孔口管锚固技术在穿江工程中的应用

杜贵正

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州310014)

1 引言

对于下穿大江大河的隧洞工程，地质条件往往更为复杂，超前地质探测的必要性和重要性显得尤为突出。为防止在隧洞掘进过程中江水倒灌隧洞而发生突涌水，目前国内外通常的做法是采用多种措施对影响范围采取先探测后掘进的方法进行开挖，包括宏观预报、TSP（长距离超前预报）、地质雷达、红外探水及超前地质钻孔。其中超前地质钻孔是最直观和有效的手段[1，2]。但常规的超前地质钻孔存在一定局限性，如果施工时孔内出水量较大，需转序进行灌浆施工，但转序花费时间较长，未等转序完成江水已经倒灌至隧洞内，可能造成不可挽回的损失。因此，如何及时对孔内出水进行封闭，并利用超前地质钻孔对出水部位进行有效灌浆，将直接决定超前地质钻孔的成败，而孔口管的锚固防渗成为超前钻孔的关键点。

2 工程概况

某工程通过输水隧洞引水，为下游原水输水工程提供优质水，线路全长112.34 km。其中分水江段河床宽度约220 m，河底高程-5.5～1.5 m。左岸山势陡峭，地面高程约18.2 m，某省道沿江布置；右岸山势较为平缓，有宽度约50m 河滩地，地面高程约14.0 m。为输水线路全线施工难度最大、风险最高、技术含量最高的区段。

隧洞断面为平底马蹄形，底宽4.8 m，中部宽7.2 m，高度6.9 m。采用钻爆法开挖，开挖后进行全断面钢管衬砌，钢管直径5.0 m，壁厚24 mm。

根据相关资料，河床部位近200 m 长度范围内上覆岩体厚度偏薄，左岸河槽部位上覆岩体厚度仅为15.9～18.9 m，且河床左岸临岸段岩体断裂构造发育，岩石破碎，在外水压力作用下，破碎围岩中开挖容易引起坍塌和突涌水，规模较大断层带甚至可能出现突泥流沙现象。

3 孔口管安装

在岩土开挖过程中，当遇到含水层、破碎带或软弱底层时，采用超前预注浆等措施加固地层，达到堵水防渗的目的。注浆时浆液要通过管路将浆液注入地层中，为防止注浆时注浆管被冲出，同时方便注浆管的导入导出，一般要在注浆孔孔口一定深度内埋置一段钢管，这段钢管称为孔口管[3]。同时，安设孔口管，当遇到突涌水等突发状况时，可以即时对孔口管进行有效封堵，防止隧洞被淹，保证掌子面有效开展现场施工。孔口管安装示意图如图1 所示。

图1 孔口管安装示意图

4 孔口管设计

穿江工程地质条件往往比较复杂，上覆岩体薄、断裂构造发育，超前地质钻孔在施作时涌水风险巨大。根据以往的施工经验，选择了3 种孔口管固定方案：方案一是利用钻孔，直接采用麻丝+水泥砂浆固定孔口管；方案二是利用钻机，采用麻丝+锚杆固定孔口管；方案三是采用模筑混凝土直接将孔口管固定。

对以上3 种方案进行比较分析，方案三由于施工过于烦琐，混凝土浇筑后需待凝较长时间才能达到龄期要求，因此否定了该方案。经对方案二（采用锚杆安装）进行分析，该方案具有以下缺点：（1）钻设锚杆孔耗时过长；（2）施工较复杂，钻机移位及对中较困难，因此不利于快速施工，不考虑使用。

鉴于以上原因，从锚固力、可靠性、工期性等多个方面综合考虑，选择第一种方案进行现场试验。

5 现场实验及方案

按照施工方案，当采用φ94 mm 钻头继续进行造孔作业时，在钻进到3 m 左右时孔口管外壁与孔壁之间出现了渗漏水。进行分析后确定主要原因包括：（1）水泥砂浆锚固待凝时间太短，达不到水泥砂浆的强度要求；（2）孔口管外壁与岩面间隙较小，在钻具钻进扰动的作用下，导致凝结的水泥产生了破坏；（3）水泥砂浆锚固力不足等。

根据上述分析，遂决定在孔口管四周布置4 根长80 cm的药卷锚杆，锚杆外露30 cm，与孔口管焊接后连成整体，结果达到了满意的结果。该方案具有以下几个优点：（1）4 根短锚杆采用手风钻进行造孔作业，施工便捷；（2）药卷锚杆装填方便，初锚力高。由此解决了水泥砂浆锚固待凝时间短，锚固力不足等问题。

