在严重的变形，经过分析认为采用普通随机锚杆支护对隧洞围岩变形的控制作用较小。不能满足可靠性，安全性要求，对施工工期造成较大影响。12 月份提议采用花管锚桩进行支护试验，采用花管锚桩施工工艺技术支护后，从监测量测记录可以明显看出花管锚桩净空收敛值小于随机锚值，有效控制围岩严重变形，提高围岩的承载力，确保施工设备及人员的安全，加快了施工进度。

4 花管锚桩施工方案

沙湾电站引水隧洞花管锚桩采用Φ89×6mm 钢管，根部开梅花型Φ10mm小孔便于注浆，锚桩深9m～13.5m，注水泥浆，分两层呈梅花型布置，其间距为0.6m,花管锚桩外露部分利用Ф25 的螺纹钢筋焊接连接，形成整体，通过花管锚桩使变形围岩形成一个较为稳固的整体，承载力明显提高，限制围岩变形的进一步扩大，使得本工程能够顺利进行，如图1所示。

图1 花管锚桩施工措施

5 主要施工工艺及措施

花管锚桩的施工工艺：花管的制作—造孔—安装及锁定—注浆—封口。

1）花管制作。花管采用Φ89×6mm 钢管。首先在钢管上用石笔标出间距30cm 梅花型布置的标记，在做好的标记上采用氧焊制作出直径10mm 的小孔。将钢管的末端用厚度3mm 的钢板封住，留一个小孔接一根长10cm、直径2.5cm 的注浆钢管。焊接的堵头钢板必须牢固，并且要求密封性良好。

2）造孔。在喷锚支护后的隧洞变形部位造孔，孔间距为0.6m，上下两排梅花型布置，所造的孔径要求能满足安装花管锚桩的需要，花管锚桩的长度一般控制在9～15m。造孔是选用潜孔钻进行造孔，孔深不得短于锚桩的长度，为了保证花管锚桩的有效性，在造孔时，钻孔的角度应控制在10～15o。造孔完成后用高压风对管内进行清理，清理完成后便可以进行花管锚桩的安装。

3）安装及锁定。制作好的花管运到洞内，将没有封堵的一头插入所造好的孔内，安装时要求钢管与所造的孔角度保持一致，以免钢管顶端对孔壁造成破坏，导致孔内堵塞，花管不能完全装入孔内。在安装时如果人工安装存在困难时，可以将花管用潜孔钻顶入。连续安装好一批后，花管锚桩外露部分利用Ф25 的螺纹钢筋焊接连接，形成整体，即为花管锚桩的锁定。

4）注浆及封口。在安装好的花管内，注入42.5水泥浆，注满水泥浆后，用纤维质材料将注浆小管口塞住,等到水泥浆凝固后再进行第二次注浆。注浆时应该注意以下几点：

（1）在进行注浆作业时，其附近30m 以内不得进行爆破作业，注浆前仔细检查注浆设备，注浆料准备充足。

（2）注浆时的水泥标号不应低于32.5，注浆用水泥必须符合质量标准，不得使用受潮结块的水泥。采用细水泥时，应严格防潮和缩短存放时间。

（3）为了提高注浆质量和有效性，水泥和水的用量必须严格进行称量，称量误差应小于5%。

（4）水泥浆液在搅拌时，时间不应少于3min。水灰比为0.5:1，输送浆液的流速宜为1.4～2.0m/s,注浆压力应控制在0.3～0.5mPa 为宜。

（5）灌浆结束时，有往外流浆或往上返浆的注浆孔应闭浆待凝。通过花管锚桩使变形围岩形成一个较为稳固的整体，限制变形的进一步扩大。

6 花管锚桩的突出作用

1）花管锚桩控制的深度和范围比普通锚杆更加有效。

2）花管锚桩注入水泥浆后，能够对岩体裂隙或破碎带起到固结灌浆的作用，以提高岩体的整体性和抗变形的能力。

3）花管锚桩能更好的让岩体形成一个完整的整体，有利于锚固结构的抗剪、抗拉强度，改善岩体的力学性质，增强抗剪强度，对于隧洞围岩结构物起到稳定作用。

7 支护形式对工期、成本的影响

普通随机锚杆支护后隧洞围岩变形仍然严重，影响施工安全，进而对施工进度造成影响，如果再次加固造成二次费用，不但支护效果不理想，成本费用增加一倍，延长工期，对施工十分不利。利用花管锚桩技术进行支护，不但支护加固效果显著，在可靠性，安全性方面也得到了保障，隧洞围岩变形得到有效控制，有利于加快施工进度，施工工艺流程操作简便，成本费用相对较低。