隧洞工程施工中自制簡易注漿器應(yīng)用

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0引言

隨著我國的國力越來越強大，國內(nèi)的大型施工企業(yè)已經(jīng)占領(lǐng)了包括非洲在內(nèi)的很多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)市場。以水電工程為例，國內(nèi)水電工程開發(fā)已經(jīng)步入后水電時代，水電工程的主戰(zhàn)場已經(jīng)轉(zhuǎn)移到一些基礎(chǔ)設(shè)施比較落后的發(fā)展中國家。在這些國家存在著設(shè)備、物資匱乏，一些急需主要施工設(shè)備難于買到等問題，但為了能按業(yè)主要求按時開工，工程技術(shù)人員必須想方設(shè)法利用現(xiàn)有材料和當(dāng)?shù)啬苜I到的材料、物資，設(shè)計研制滿足工程施工要求的簡易施工設(shè)備。在烏干達卡魯瑪水電站尾水隧洞前期施工中，由于國內(nèi)注漿設(shè)備尚未到達，開工必須使用的錨桿、小導(dǎo)管注漿設(shè)備在當(dāng)?shù)丶爸苓厙译y于買到，因此項目部必須利用現(xiàn)有管材和當(dāng)?shù)啬苜I到的材料、物資自行設(shè)計研制。

1工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內(nèi)的卡爾揚東哥地區(qū)卡魯瑪村，距離烏干達首都坎帕拉270km，距離古蘆75km。尾水隧洞共兩條：1＃尾水洞長8553．290m、2＃尾水洞長8459．911m，開挖斷面呈平底馬蹄形，開挖洞徑寬13．7～14．8m，高13．45～14．8m，隧洞總投資5．9億美元，是目前世界上規(guī)模最大的尾水隧洞工程。尾水隧洞包括8＃支洞、9＃支洞、尾水出口三個作業(yè)面。根據(jù)設(shè)計，尾水出口250m，8＃支洞進口段100m，9＃支洞進口段100m，均為IV～V類圍巖。支洞進口段V類圍巖開挖斷面呈馬蹄形，開挖斷面寬10．64m、高9．40m；IV類圍巖開挖斷面呈城門洞形，開挖斷面寬8．44m、高7．30m。三個作業(yè)面洞臉及兩側(cè)邊坡均采用錨網(wǎng)噴支護形式，錨桿采用準(zhǔn)25mm螺紋鋼注漿錨桿，長度分為1．5m、3．0m和4．5m，總計6527根；尾水出口及8＃、9＃支洞口段IV～V類圍巖，采用超前注漿小導(dǎo)管和系統(tǒng)注漿錨桿支護，超前注漿小導(dǎo)管采用準(zhǔn)42mm鋼管、長度分3．0m和4．5m兩種間隔使用，共計9190根；系統(tǒng)注漿錨桿采用準(zhǔn)25mm螺紋鋼，長3．0m，總計8542根。

2設(shè)計思路

上述注漿錨桿及注漿小導(dǎo)管均采用自制注漿器進行注漿。自制注漿器主要包括漿液容器、漿液入口料斗、進料管、高壓進風(fēng)管、漿液出口、排漿管、排氣管及閥等幾部分。主要材料以已經(jīng)進場的大口徑鋼管及烏干達市場易于買到的小口徑鋼管、閥門為主。漿液容器采用大口徑鋼管制作，其他部位均采用小口徑鋼管；閥門采用相應(yīng)的小口徑閥門；漿液入口料斗采用薄鋼板制作。根據(jù)以上思路，首先在8＃支洞制作了單筒注漿器，應(yīng)用效果良好。隨后單筒注漿器在9＃支洞推廣應(yīng)用，其缺點是漿液容器偏小，每桶漿液只能注3個3m深錨桿孔或2個4．5m深錨桿孔。為了解決這個問題，在尾水出口作業(yè)面施工中，將單筒注漿器作了進一步改進，漿液容器由單筒改為雙筒，如圖1所示，即單筒注漿器改進成了雙筒注漿器，有效提高了漿液容器的容量，從而有效提高了灌注工作效率。下面以尾水出口自制雙筒注漿器為例，對其設(shè)計情況進行簡要介紹。

3注漿器設(shè)計

尾水出口自制雙筒注漿器結(jié)構(gòu)，見圖2。主要包括漿液容器、進風(fēng)管、料斗、進料管、排氣管、出漿管、排漿管及相應(yīng)管徑閥門等部分。

