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摘要 新疆布仑口-公格尔水电站工程发电引水洞6#支洞施工区上游洞段开挖过程中，遇破碎、泥化严重、出水量大，无自稳性围岩，掌子面塌方严重，施工中已尝试多种处理方案。本文介绍采用水平旋喷施工技术方案对塌方及破碎洞段进行处理，并总结其中经验和教训，探讨改进的方法，为类似工程对水平旋喷技术的应用提供有价值的资料。
关键词 引水洞 围岩 水平旋喷 管棚
1 引言
新疆克州布仑口—公格尔水电站工程工程位于新疆克尔柯孜自治州阿克陶县境内的盖孜河上，是一项具有灌溉、发电、防洪和改善生态等综合利用效益的大（2）型水电站工程，水库正常蓄水位 3290.00m，总库容 7.02 亿 m3 ，正常蓄水位下库容 5.267 亿 m 3，死水位 3280.00m，最大坝高 35m，其电站装机容量 200MW，保证出力 69.8MW，多年平均有效发电量 6.73 亿 kW·h。布仑口-公格尔水电站工程为引水式电站，其中引水隧洞平洞段长达17.4km，隧洞穿越山体地质复杂，山体顶部常年积雪，隧洞围岩出水量较大，且因自然条件约束，地质勘查资料不足，地质预报性差，较容易发生塌方。为此，经参建各方讨论、协商和进行方案比选，采用水平旋喷施工技术对部分极破碎洞段进行加固，并在施工过程中对技术方案进行改进，取得了良好的效果。
2 水工隧洞破碎洞段概况及特点
布仑口-公格尔水电站工程发电引水洞为开挖直径4.6m圆形隧洞，采用水平旋喷施工技术进行塌方处理和开挖的洞段位于发电引水洞发9+412.5m～发9+464m洞段，属6#支洞施工区上游，Ⅳ号冲沟边缘（Ⅳ号冲沟图示桩号范围为发9+343m～发9+215m，根据前期钻孔资料，沟底距隧洞约26m）。隧洞开挖施工至发9+460.1m时，围岩由Ⅲ类突变为Ⅴ类，引发大规模塌方，塌方呈现以下特点：
（1）塌方处出水量大，围岩泥化严重，塌方后掌子面拱顶流出大量泥石流状塌方体，并迅速填充洞身达10m长；
（2）根据地质资料判断，隧洞塌方掌子面前方洞段围岩可能与冲沟底部物质一致，冲沟水量丰富，冲沟渗水会从塌方处流出，开挖中极易引起涌水、流泥流沙等现象，对洞室稳定和开挖工作极为不利；
（3）洞径小（D=4.6m），隧洞深（塌方面距支洞口达800m），难以投入大量设备快速进行塌方处理。
3 前期塌方处理情况和原因分析
塌方初期，采取了多种方案进行处理，但效果均不理想：
（1）塌方刚发生时（发9+460.1m），施工单位立即进行了清渣处理，针对出水量大的特别，采用掺10%水玻璃超前灌浆、6m长φ42小导管超前支护、I18钢拱架C25混凝土喷护的处理方案，初期取得一定的效果，但支护完成11榀拱架后（塌方掌子面过5m），塌方再次发生，前方8榀拱架尽毁，初步分析塌方原因为拱顶松散体逐步加大拱架负荷所致。
（2）二次进行塌方处理时，首先对拱顶及围岩两侧进行固结灌浆处理，稳固已支护完成的拱架，之后进行超前灌浆处理，并加大超前小导管的数量，但因出水量大，掌子面流泥流沙严重，超前灌浆和支护效果不明显，期间仍发生3次大规模塌方，进度十分緩慢，两个月进完成26m，工期远达不到发电工期目标要求。
根据塌方体及掌子面围岩情况分析，发电引水洞 6#支洞施工区上游正处于Ⅳ号冲沟下游边缘，该冲沟长约128m，垂直埋深约153m，其中砂砾层厚约128m，砂砾层下部岩性为云母石英片岩夹绿泥石片岩，拱顶呈线～股状渗水，以被挤压破碎，围岩泥化严重，岩体在地下水浸泡下呈散体结构，具流动性，再加上受发9+434.096处大规模塌方影响，围岩无自承能力，拱架荷载逐日增加，故导致塌方频繁。因此，必须考虑采取其它更为有效的施工方案，保证开挖洞室的质量，加快开挖进度。
4 水平旋喷施工技术的应用
