钢管桩复合锚喷技术在水利工程边坡开挖支护中的应用

摘" 要：为减少边坡开挖工程量，减少施工对原地貌环境的影响，伊比利苏水电站一级引水隧洞进口边坡采用90°垂直边坡开挖的方法。钢管桩复合锚喷支护技术在水利水电工程边坡开挖中是一种新技术。该文通过该技术在伊比利苏水电站一级引水隧洞进口边坡开挖施工中的应用，对钢管桩复合锚喷技术进行介绍，积累相关施工经验，为类似工程施工提供借鉴。

关键词：水利水电工程；垂直边坡；钢管桩；喷锚；应用

中图分类号：TV541" " " 文献标志码：A" " " " "文章编号：2095-2945（2024）32-0193-04

Abstract： In order to reduce the amount of slope excavation and reduce the impact of construction on the original geomorphology environment， the entrance slope of the first-stage diversion tunnel of the Ibilisi Hydropower Station adopts a 90° vertical slope excavation method. Steel pipe pile composite bolting and shotcrete support technology is a new technology in slope excavation of water conservancy and hydropower projects. Through the application of this technology in the excavation of the entrance slope of the first-stage diversion tunnel of the Ibilisi Hydropower Station， this paper introduces the steel pipe pile composite anchorage and shotcrete technology， accumulates relevant construction experience， and provides reference for the construction of similar projects.

Keywords： water conservancy and hydropower engineering; vertical slope; steel pipe pile; shotcrete anchor; application

微型钢管桩是将钢管桩与微型桩技术结合起来的一种新型抗滑桩，具有“小径高强”的特点，适应性强、安全度高、见效快、施工时间短、桩顶位移小，同时施工方便、减少开挖工程量。微型钢管桩复合锚喷支护技术，在一些特定场合，尤其是在施工场地狭小，工程条件复杂的情况下，如90°高边坡支护、基坑支护中，以其独特的优势，逐渐受到工程人员的重视。目前该技术主要运用于地基加固、深基坑开挖支护、公路路基加固及边坡支护施工中，在水电站高边坡开挖支护施工中较为少见。本文通过探讨伊比利苏水电站高边坡开挖支护工程中使用的钢管桩复合锚喷技术，希望能推动该技术在水利水电工程中高边坡开挖支护工程中的应用。

1" 工程概况

伊比利苏水电站项目位于玻利维亚科恰班巴省科拉斯科区，总装机279.88 MW，为两级引水式电站。

一级引水隧洞进口边坡覆盖层厚约1～2 m，其下大部分为风化砂岩，边坡坡度约45°，高约41 m，分为4层并预留3 m宽马道，设计分层高度8～12 m。首层采用自然放坡开挖，坡比为2∶1，开挖高度约3～8 m；其余3层使用钢管桩超前支护垂直开挖，分层高度约9～12 m。边坡支护设计为钢管桩复合锚喷支护体系，坡面抗滑结构为间距75 cm，直径139.7 mm，壁厚12 mm的钢管桩，桩顶浇筑60 cm×75 cm钢筋砼锁口梁；坡面锚固体系为Φ25 mm，L=12 m砂浆锚杆，单层Ø6 mm×150 mm×150 mm钢筋网片，喷射混凝土厚30 cm。其主要工程量：钢管桩约3 759 m，锚杆约11 976 m，喷射混凝土约571 m3，钢筋网片约3 812 m2，土石方开挖约21 169 m3。

2" 钢管桩复合锚喷技术主要特点

从运用的角度来看，边坡钢管桩复合锚喷支护技术不仅适用于常规地基加固、深基坑开挖支护、铁路公路路基加固及边坡加固，也可适用于复杂地质条件下边坡支护，尤其是在地形地质条件复杂、场地狭小高边坡区域，钢管桩复合锚喷支护技术都已被认可为是一种有发展前景的边坡技术，其主要技术特点如下：①可适用土层、强风化岩体等不同地质条件边坡外，也适用于要求直立边坡开挖支护，可广泛运用于各种地质条件下不同坡比边坡支护、加固。②施工速度快，由于该项技术可以将支护施工区结构合理分块分区，现场作业量小，对于大型工程可以多点施工。③钢管桩基础上结合了注浆技术，通过钢管灌注的水泥浆及边坡周围岩土体形成了微型桩，水泥浆以压力注浆的方式充满岩土体空隙，与岩体充分结合，提高了摩擦角和黏聚力，从而对边坡潜在滑动产生支撑作用，提高边坡整体抗滑稳定性。④设计施工的灵活性，钢管桩可单独使用，也可和其他支撑结构配合使用，如钢管桩+锚喷支护，钢管桩+预应力锚索等配合使用。⑤与锚杆、网喷砼结合，增强钢管桩抗滑弯曲强度，同时上部桩顶钢筋砼锁口梁及下部钢管桩锚入岩体，可增强钢管桩整体抗滑稳定性。