3．1工作原理

自制雙筒注漿器主要用于錨桿、超前小導(dǎo)管的孔內(nèi)或管內(nèi)注漿。首先關(guān)閉進風(fēng)管閥門并將空壓機打開，然后關(guān)閉注漿器底部排漿管閥門，將按照設(shè)計要求拌制的水泥漿或砂漿通過進料斗灌入漿液容器內(nèi)，再關(guān)閉進料管閥門并打開底部出漿管閥門，同時將注漿管插入錨桿孔或超前小導(dǎo)管內(nèi)，接下來打開進風(fēng)管閥門，容器內(nèi)漿液就在空壓機高壓氣體作用下通過底部出漿管、連接軟管和注漿管將漿液注入錨桿孔或小導(dǎo)管內(nèi)，注漿管隨著漿液的注入緩慢地從孔內(nèi)或管內(nèi)拔出，最后關(guān)閉進風(fēng)管閥門，打開排氣管閥門，釋放容器內(nèi)高壓氣體，這樣就完成了漿液注入的整個過程。

3．2結(jié)構(gòu)設(shè)計

自制雙筒注漿器制作材料主要采用已進場的大口徑管材和烏干達易于買到的小口徑管材、閥門、鋼板和角鋼等，各部位設(shè)計情況簡要介紹如下：

3．2．1漿液容器設(shè)計

（1）漿液容器制作。漿液容器主體應(yīng)采用大口徑鋼管制作，采用國內(nèi)采購且已經(jīng)進場的外徑準(zhǔn)165mm鋼管，壁厚4．0mm，內(nèi)徑準(zhǔn)157mm；鋼管上部和底部均采用厚4．5mm的準(zhǔn)165mm圓形鋼板。鑒于8＃支洞、9＃支洞制作的單筒注漿器漿液容量偏小，在尾水出口作業(yè)面施工時，對單筒漿液容器進行了改進，采用了圖2所示雙筒漿液容器，兩個單筒漿液容器之間采用外徑準(zhǔn)89mm、壁厚3．0mm鋼管連接。

（2）灌注能力計算。經(jīng)計算，雙筒漿液容器總?cè)萘縑筒＝32381．6cm3；3m深錨桿孔（準(zhǔn)42mm）容漿量V3m＝4156．3cm3；4．5m深錨桿孔容漿量V4．5m＝6234．5cm3，因此，雙筒注漿器灌注能力計算如下：①灌注3m深錨桿孔數(shù)：n1＝V筒/V3m＝7．79，取n1＝7（孔）；②灌注4．5m深錨桿孔數(shù)：n2＝V筒/V4．5m＝5．19，取n2＝5（孔）。

（3）注漿壓力。錨桿注漿壓力僅需0．3～0．5MPa；超前小導(dǎo)管注漿壓力要求達到0．5～1．0MPa。注漿壓力采用阿特拉斯．科普柯（無錫）壓縮機有限公司生產(chǎn)的YA3－022462－EW536866型移動式空壓機提供，額定工作壓力1．03MPa，滿足錨桿、小導(dǎo)管注漿壓力要求。注漿壓力通過圖2中進風(fēng)管上的準(zhǔn)25mm球閥進行控制。為減少風(fēng)壓損失，施工中盡量減小注漿器距錨桿孔、小導(dǎo)管孔的距離，宜控制在5～10m以內(nèi)。

3．2．2進料管設(shè)計進料管布置在右側(cè)漿液容器的頂部，主要作用為漿液進入容器的通道，采用外徑準(zhǔn)58mm鋼管，壁厚2．5mm，長15cm；中間設(shè)有準(zhǔn)58mm內(nèi)螺紋球閥，主要用于漿液灌注施工時，封閉漿液容器。

3．2．3進料斗設(shè)計進料斗在進料管的上部，是漿液注入容器的接收口，上口呈正方形，邊長20cm，高15cm，主要材料為2．0mm厚鋼板。

3．2．4進風(fēng)管設(shè)計進風(fēng)管布置在左側(cè)漿液容器頂部，是空壓機高壓氣體進入漿液容器的通道，給漿液注入錨桿孔或小導(dǎo)管孔提供動力，采用外徑準(zhǔn)25mm鋼管，壁厚2．0mm，高15cm；中間設(shè)準(zhǔn)25mm內(nèi)螺紋球閥，主要用于控制高壓氣體的開關(guān)。

3．2．5排風(fēng)管設(shè)計排風(fēng)管布置于右側(cè)漿液容器的右側(cè)，主要用于注漿完畢，向容器內(nèi)灌入漿液前，釋放漿液容器內(nèi)的高壓氣體，采用準(zhǔn)25mm鋼管，壁厚2．0mm，長15cm；中間設(shè)準(zhǔn)25mm內(nèi)螺紋球閥，作為釋放高壓氣體的開關(guān)。

