杜貴正

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州310014)

1 引言

對(duì)于下穿大江大河的隧洞工程，地質(zhì)條件往往更為復(fù)雜，超前地質(zhì)探測(cè)的必要性和重要性顯得尤為突出。為防止在隧洞掘進(jìn)過程中江水倒灌隧洞而發(fā)生突涌水，目前國(guó)內(nèi)外通常的做法是采用多種措施對(duì)影響范圍采取先探測(cè)后掘進(jìn)的方法進(jìn)行開挖，包括宏觀預(yù)報(bào)、TSP（長(zhǎng)距離超前預(yù)報(bào)）、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水及超前地質(zhì)鉆孔。其中超前地質(zhì)鉆孔是最直觀和有效的手段[1，2]。但常規(guī)的超前地質(zhì)鉆孔存在一定局限性，如果施工時(shí)孔內(nèi)出水量較大，需轉(zhuǎn)序進(jìn)行灌漿施工，但轉(zhuǎn)序花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，未等轉(zhuǎn)序完成江水已經(jīng)倒灌至隧洞內(nèi)，可能造成不可挽回的損失。因此，如何及時(shí)對(duì)孔內(nèi)出水進(jìn)行封閉，并利用超前地質(zhì)鉆孔對(duì)出水部位進(jìn)行有效灌漿，將直接決定超前地質(zhì)鉆孔的成敗，而孔口管的錨固防滲成為超前鉆孔的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 工程概況

某工程通過輸水隧洞引水，為下游原水輸水工程提供優(yōu)質(zhì)水，線路全長(zhǎng)112.34 km。其中分水江段河床寬度約220 m，河底高程-5.5～1.5 m。左岸山勢(shì)陡峭，地面高程約18.2 m，某省道沿江布置；右岸山勢(shì)較為平緩，有寬度約50m 河灘地，地面高程約14.0 m。為輸水線路全線施工難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高、技術(shù)含量最高的區(qū)段。

隧洞斷面為平底馬蹄形，底寬4.8 m，中部寬7.2 m，高度6.9 m。采用鉆爆法開挖，開挖后進(jìn)行全斷面鋼管襯砌，鋼管直徑5.0 m，壁厚24 mm。

根據(jù)相關(guān)資料，河床部位近200 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)上覆巖體厚度偏薄，左岸河槽部位上覆巖體厚度僅為15.9～18.9 m，且河床左岸臨岸段巖體斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，在外水壓力作用下，破碎圍巖中開挖容易引起坍塌和突涌水，規(guī)模較大斷層帶甚至可能出現(xiàn)突泥流沙現(xiàn)象。

3 孔口管安裝

在巖土開挖過程中，當(dāng)遇到含水層、破碎帶或軟弱底層時(shí)，采用超前預(yù)注漿等措施加固地層，達(dá)到堵水防滲的目的。注漿時(shí)漿液要通過管路將漿液注入地層中，為防止注漿時(shí)注漿管被沖出，同時(shí)方便注漿管的導(dǎo)入導(dǎo)出，一般要在注漿孔孔口一定深度內(nèi)埋置一段鋼管，這段鋼管稱為孔口管[3]。同時(shí)，安設(shè)孔口管，當(dāng)遇到突涌水等突發(fā)狀況時(shí)，可以即時(shí)對(duì)孔口管進(jìn)行有效封堵，防止隧洞被淹，保證掌子面有效開展現(xiàn)場(chǎng)施工?？卓诠馨惭b示意圖如圖1 所示。

圖1 孔口管安裝示意圖

4 孔口管設(shè)計(jì)

穿江工程地質(zhì)條件往往比較復(fù)雜，上覆巖體薄、斷裂構(gòu)造發(fā)育，超前地質(zhì)鉆孔在施作時(shí)涌水風(fēng)險(xiǎn)巨大。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇了3 種孔口管固定方案：方案一是利用鉆孔，直接采用麻絲+水泥砂漿固定孔口管；方案二是利用鉆機(jī)，采用麻絲+錨桿固定孔口管；方案三是采用模筑混凝土直接將孔口管固定。