3" 施工布置

施工道路布置：经1号主进场道路进入隧洞进口边坡施工现场，洞口开挖施工道路在洞口开挖区布置，最大坡度15%，以通行反铲和装载机。开挖施工道路随着洞口开挖的进展逐级下降。开挖施工道路主要承担开挖过程中机械设备的通行及施工材料的运输，施工中钻孔设备和施工材料通过装载机/反铲运至开挖工作面。

施工场地布置：在开挖边坡下方开阔部位布置作业平台，包括袋装水泥仓库、小型材料和工具仓库、空气压缩机、发电机等。

施工用电：前期施工用电设备有砼拌合机、砼喷射机、施工照明和电焊机等小型设备，采用200 kW柴油发电机供电即可满足用电需求。

施工用风：在进场道路旁开阔地方布置空压站，使用供风量为20 m3/min油动空气压缩机供风，主要为YT-28手风钻、砼喷射机及边坡喷锚前的基础面清理供风。

施工用水：施工用水由附近小溪经供水管道接入到工作面，并在开挖边坡上方安置10 m3储水罐，从储水罐连接供水支管通过自流方式引至拌合机和喷锚机，以及开挖工作面。

4" 施工工艺

4.1" 土石方开挖施工

该边坡主要由覆盖层及变质岩构成，现场进行开挖作业主要以反铲为主，液压锤配合，未进行爆破作业。单次开挖循环作业高度为3～4 m，每次开挖完梯段内坡面喷砼，挂网及锚杆和排水管等支护作业紧跟进行。支护作业施工完成后，开始下一循环开挖作业。

放工前由测量队至现场放出开挖边线，并以打桩或是标示红漆的方式标示开挖边线点后，并对现场技术人员和施工作业人员进行交底。

根据测量人员所放的开挖位置，现场施工时对开挖点进行拉线，加密桩号标识点位置，开挖时用卷尺依照图纸所示坡度进行检测。

土方开挖高差以3 m为开挖高程，采用反铲对开挖土方向边坡外侧堆积。在反铲向边坡外侧甩土时，配置专人在道路入口侧进行交通指挥，有车辆通过时通知反铲停止工作，待车辆或设备通过后再开始工作。

4.2" 支护作业施工

4.2.1" 边坡支护方式

微型钢管桩+1.8 m×1.8 m间排距布置，直径25 mm，长12 m的锚杆+一层6 mm×150 mm×150 mm的钢筋网片+30 cm厚喷射砼；排水孔均为5 m×5 m间排距布置，排水管长为6 m。

在边坡开挖完成后首先喷射一层10 cm厚的C30混凝土，喷射时按照3 m×3 m间距在边坡上插入钢筋，外露10 cm来控制喷射砼的厚度，喷射时需要用砼把钢筋完全覆盖住，确保喷射砼的厚度。

第一层砼喷射完成后开始进行排水孔的钻孔，钻孔使用D7钻机进行，排水管使用直径64 mmPVC管，长度50 cm，安装前沿PVC管壁钻孔，形成花管，然后外面包一层土工布，排水管外露坡面20 cm。排水孔安装完成后安装钢筋网片，钢筋网片使用Ø16钢筋固定在坡面上。在喷射第二层砼前，对排水管管口作保护，以免喷射砼时堵塞排水孔。在钢筋网片上绑扎20 cm长的钢筋，间距3 m×3 m，喷射时将20 cm长钢筋完全覆盖，达到喷射要求的厚度。

