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(qiáng)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(shí)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(shí)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(jì)研制滿足工程施工要求的簡易施工設(shè)備。在烏干達(dá)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(dá)，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(xiàng)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(jì)研制。
1工程概況
卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達(dá)境內(nèi)的卡爾揚(yáng)東哥地區(qū)卡魯瑪村，距離烏干達(dá)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(gè)作業(yè)面。根據(jù)設(shè)計(jì)，尾水出口250m，8＃支洞進(jìn)口段100m，9＃支洞進(jìn)口段100m，均為IV～V類圍巖。支洞進(jìn)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(gè)作業(yè)面洞臉及兩側(cè)邊坡均采用錨網(wǎng)噴支護(hù)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(jì)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(hù)，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(jì)9190根；系統(tǒng)注漿錨桿采用準(zhǔn)25mm螺紋鋼，長3．0m，總計(jì)8542根。
2設(shè)計(jì)思路
上述注漿錨桿及注漿小導(dǎo)管均采用自制注漿器進(jìn)行注漿。自制注漿器主要包括漿液容器、漿液入口料斗、進(jìn)料管、高壓進(jìn)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(jìn)場的大口徑鋼管及烏干達(dá)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(diǎn)是漿液容器偏小，每桶漿液只能注3個(gè)3m深錨桿孔或2個(gè)4．5m深錨桿孔。為了解決這個(gè)問題，在尾水出口作業(yè)面施工中，將單筒注漿器作了進(jìn)一步改進(jìn)，漿液容器由單筒改為雙筒，如圖1所示，即單筒注漿器改進(jìn)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(duì)其設(shè)計(jì)情況進(jìn)行簡要介紹。
3注漿器設(shè)計(jì)
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(jìn)風(fēng)管、料斗、進(jìn)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(jìn)風(fēng)管閥門并將空壓機(jī)打開，然后關(guān)閉注漿器底部排漿管閥門，將按照設(shè)計(jì)要求拌制的水泥漿或砂漿通過進(jìn)料斗灌入漿液容器內(nèi)，再關(guān)閉進(jìn)料管閥門并打開底部出漿管閥門，同時(shí)將注漿管插入錨桿孔或超前小導(dǎo)管內(nèi)，接下來打開進(jìn)風(fēng)管閥門，容器內(nèi)漿液就在空壓機(jī)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(jìn)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(gè)過程。
3．2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
自制雙筒注漿器制作材料主要采用已進(jìn)場的大口徑管材和烏干達(dá)易于買到的小口徑管材、閥門、鋼板和角鋼等，各部位設(shè)計(jì)情況簡要介紹如下：
3．2．1漿液容器設(shè)計(jì)
（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(jìn)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(shí)，對(duì)單筒漿液容器進(jìn)行了改進(jìn)，采用了圖2所示雙筒漿液容器，兩個(gè)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(jì)算。經(jīng)計(jì)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(jì)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(dá)到0．5～1．0MPa。注漿壓力采用阿特拉斯．科普柯（無錫）壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的YA3－022462－EW536866型移動(dòng)式空壓機(jī)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(jìn)風(fēng)管上的準(zhǔn)25mm球閥進(jìn)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(jìn)料管設(shè)計(jì)進(jìn)料管布置在右側(cè)漿液容器的頂部，主要作用為漿液進(jìn)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(shí)，封閉漿液容器。
3．2．3進(jìn)料斗設(shè)計(jì)進(jìn)料斗在進(jìn)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(jìn)風(fēng)管設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)管布置在左側(cè)漿液容器頂部，是空壓機(jī)高壓氣體進(jìn)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(dòng)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(xiàng)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(hù)及進(jìn)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(hù)施工中，成功地將單筒注漿器改進(jìn)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(gè)作業(yè)面按施工進(jìn)度安排準(zhǔn)時(shí)開工。
5經(jīng)濟(jì)效益分析
在烏干達(dá)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(jì)效益
截止2015年1月7日，采用自制注漿器，三個(gè)作業(yè)面共創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益174．39萬美元，合人民幣1078萬元，見表1。到三個(gè)作業(yè)面洞口段IV、V類圍巖開挖結(jié)束，預(yù)計(jì)將創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益447．48萬美元，合人民幣2752萬元。
5．2間接經(jīng)濟(jì)效益
通過使用自制注漿器保證了各作業(yè)面按時(shí)開工，使其他作業(yè)工序能夠正常進(jìn)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(hù)，確保了洞口開挖順利進(jìn)行，為整個(gè)工程爭取了工期。手刮聚脲的平均厚度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，最小厚度不得小于設(shè)計(jì)厚度的90％。厚度可用針測(cè)法或割取20mm×20mm實(shí)樣用卡尺測(cè)量。
6結(jié)論與建議
采用以上方法對(duì)出現(xiàn)滲漏的接頭進(jìn)行了仔細(xì)的處理，后經(jīng)驗(yàn)收和靜水壓檢測(cè)，滲漏量為0．87L（/min．km）遠(yuǎn)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(yàn)也未發(fā)生管道滲漏現(xiàn)象，放空管道后進(jìn)管檢查，聚脲處理位置完好，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說明采用高強(qiáng)聚氨酯密封膠和SK手刮聚脲材料對(duì)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(dá)到6．4mm。具體計(jì)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(jì)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(dá)到6．4mm，此處膠圈最小壓縮量為1．8mm，膠圈壓縮量偏小就會(huì)產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象。由此可看膠圈設(shè)計(jì)就顯得非常關(guān)鍵，建議廠家針對(duì)不同管徑、管體環(huán)向剛度、工作內(nèi)壓等做好對(duì)應(yīng)管道的膠圈設(shè)計(jì)，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(shí)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