對(duì)以上3 種方案進(jìn)行比較分析，方案三由于施工過于煩瑣，混凝土澆筑后需待凝較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到齡期要求，因此否定了該方案。經(jīng)對(duì)方案二（采用錨桿安裝）進(jìn)行分析，該方案具有以下缺點(diǎn)：（1）鉆設(shè)錨桿孔耗時(shí)過長(zhǎng)；（2）施工較復(fù)雜，鉆機(jī)移位及對(duì)中較困難，因此不利于快速施工，不考慮使用。

鑒于以上原因，從錨固力、可靠性、工期性等多個(gè)方面綜合考慮，選擇第一種方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及方案

按照施工方案，當(dāng)采用φ94 mm 鉆頭繼續(xù)進(jìn)行造孔作業(yè)時(shí)，在鉆進(jìn)到3 m 左右時(shí)孔口管外壁與孔壁之間出現(xiàn)了滲漏水。進(jìn)行分析后確定主要原因包括：（1）水泥砂漿錨固待凝時(shí)間太短，達(dá)不到水泥砂漿的強(qiáng)度要求；（2）孔口管外壁與巖面間隙較小，在鉆具鉆進(jìn)擾動(dòng)的作用下，導(dǎo)致凝結(jié)的水泥產(chǎn)生了破壞；（3）水泥砂漿錨固力不足等。

根據(jù)上述分析，遂決定在孔口管四周布置4 根長(zhǎng)80 cm的藥卷錨桿，錨桿外露30 cm，與孔口管焊接后連成整體，結(jié)果達(dá)到了滿意的結(jié)果。該方案具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）4 根短錨桿采用手風(fēng)鉆進(jìn)行造孔作業(yè)，施工便捷；（2）藥卷錨桿裝填方便，初錨力高。由此解決了水泥砂漿錨固待凝時(shí)間短，錨固力不足等問題。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿及拉拔力試驗(yàn)：把固定好的孔口管放置2 d后，采用3.0 MPa（根據(jù)專項(xiàng)施工方案中注漿壓力要求進(jìn)行確定）注漿壓力持續(xù)注漿10 min，如未發(fā)現(xiàn)孔口管有破壞或頂出現(xiàn)象，隨后采用鉆機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。利用鉆機(jī)自帶的動(dòng)力系統(tǒng)，采用7～8 MPa 的拉應(yīng)力無法將孔口管拉出。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)的性能指標(biāo)，拉力為15～20 kN。

根據(jù)理論計(jì)算，穿江段進(jìn)行鉆孔時(shí)，如果孔內(nèi)發(fā)生突涌水，鉆孔承受的最大水壓力約1 MPa，在進(jìn)行試驗(yàn)前需充分考慮孔口管在水壓力作用下所承受的荷載，并留有一定的安全裕度，才能保證鉆孔施工的安全，因此確定采用3 MPa 的注漿壓力進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，所安裝的孔口管在持續(xù)3 MPa的注漿壓力及15～20 kN 的拉力下，未發(fā)生破壞或拉出，具有較高的安全性。因此，確定采用該錨固方式進(jìn)行穿江段堵水及灌漿施工。

6 孔口管錨固力驗(yàn)算

根據(jù)穿江段超前預(yù)注漿鉆孔施工情況，鉆機(jī)采用國(guó)產(chǎn)XY-2 型鉆機(jī)，大鉆頭直徑為150 mm，小鉆頭直徑為94 mm，預(yù)定承壓能力為9 MPa?？卓诠芡鈴綖?27 mm，管壁厚度為5 mm，內(nèi)徑為117 mm。

孔口管至孔口20～30 cm 纏棉紗封堵，安裝好孔口管后，注入水泥砂漿進(jìn)行填充，同時(shí)，孔口管四周布設(shè)4 根80 cm 長(zhǎng)度的φ22 mm 藥卷錨桿，藥卷錨桿與水平方向呈30°夾角，錨桿外露長(zhǎng)度為30 cm，并與孔口管外部焊接為一體。