隧洞需穿越流泥流沙地质段，必须尽量保证围岩的整体性，故应先解决好地下水问题，不能在开挖过程中出现严重涌水、流泥流沙现象，根据掌子面出水及实际地质情况，在隧洞拱部180°范围内施作水平高压旋喷桩进行拱顶围岩加固，形成止水壳体，起到阻水、阻沙作用。水平高压旋喷桩采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拨出钻杆，且同时通过水平钻机钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内， 借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度（20r/min）旋转，一面低速（15～30cm/min）徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀，具有一定强度（0.5～8.0Mpa）的桩体，从而使地层得到加固，当旋喷桩相互咬接后，便以同心圆形式在隧洞拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体， 水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用，保证隧洞掘进安全。
4.1 水平高压旋喷桩设计参数
根据施工段实际地质情况，水平高压旋喷桩加固施工采用多循环完成。
（1）第一循环
水平高压旋喷桩施工需有足够宽度和高度的工作室，故第一环是为下一环开挖工作室做准备，参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长16m，桩数23根；② 水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩相互咬合80mm；③ 水平旋喷桩入孔在初期支护下方100mm处；④ 水平旋喷桩外插角为12～15%。
布桩断面图如图4-1，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
（2）第二循环
第一循环旋喷桩完成后，待开挖6m后，外扩50cm，便于第二循施工。第二循环施工参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长30m，桩数29；②水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩相互咬合150mm；③ 水平旋喷桩中心距离开挖线向上30cm；④ 水平旋喷外插角在1～3%。 布孔图如图4-2，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-1 第一循环水平高压旋喷桩布置图 图4-2 第二循环水平高压旋喷桩布置图
（3）后续循环
第三循环旋喷桩与第二循环搭接3m，参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长15m，桩数23根；② 水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩末端相互咬合80mm；③水平旋喷桩入孔在初支下方100mm处；④ 水平旋喷桩外插角为13～15%。
布孔如下图4-3，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-3 第三循环水平高压旋喷桩布置图
第四循环旋喷桩和第三循环搭接3m，布孔及参数和第三循环一样。最后一循環旋喷桩长24m。
循环间搭接如下图4-4，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-4 水平高压旋喷桩循环搭接图
4.2 主要技术要求
（1）施工误差其精度控制在±3‰范围内。
（2）为确保相邻旋喷桩的相互咬合，应控制各桩的方位角，方位角误差控制在±2‰范围内，曲线及咬合曲线段由技术部门现场确定。
（3）成桩后桩体必须满足强度要求，桩体应确保连续，均匀达到阻水效果。
（4）水平旋喷桩应严格按照设计桩位、桩径、桩长和桩数施工；
（5）对每根桩从钻孔至成桩做以下记录：施工日期、开钻时间、结束时间、旋喷压力、旋喷提升速度、桩长、注浆量。
（6）施工前，现场应先进行两根成桩试验，通过试验桩掌握钻进速度、拔钻速度、旋喷速度、喷浆压力、单位时间喷浆量等技术参数，确定旋喷的均匀性，确定最佳施工参数和最佳施工工艺。