4.2.2" 喷射砼作业要点

①喷射混凝土时，应按分段、分片由下而上顺序进行，每段不超过6 m。②喷射作业时，喷嘴要垂直受喷面做反复缓慢均匀的螺旋形运动（直径30～50 cm），喷嘴与受喷面保持一定的距离，一般取0.75～1 m。喷射机压力不小于0.5 MPa。③清理岩面后，如有大面积的凹面，应先进行凹面补平，保证每层喷射厚度一致均匀。④如岩石破碎严重，喷射混凝土的附着能力差，喷第一层时，应使用加大速凝剂掺量的水泥砂浆，并适当减小喷射机的工作风压，以便形成初喷壳，为后续喷射提供底层。⑤根据喷射部位选定合适的高压风压力和一次喷射厚度，使边坡回弹量计划控制在10%左右；喷射混凝土表面平整密实，无裂缝脱落现象，达到设计要求。⑥突然断料时，喷头应迅速移离喷射面，严禁用高压气体冲击尚未终凝的混凝土。喷射工作结束后要认真清洗喷嘴。⑦喷射混凝土终凝2 h后应进行湿润养护。

4.2.3" 锚杆施工方法

边坡设计锚杆为下倾角，角度为15°，深度为12 m，锚杆直径为25 mm，钢筋材料要求为G60的钢筋。安装锚杆时采取先注浆法施工的方法。

①打孔：打孔前测量根据锚杆间距、锚杆设计角度放样锚杆位置，并标注记录孔距、角度等。使用D7钻机进行造孔，造孔过程中随时检查调整孔距角度，符合设计要求。锚杆直径Φ25 mm，孔径Φ64 mm。②清孔：钻孔完成后用高压风、水联合清洗，将孔内松散岩粉粒和积水清除干净；如果不需要立即插入锚杆，孔口应加盖或堵塞予以适当保护，在锚杆安装前应对钻孔进行检查以确定是否需要重新清洗。③锚杆安装：12 m的锚杆末段必须具备良好的Φ19 mm×50 mm的丝杆。锚杆上每间隔2 m架立筋，以保证锚杆在空中始终处于中心位置。锚杆安装完成后浆液达到强度必须尽快安装锚杆的垫板、垫片、螺母，并使用拧紧扳手拧紧螺母。④注浆：先注浆锚杆，使用注浆管插入孔底，缓慢向上移动，保证孔内注浆量满足锚杆安装。锚杆安装后如无浆液溢出孔口，证明孔内浆量不符合要求，需使用注浆管补满孔中空余部分。安装完锚杆后应使用扭力扳手机械转动锚杆，使水泥浆能与锚杆充分黏合。

注浆完成后人工扣除高于基础面的封堵材料，等待初期强度完成后，安装锚杆垫板、垫片、螺母，并使用拧紧扳手拧紧螺母。

4.2.4" 排水孔施工方法

排水孔在第一层喷射砼和钢筋网片安装完成后进行，首先使用ATLAS COPCO D7型钻机钻孔，钻孔孔径76 mm，钻孔深度6 m，间排距5 m。排水管采用Ø64 mm长度6 m的PVC管材，在PVC管壁上间隔20 cm钻Ø 6 mm的孔，形成花管，然后在外侧包裹一层土工布，使用扎丝绑扎牢固。安装排水管外露坡面5 cm，完成后排水管孔口用适当材料保护，避免在喷射第二层砼时堵塞排水管。