现场进行注浆及拉拔力试验：把固定好的孔口管放置2 d后，采用3.0 MPa（根据专项施工方案中注浆压力要求进行确定）注浆压力持续注浆10 min，如未发现孔口管有破坏或顶出现象，随后采用钻机进行拉拔试验。利用钻机自带的动力系统，采用7～8 MPa 的拉应力无法将孔口管拉出。根据现场钻机的性能指标，拉力为15～20 kN。

根据理论计算，穿江段进行钻孔时，如果孔内发生突涌水，钻孔承受的最大水压力约1 MPa，在进行试验前需充分考虑孔口管在水压力作用下所承受的荷载，并留有一定的安全裕度，才能保证钻孔施工的安全，因此确定采用3 MPa 的注浆压力进行试验。根据试验结果，所安装的孔口管在持续3 MPa的注浆压力及15～20 kN 的拉力下，未发生破坏或拉出，具有较高的安全性。因此，确定采用该锚固方式进行穿江段堵水及灌浆施工。

6 孔口管锚固力验算

根据穿江段超前预注浆钻孔施工情况，钻机采用国产XY-2 型钻机，大钻头直径为150 mm，小钻头直径为94 mm，预定承压能力为9 MPa。孔口管外径为127 mm，管壁厚度为5 mm，内径为117 mm。

孔口管至孔口20～30 cm 缠棉纱封堵，安装好孔口管后，注入水泥砂浆进行填充，同时，孔口管四周布设4 根80 cm 长度的φ22 mm 药卷锚杆，药卷锚杆与水平方向呈30°夹角，锚杆外露长度为30 cm，并与孔口管外部焊接为一体。

孔口管长度为2 m，每根药卷的抗拔力不小于15 kN。根据以往类似工程经验，水泥砂浆抗压强度较低，抗压强度增长速度较慢，抗压强度第1 d 仅为0.6 MPa，且抗压强度初始强度增长按照线性增长，则12 h 后的抗压强度为0.3 MPa，抗剪和黏结强度大约为抗压强度的10%。穿江段超前预注浆施工过程中，考虑孔口管浆液包裹不密实、不均匀等情况，特在孔口管四周布置4 根短锚杆，保证孔口管在施工过程中不发生破坏。孔口管外径为127 mm，长2 m，其中外露部分按照40 cm考虑。经验算不同水压作用下安全系数的大小（见表1），当水压力小于3 MPa 时，均可以保证孔口管安全。

表1 孔口管的抗拔力与安全系数计算表

7 方案实施

根据选定的孔口管锚固方案，要确保其锚固质量，经过细致分析，确定其关键控制点在于：（1）孔口管制作尺寸控制：钻孔孔径为150 mm，而所选孔口管规格为127 mm×5 mm，为了确保孔口管居中，需要在孔口管外均匀设置居中铁块，其外径尺寸控制在φ148 mm；（2）孔口管、锚桩锚固段的尺寸控制：为了保证锚固段的长度，长2.0 m 孔口管，其孔口管外露控制在0.40 m；（3）水泥砂浆质量控制：拌制水泥砂浆和水泥的用量，都可以事先计量好，而用水量直接关系到水泥砂浆的凝固时间，为了控制好用水量，采用水桶进行计量；（4）孔口管与锚桩焊接固定：以孔口管为中心，用直径为18 mm 的钢筋为连接材料，在孔口管上选择4 个与各锚桩头适合的焊接部位，再通过电焊形成一个整体。

8 结语

在穿江工程施工中如何有效控制涌水，并对涌水进行有效封堵，是实现穿江工程成功贯通的关键。本文根据某配水工程穿分水江段上覆岩体薄、断裂构造发育及地下水富集等特点，对复杂地质条件下超前地质钻孔中孔口管锚固技术进行了重点研究和创新，尤其采用4 根药卷锚杆与孔口管连成整体，通过控制钻机钻进时的挠动，有效保证了孔口管外壁与岩面由于混凝土厚度偏薄容易产生破坏这个关键问题，通过方案选择、理论分析及现场试验等方面对孔口管锚固技术进行了研究，并将研究成果应用于穿江工程的施工中，结果在7 次锚固施工过程中（其中，5 次出现压力达到0.50 MPa，流量50～80 L/min 的涌水），成功利用所研究的孔口管锚固技术，对出水及时进行了封堵，确保了安全施工，实现了穿江工程的一次性贯通。现场试验及实际应用结果表明，本文所研究的孔口管安装方案达到了快速、安全的目的，确保了复杂地质条件下超前地质钻孔的顺利实施，为穿江工程的成功贯通提供了保证，为今后类似工程提供借鉴，并在更多工程实施过程中得到推广应用。