（7）桩体施工过程要连续，不能间断，防止出现断桩，短桩现象的发生。如因机械故障或其它原因停机在30～120分钟的，应重复旋喷1m，超过2小时的，按断桩处理，应重新钻桩。
（8）在隧洞开挖前，于掌子面前方构筑拱形刚性体，减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形。
（9）采用了专门的机械设备和高压喷射装置，能有效控制喷射压力，使桩体强度能够满足设计要求。
4.3 实施效果及改进方案
水平高压旋喷桩施工严格按照设计参数、技术要求和施工工艺流程进行施工。设备进场、测量放样、钻机安装、对孔位、制定浆液、安装钻头等准备工作完成后，开展钻进工作，按工艺流程要求进行高压喷浆，喷浆至孔口掌子面1.0m时，停止喷浆、封孔，及时清洗管道及设备、钻机移位进行下一孔桩钻进。钻机移到下一孔位开钻前，核查相邻桩的成桩时间，后施工的桩必须在相邻桩成桩时间超过初凝时间后，前一根桩浆液达到一定强度时才能开钻，确保相邻桩相互咬合。
第一循环孔桩为第二循环开挖工作室的支护，实施完成后阻水效果明显，且上部围岩有一定的自稳性，按“短进尺、强支护”方式掘进，过程中无断桩、塌方情况，开挖成洞成功，进尺8m，耗时20天。
第二循环所处洞段围岩被挤压破碎，泥化严重，孔桩实施完成后，按“短进尺、强支护”方式掘进，掘进过程中，虽阻水效果较好，但仍监测到拱架变形严重，现场根据监测情况立即调整方案，增加Ф133大管棚注浆超前预加固，隔桩孔布置，之后再掘进时，拱架变形得到了控制，第二循环得以顺利完成，进尺25m，耗时60天。
第三循环、第四循环在分析围岩情况和第二循环方案实施经验的基础上，先采用Ф133大管棚注浆超前预加固，后水平高压旋喷灌浆预加固方案，管棚与水平旋喷桩隔桩孔布置。按此调整方案预加固完成后，按“短进尺、强支护”方式掘进，拱架未发现明显变形，开挖得以顺利进行，进尺20m，耗时20天。
5 结论
高压水平旋喷桩应用于水工隧洞开挖预加固，目前实际案例不多，经验仍需要多方面总结，布仑口-公格尔水电站上述塌方洞段采用高压水平旋喷桩进行处理，总体来说是成功的，但因中途对拱架变形预估不足，3个多月进尺仅53m，日均进尺0.53m，进度较慢，今后类似项目采用该方案时，仍需多多分析实际围岩状况，根据实际情况选择纯水平旋喷方案或叠加方案进行围岩预加固处理。
关键词 引水洞 围岩 水平旋喷 管棚
1 引言
新疆克州布仑口—公格尔水电站工程工程位于新疆克尔柯孜自治州阿克陶县境内的盖孜河上，是一项具有灌溉、发电、防洪和改善生态等综合利用效益的大（2）型水电站工程，水库正常蓄水位 3290.00m，总库容 7.02 亿 m3 ，正常蓄水位下库容 5.267 亿 m 3，死水位 3280.00m，最大坝高 35m，其电站装机容量 200MW，保证出力 69.8MW，多年平均有效发电量 6.73 亿 kW·h。布仑口-公格尔水电站工程为引水式电站，其中引水隧洞平洞段长达17.4km，隧洞穿越山体地质复杂，山体顶部常年积雪，隧洞围岩出水量较大，且因自然条件约束，地质勘查资料不足，地质预报性差，较容易发生塌方。为此，经参建各方讨论、协商和进行方案比选，采用水平旋喷施工技术对部分极破碎洞段进行加固，并在施工过程中对技术方案进行改进，取得了良好的效果。
2 水工隧洞破碎洞段概况及特点
布仑口-公格尔水电站工程发电引水洞为开挖直径4.6m圆形隧洞，采用水平旋喷施工技术进行塌方处理和开挖的洞段位于发电引水洞发9+412.5m～发9+464m洞段，属6#支洞施工区上游，Ⅳ号冲沟边缘（Ⅳ号冲沟图示桩号范围为发9+343m～发9+215m，根据前期钻孔资料，沟底距隧洞约26m）。隧洞开挖施工至发9+460.1m时，围岩由Ⅲ类突变为Ⅴ类，引发大规模塌方，塌方呈现以下特点：
（1）塌方处出水量大，围岩泥化严重，塌方后掌子面拱顶流出大量泥石流状塌方体，并迅速填充洞身达10m长；
（2）根据地质资料判断，隧洞塌方掌子面前方洞段围岩可能与冲沟底部物质一致，冲沟水量丰富，冲沟渗水会从塌方处流出，开挖中极易引起涌水、流泥流沙等现象，对洞室稳定和开挖工作极为不利；