3．2．6出漿管設(shè)計出漿管布置于右側(cè)漿液容器的底部，是漿液容器內(nèi)漿液注入錨桿孔、小導(dǎo)管的輸出通道，同時兼做注漿完畢的排漿管，采用準(zhǔn)25mm鋼管，壁厚2．0mm，長15cm；中間設(shè)準(zhǔn)25mm內(nèi)螺紋球閥，作為輸出、排放漿液的開關(guān)。

3．2．7排漿管設(shè)計排漿管布置于左側(cè)漿液容器的底部，主要用于注漿施工完畢排空容器內(nèi)的漿液，采用準(zhǔn)25mm鋼管，壁厚2．0mm，長15cm；中間設(shè)準(zhǔn)25mm內(nèi)螺紋球閥，作為排放漿液的開關(guān)。

4使用情況

在國內(nèi)采購的注漿器未到位的情況下，項目部自制簡易單筒注漿器首先在8＃支洞開始試制應(yīng)用，有效解決了洞口明挖邊坡支護及進洞超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的注漿問題；隨后在9＃支洞的施工中投入使用，應(yīng)用效果良好，基本滿足了施工要求。但是單筒注漿器存在容量小，灌注能力低等問題，于是，在尾水出口洞口明挖邊坡支護施工中，成功地將單筒注漿器改進成了雙筒注漿器，有效增大了漿液容器的容量，提高了自制注漿器的灌注能力，從而保證了國內(nèi)注漿設(shè)備不到位的情況下，各個作業(yè)面按施工進度安排準(zhǔn)時開工。

5經(jīng)濟效益分析

在烏干達卡魯瑪尾水隧洞8＃支洞、9＃支洞施工中，采用自制單筒注漿器，完成了洞口明挖邊坡錨桿、洞口段超前小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿的施工；在尾水出口施工中，采用自制雙筒注漿器完成了洞口明挖邊坡錨桿施工。

5．1直接經(jīng)濟效益

截止2015年1月7日，采用自制注漿器，三個作業(yè)面共創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益174．39萬美元，合人民幣1078萬元，見表1。到三個作業(yè)面洞口段IV、V類圍巖開挖結(jié)束，預(yù)計將創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益447．48萬美元，合人民幣2752萬元。

5．2間接經(jīng)濟效益

通過使用自制注漿器保證了各作業(yè)面按時開工，使其他作業(yè)工序能夠正常進行，順利完成了8＃支洞、9＃支洞、尾水出口的洞臉及兩側(cè)邊坡支護，確保了洞口開挖順利進行，為整個工程爭取了工期。手刮聚脲的平均厚度應(yīng)符合設(shè)計要求，最小厚度不得小于設(shè)計厚度的90％。厚度可用針測法或割取20mm×20mm實樣用卡尺測量。

6結(jié)論與建議

采用以上方法對出現(xiàn)滲漏的接頭進行了仔細的處理，后經(jīng)驗收和靜水壓檢測，滲漏量為0．87L（/min．km）遠低于規(guī)范允許滲漏量3．0L（/min．km）的要求，并在后期通過多次輸水檢驗也未發(fā)生管道滲漏現(xiàn)象，放空管道后進管檢查，聚脲處理位置完好，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明采用高強聚氨酯密封膠和SK手刮聚脲材料對玻璃鋼管道接頭滲漏處理是可行的。鑒于玻璃鋼管承插口接頭周圈安裝間隙較大，最小約2mm，若在安裝和回填過程造成管道軸線發(fā)生一側(cè)偏移，此接頭局部最大間隙將可能達到6．4mm。具體計算：DN1200管道承口內(nèi)徑1266±0．3mm，插口外徑1263+0．3～－0．8mm，橡膠圈長度1130×3．14mm，膠圈直徑20mm，插口膠槽寬度尺寸30mm，深度（1263＋+0．3～－0．8－1242）/2＝10．5+0．3～－0．8mm，計算膠圈均勻拉伸就位在膠槽的直徑為19．07mm，按照承插口結(jié)構(gòu)尺寸，若承插口圓度均勻，接頭局部可能最大間隙為4．1mm，膠圈最小壓縮量為4．17mm；若承口橢圓，插口圓度均勻，接頭局部可能最大間隙達到6．4mm，此處膠圈最小壓縮量為1．8mm，膠圈壓縮量偏小就會產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。由此可看膠圈設(shè)計就顯得非常關(guān)鍵，建議廠家針對不同管徑、管體環(huán)向剛度、工作內(nèi)壓等做好對應(yīng)管道的膠圈設(shè)計，包括膠圈長度、直徑、最小止水壓縮量等相關(guān)指標(biāo)的確定，同時做好膠圈材料質(zhì)量控制。

作者：陳長貴 楊玉銀 黃浩 劉志輝 陳建林 陳斌 朱小龍 單位：中國水利水電第五工程局有限公司