一种灌浆钻孔导向定位装置在混凝土衬砌中的应用

钦 传 涛， 张 辉

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

向家坝水电站南总干渠首部取水隧洞工程全长4.8 km，隧洞混凝土衬砌为圆形断面，衬砌后的直径为6 m，采用全圆针梁台车进行混凝土衬砌施工。灌浆工程在混凝土衬砌施工完成后统一进行，南总干渠的围岩大部分为Ⅳ～Ⅴ类，少量为Ⅱ、Ⅲ类围岩，多为新鲜、紫红色粉砂质泥岩夹砂岩、泥质粉砂岩，局部为互层状。粉砂质泥岩岩性软弱，强度低，以中厚～薄层状为主。主洞控制段灌浆工程的施工项目有：回填灌浆、固结灌浆。回填灌浆压力为0.3 MPa，固结灌浆压力为0.8 MPa(渐变段固结灌浆压力为1 MPa)，固结灌浆宜在该部位的回填灌浆结束7 d后进行。

南总干渠首部取水隧洞主洞控制段灌浆工程施工项目有：回填灌浆、固结灌浆，回填灌浆工程量为32 646 m2，固结灌浆段工程量为34 576.55 m。回填灌浆分布在顶部120°范围(布置3～5个孔)，固结灌浆每断面布置12个孔，相邻夹角为30°，同一断面上固结灌浆孔兼回填灌浆孔使用。在衬砌混凝土施工完成后，待混凝土龄期达到要求后进行隧洞灌浆施工，灌浆施工时先回填后固结，回填灌浆入岩10 cm，固结灌浆入岩400 cm。灌浆孔位布置情况见图1。

回填灌浆孔排距为3 m，分布在顶拱120°范围内，根据不同围岩类别，每断面布置3～5个孔；固结灌浆孔排距为3 m，为全断面分布，相邻孔位夹角为30°，每断面共计布置12个孔。据统计，主洞控制段回填、固结灌浆孔共计12 261个，在混凝土衬砌施工完成后、灌浆工程施工时，需对12 261个孔进行钻孔灌浆。灌浆工程施工所面临的技术重、难点问题为：

图1 回填、固结灌浆孔位布置图

(1)灌浆工程钻孔时，如何避开一期支护中的钢拱架、锚杆及混凝土衬砌钢筋；

(2)根据设计图纸要求，灌浆工程孔位应与岩面垂直(呈90°夹角)。因此，如何保证钻孔角度成为难点；

(3)为了保障灌浆工程的施工进度，如何保证钻孔作业的一次成孔率成为重点；

(4)因灌浆工程施工时混凝土衬砌已全部施工完成，因此，如何减少对混凝土衬砌表面的破坏、降低质量缺陷及后期修补成本需要重点关注。

2 灌浆钻孔导向定位装置的准备工作

针对以上重、难点问题，项目部采取了重点对导向定位装置的关注。布置导向定位装置的目的是在保证工程质量的前提下提高灌浆工程钻孔的一次成孔率，减少对混凝土衬砌表面的破坏，降低后期缺陷的修补费用，保障灌浆工程的施工进度，节约施工成本。

为解决以上问题，所采取的解决办法是：在混凝土衬砌施工前，通过对针梁台车进行改造，预先按照设计图纸中灌浆孔的位置及参数对针梁台车进行开孔，并在孔口位置设置封孔的固定装置；通过与设计、业主、监理单位进行沟通及市场调查，合理选取预埋灌浆套管材料的规格、型号；在混凝土衬砌浇筑前、台车就位后提前在针梁台车模板上对灌浆套管进行预埋、加固及封孔。

其内容主要包括以下几点：

2.1 台车改造(孔位布置)

南总干渠首部取水隧洞工程采用12 m段全圆式针梁台车进行混凝土衬砌施工。在混凝土开始施工前，根据灌浆图纸中的相关参数对针梁台车进行开孔处理，每断面共计12个孔，相邻夹角为30°，衬砌混凝土每单元长度为12 m，灌浆预埋管排距为3 m，每单元共计48个孔。