（3）洞径小（D=4.6m），隧洞深（塌方面距支洞口达800m），难以投入大量设备快速进行塌方处理。
3 前期塌方处理情况和原因分析
塌方初期，采取了多种方案进行处理，但效果均不理想：
（1）塌方刚发生时（发9+460.1m），施工单位立即进行了清渣处理，针对出水量大的特别，采用掺10%水玻璃超前灌浆、6m长φ42小导管超前支护、I18钢拱架C25混凝土喷护的处理方案，初期取得一定的效果，但支护完成11榀拱架后（塌方掌子面过5m），塌方再次发生，前方8榀拱架尽毁，初步分析塌方原因为拱顶松散体逐步加大拱架负荷所致。
（2）二次进行塌方处理时，首先对拱顶及围岩两侧进行固结灌浆处理，稳固已支护完成的拱架，之后进行超前灌浆处理，并加大超前小导管的数量，但因出水量大，掌子面流泥流沙严重，超前灌浆和支护效果不明显，期间仍发生3次大规模塌方，进度十分緩慢，两个月进完成26m，工期远达不到发电工期目标要求。
根据塌方体及掌子面围岩情况分析，发电引水洞 6#支洞施工区上游正处于Ⅳ号冲沟下游边缘，该冲沟长约128m，垂直埋深约153m，其中砂砾层厚约128m，砂砾层下部岩性为云母石英片岩夹绿泥石片岩，拱顶呈线～股状渗水，以被挤压破碎，围岩泥化严重，岩体在地下水浸泡下呈散体结构，具流动性，再加上受发9+434.096处大规模塌方影响，围岩无自承能力，拱架荷载逐日增加，故导致塌方频繁。因此，必须考虑采取其它更为有效的施工方案，保证开挖洞室的质量，加快开挖进度。
4 水平旋喷施工技术的应用
隧洞需穿越流泥流沙地质段，必须尽量保证围岩的整体性，故应先解决好地下水问题，不能在开挖过程中出现严重涌水、流泥流沙现象，根据掌子面出水及实际地质情况，在隧洞拱部180°范围内施作水平高压旋喷桩进行拱顶围岩加固，形成止水壳体，起到阻水、阻沙作用。水平高压旋喷桩采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拨出钻杆，且同时通过水平钻机钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力把配制好的浆液喷射到土体内， 借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度（20r/min）旋转，一面低速（15～30cm/min）徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀，具有一定强度（0.5～8.0Mpa）的桩体，从而使地层得到加固，当旋喷桩相互咬接后，便以同心圆形式在隧洞拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体， 水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透的作用，保证隧洞掘进安全。
4.1 水平高压旋喷桩设计参数
根据施工段实际地质情况，水平高压旋喷桩加固施工采用多循环完成。
（1）第一循环
水平高压旋喷桩施工需有足够宽度和高度的工作室，故第一环是为下一环开挖工作室做准备，参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长16m，桩数23根；② 水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩相互咬合80mm；③ 水平旋喷桩入孔在初期支护下方100mm处；④ 水平旋喷桩外插角为12～15%。
布桩断面图如图4-1，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
（2）第二循环
第一循环旋喷桩完成后，待开挖6m后，外扩50cm，便于第二循施工。第二循环施工参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长30m，桩数29；②水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩相互咬合150mm；③ 水平旋喷桩中心距离开挖线向上30cm；④ 水平旋喷外插角在1～3%。 布孔图如图4-2，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-1 第一循环水平高压旋喷桩布置图 图4-2 第二循环水平高压旋喷桩布置图