4.2.5" 钢管桩施工方法

①放桩位。在开挖边线内侧30 cm处，放出孔位，孔位中心距为75 cm。桩位用钢筋做好标记，并加以保护，以便钻机施工定位。②成孔。采用HTM-400B型旋挖钻机施工，钻机安放平稳，确保在钻进过程中不产生位移和沉陷。人工开挖小型简易泥浆池，选用膨润土配制优质泥浆。将钻杆抬至钻机旁，启动泥浆泵、钻机，缓慢钻进，泥浆泵把泥浆输进钻杆内腔后，经钻头的出浆口射出至孔底，冷却钻头的同时带动沉渣不断地沿孔内环状空间上升到空口溢出，流进沉淀池返回泥浆池净化，循环使用。每钻进3 m，接一次钻杆。因故停机时，应保证孔内具有规定的水位和所需的泥浆比重及黏度， 且将钻头提出孔外，以防塌孔或掉钻头。钻孔达到设计深度后，记录员测量孔深并对孔底地质判断与设计无误后进行记录。在注水泥浆前，用换浆法清孔，将钻头提高至孔底约30 cm空钻带动孔底沉渣，泵入新泥浆，使钻渣在孔内旋浮上升至孔口流入沉淀池，要求孔底沉渣厚度小于等于5 cm。③下钢管桩、注浆管、注浆成桩。钢管桩标准节长度3 m，配备一定数量长度为1 m和2 m非标准节根据实际安装长度进行组合，钢管桩之间采用螺纹连接，第一节钢管桩底部焊接十字钢板便于浆液从孔底反出。待200 mm钻孔成孔后，利用旋挖钻机将钢管（Φ139.7 mm）竖起，人工调整将钢管插入孔正中位置，使用管钳临时固定上一节钢管桩，吊起下一节钢管桩进行连接，如此重复至孔底悬空10 cm后固定，钢管中插入注浆管。注浆机需装设压力表，注浆压力为0.5 MPa，水泥浆28 d强度要求达到25 MPa，水灰比严格控制在0.4～0.55，充盈系数大于等于1.3。注浆后暂不拔管，直至水泥浆从管外流出为止，拔出注浆管，密封钢管端部，加压数分钟，待水泥浆再次从钢管流出为止。由于一次注浆难以达到充盈系数及注浆压力要求， 需要多次间隙注浆，一般为3到5次，直至管口翻浆为止。④钢管桩冠梁。待本层钢管桩全部注浆完成后，在钢管桩顶部进行冠梁施工。冠梁为钢筋混凝土现浇梁，截面尺寸为60 cm×75 cm，钢管桩顶部深入冠梁45 cm。⑤成桩质量检测。冠梁施工完成后继续进行下一层开挖，已成型钢管桩中心线外侧土石方需进行挖除，注浆后的成型钢管桩暴露10 cm，直观进行了浆液成型和偏斜质量检测，灌注水泥桩完整度高，无蜂窝等缺陷，整体垂直偏斜不超过3 cm，满足设计要求。

4.2.6" 变形监测

在第一级马道上利用地质钻机施工一个深度40 m的测斜孔，施工过程中和施工后使用测斜仪定期进行观测，同时在成型后喷射混凝土面上设置若干个位置观测点，使用全站仪定期观测。施工结束后的2年观测数据显示该边坡位移变形均在允许范围内，表明钢管桩复合锚喷支护技术在水电站垂直边坡开挖支护中加固及控制边坡变形方面效果良好。

5" 施工机械及人员配置

施工机械配置见表1，施工人员配置见表2。

6" 效果评价

钢管桩复合锚喷支护技术在玻利维亚伊比利苏水电站一级隧洞进口边坡上的应用，相比传统放坡开挖施工方式减少了边坡开挖高度22 m。这对项目环保和施工方面带来一些明显帮助，一是项目地处国家森林公园内，环境保护要求严苛，减少22 m边坡开挖极大地降低了隧洞进口边坡施工对原始环境的影响；二是解决了项目进口边坡开挖侵入大坝边坡开挖范围的问题，使两者施工范围相对独立，不再互相干扰施工；三是一级隧洞进口边坡施工处在项目关键线路上，其施工时间缩短，有利于项目整体施工进度；四是加固效果良好，边坡变形得到有效控制。

7" 结束语

伊比利苏水电站一级隧洞进口垂直边坡开挖使用的钢管桩复合锚喷支护技术，是在钢管桩基础上结合了注浆技术，通过钢管灌注的水泥浆及边坡周围岩土体形成了微型桩，水泥浆以压力注浆的方式充满岩土体空隙，与岩体充分结合，提高了摩擦角和黏聚力，从而对边坡潜在滑动产生支撑作用，提高边坡整体抗滑稳定性。同时边坡设置了一定长度砂浆锚杆锚入岩体，并网喷30 cm后混凝土厚墙体提高了钢管桩抗弯强度；此外在每排钢管桩顶部浇筑钢筋砼冠梁，使钢管桩形成整体进一步增加其抗弯抗滑能力。该技术在本项目的成功应用表明钢管桩结合注浆技术、常规锚喷支护体系和混凝土冠梁的复合型支护体系，适用于水利工程高边坡开挖支护工程。在环境受限的情况下，钢管桩复合锚喷开挖支护技术是水利工程中具有广泛应用前景的高边坡开挖技术，值得在类似工程施工中推广应用。

参考文献：

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