孔口管長(zhǎng)度為2 m，每根藥卷的抗拔力不小于15 kN。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度較低，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較慢，抗壓強(qiáng)度第1 d 僅為0.6 MPa，且抗壓強(qiáng)度初始強(qiáng)度增長(zhǎng)按照線性增長(zhǎng)，則12 h 后的抗壓強(qiáng)度為0.3 MPa，抗剪和黏結(jié)強(qiáng)度大約為抗壓強(qiáng)度的10%。穿江段超前預(yù)注漿施工過程中，考慮孔口管漿液包裹不密實(shí)、不均勻等情況，特在孔口管四周布置4 根短錨桿，保證孔口管在施工過程中不發(fā)生破壞?？卓诠芡鈴綖?27 mm，長(zhǎng)2 m，其中外露部分按照40 cm考慮。經(jīng)驗(yàn)算不同水壓作用下安全系數(shù)的大?。ㄒ姳?），當(dāng)水壓力小于3 MPa 時(shí)，均可以保證孔口管安全。

表1 孔口管的抗拔力與安全系數(shù)計(jì)算表

7 方案實(shí)施

根據(jù)選定的孔口管錨固方案，要確保其錨固質(zhì)量，經(jīng)過細(xì)致分析，確定其關(guān)鍵控制點(diǎn)在于：（1）孔口管制作尺寸控制：鉆孔孔徑為150 mm，而所選孔口管規(guī)格為127 mm×5 mm，為了確保孔口管居中，需要在孔口管外均勻設(shè)置居中鐵塊，其外徑尺寸控制在φ148 mm；（2）孔口管、錨樁錨固段的尺寸控制：為了保證錨固段的長(zhǎng)度，長(zhǎng)2.0 m 孔口管，其孔口管外露控制在0.40 m；（3）水泥砂漿質(zhì)量控制：拌制水泥砂漿和水泥的用量，都可以事先計(jì)量好，而用水量直接關(guān)系到水泥砂漿的凝固時(shí)間，為了控制好用水量，采用水桶進(jìn)行計(jì)量；（4）孔口管與錨樁焊接固定：以孔口管為中心，用直徑為18 mm 的鋼筋為連接材料，在孔口管上選擇4 個(gè)與各錨樁頭適合的焊接部位，再通過電焊形成一個(gè)整體。

8 結(jié)語

在穿江工程施工中如何有效控制涌水，并對(duì)涌水進(jìn)行有效封堵，是實(shí)現(xiàn)穿江工程成功貫通的關(guān)鍵。本文根據(jù)某配水工程穿分水江段上覆巖體薄、斷裂構(gòu)造發(fā)育及地下水富集等特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下超前地質(zhì)鉆孔中孔口管錨固技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究和創(chuàng)新，尤其采用4 根藥卷錨桿與孔口管連成整體，通過控制鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)的撓動(dòng)，有效保證了孔口管外壁與巖面由于混凝土厚度偏薄容易產(chǎn)生破壞這個(gè)關(guān)鍵問題，通過方案選擇、理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面對(duì)孔口管錨固技術(shù)進(jìn)行了研究，并將研究成果應(yīng)用于穿江工程的施工中，結(jié)果在7 次錨固施工過程中（其中，5 次出現(xiàn)壓力達(dá)到0.50 MPa，流量50～80 L/min 的涌水），成功利用所研究的孔口管錨固技術(shù)，對(duì)出水及時(shí)進(jìn)行了封堵，確保了安全施工，實(shí)現(xiàn)了穿江工程的一次性貫通?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本文所研究的孔口管安裝方案達(dá)到了快速、安全的目的，確保了復(fù)雜地質(zhì)條件下超前地質(zhì)鉆孔的順利實(shí)施，為穿江工程的成功貫通提供了保證，為今后類似工程提供借鑒，并在更多工程實(shí)施過程中得到推廣應(yīng)用。