（3）后续循环
第三循环旋喷桩与第二循环搭接3m，参数为：① 水平旋喷桩桩径为 500mm，桩长15m，桩数23根；② 水平旋喷桩桩中心间距为350mm，相邻两根桩末端相互咬合80mm；③水平旋喷桩入孔在初支下方100mm处；④ 水平旋喷桩外插角为13～15%。
布孔如下图4-3，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-3 第三循环水平高压旋喷桩布置图
第四循环旋喷桩和第三循环搭接3m，布孔及参数和第三循环一样。最后一循環旋喷桩长24m。
循环间搭接如下图4-4，钻孔及灌浆顺序按图中数字顺序进行。
图4-4 水平高压旋喷桩循环搭接图
4.2 主要技术要求
（1）施工误差其精度控制在±3‰范围内。
（2）为确保相邻旋喷桩的相互咬合，应控制各桩的方位角，方位角误差控制在±2‰范围内，曲线及咬合曲线段由技术部门现场确定。
（3）成桩后桩体必须满足强度要求，桩体应确保连续，均匀达到阻水效果。
（4）水平旋喷桩应严格按照设计桩位、桩径、桩长和桩数施工；
（5）对每根桩从钻孔至成桩做以下记录：施工日期、开钻时间、结束时间、旋喷压力、旋喷提升速度、桩长、注浆量。
（6）施工前，现场应先进行两根成桩试验，通过试验桩掌握钻进速度、拔钻速度、旋喷速度、喷浆压力、单位时间喷浆量等技术参数，确定旋喷的均匀性，确定最佳施工参数和最佳施工工艺。
（7）桩体施工过程要连续，不能间断，防止出现断桩，短桩现象的发生。如因机械故障或其它原因停机在30～120分钟的，应重复旋喷1m，超过2小时的，按断桩处理，应重新钻桩。
（8）在隧洞开挖前，于掌子面前方构筑拱形刚性体，减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形。
（9）采用了专门的机械设备和高压喷射装置，能有效控制喷射压力，使桩体强度能够满足设计要求。
4.3 实施效果及改进方案
水平高压旋喷桩施工严格按照设计参数、技术要求和施工工艺流程进行施工。设备进场、测量放样、钻机安装、对孔位、制定浆液、安装钻头等准备工作完成后，开展钻进工作，按工艺流程要求进行高压喷浆，喷浆至孔口掌子面1.0m时，停止喷浆、封孔，及时清洗管道及设备、钻机移位进行下一孔桩钻进。钻机移到下一孔位开钻前，核查相邻桩的成桩时间，后施工的桩必须在相邻桩成桩时间超过初凝时间后，前一根桩浆液达到一定强度时才能开钻，确保相邻桩相互咬合。
第一循环孔桩为第二循环开挖工作室的支护，实施完成后阻水效果明显，且上部围岩有一定的自稳性，按“短进尺、强支护”方式掘进，过程中无断桩、塌方情况，开挖成洞成功，进尺8m，耗时20天。
第二循环所处洞段围岩被挤压破碎，泥化严重，孔桩实施完成后，按“短进尺、强支护”方式掘进，掘进过程中，虽阻水效果较好，但仍监测到拱架变形严重，现场根据监测情况立即调整方案，增加Ф133大管棚注浆超前预加固，隔桩孔布置，之后再掘进时，拱架变形得到了控制，第二循环得以顺利完成，进尺25m，耗时60天。
第三循环、第四循环在分析围岩情况和第二循环方案实施经验的基础上，先采用Ф133大管棚注浆超前预加固，后水平高压旋喷灌浆预加固方案，管棚与水平旋喷桩隔桩孔布置。按此调整方案预加固完成后，按“短进尺、强支护”方式掘进，拱架未发现明显变形，开挖得以顺利进行，进尺20m，耗时20天。
5 结论
高压水平旋喷桩应用于水工隧洞开挖预加固，目前实际案例不多，经验仍需要多方面总结，布仑口-公格尔水电站上述塌方洞段采用高压水平旋喷桩进行处理，总体来说是成功的，但因中途对拱架变形预估不足，3个多月进尺仅53m，日均进尺0.53m，进度较慢，今后类似项目采用该方案时，仍需多多分析实际围岩状况，根据实际情况选择纯水平旋喷方案或叠加方案进行围岩预加固处理。