取水隧洞工程混凝土衬砌施工采用φ3 m+6.02 m全圆针梁台车，单块模板长度为1.5 m。在针梁台车上开孔时，开孔位置于奇数块模板中心位置，单排共计12个孔，间距为1.576 m，排距为3 m。

2.2 套管材料的选备

取水隧洞工程在开挖阶段存在多处、多点渗水情况。为保证在混凝土衬砌工程施工完成后、启动灌浆工程前，防止预埋灌浆套管出现锈蚀、破损等现象，在灌浆预埋套管的选材上，经项目部与业主、监理、设计共同讨论、研究及市场调查、询问后，最终确定预埋灌浆套管选用φ60×3.5 mm镀锌管(内径为53 mm，壁厚为3.5 mm)。镀锌管与传统钢管相比具有以下优势：

(1)不易生锈，抗锈蚀能力强；

(2)价格低、质量轻、使用寿命长；

(3)抗腐蚀能力强；

(4)操作简单、使用方便。

2.3 孔位结构、尺寸及开孔

开孔前，在针梁台车模板上将灌浆孔位置及尺寸(开孔直径为60 mm的圆形孔)用红油漆标注，标注完成后，用钢卷尺对灌浆孔位的间排距及开孔直径进行检查；若检查其参数满足规定值要求，则截取一根灌浆套管(长度为45 cm)，采用所截取的单根镀锌管对新开孔位逐一进行核对，以保证灌浆套管能够穿过新开孔位；若测量值不符合要求时应及时进行处理，直至满足规定要求。

台车开孔完成后，在距孔口左右两侧4 cm(纵向)处焊接六角螺栓，螺栓规格为M16×50 mm，螺栓焊接完成后，对焊接部位距孔口的位置进行测量并记录参数，根据六角螺栓与孔口之间的数值，在封孔板上对照相应的参数进行开孔，封孔板选用Q235R，厚10 mm钢板，钢板加工后其结构尺寸为140 mm×60 mm×10 mm，开孔部位孔径为18 mm，开孔位置在钢板中心处。封孔板结构尺寸见图3。开孔完成后，将钢板开孔位置套入六角螺栓的螺杆上进行检测，以保证封孔板上的开孔能够穿过六角螺栓的螺杆。螺栓结构见图2。

图2 六角螺栓结构尺寸示意图

图3 封孔板结构尺寸图

3 施工工艺

施工准备→预埋套管制作→台车就位→预埋套管安装、固定→封孔保护。

3.1 施工准备

在针梁台车上的新开孔位前，对进场队伍进行安全、技术、质量交底及岗前培训，重点对针梁台车新开孔的技术参数及部位进行详细的技术交底，以保证在台车上实施开孔前能够指导现场人员施工。

3.2 预埋灌浆套管的制作

预埋灌浆套管材料选用规格型号为φ60×3.5 mm的镀锌管。针梁台车就位前，根据设计图纸及现场实际情况制作预埋灌浆套管。南总干渠混凝土衬砌厚度以40 cm(C型断面)占多数，D型断面衬砌厚度为50 cm、E型断面衬砌厚度为60 cm、渐变段衬砌厚度为60～100 cm，入喷混凝土3 cm，套管外漏2 cm，即预埋灌浆套管单根长度为45 cm(根据不同断面类型参数制作与其相对应长度的灌浆套管，以满足现场施工要求)。

3.3 预埋灌浆管的安装与加固

在混凝土衬砌钢筋制安前，首先对钢筋制安及预埋套管位置进行精确的测量放样，将预埋管位置用红油漆标识，在混凝土衬砌钢筋制安时避开灌浆管位置且分布筋位于预埋灌浆管下2 cm。预埋管位置测量放样定位后，采用电镐在喷混凝土上将预埋管位置凿入3 cm，孔径为75 mm，以保证台车就位后灌浆管能够入喷混凝土面、起支点作用。

针梁台车就位后、灌浆套管安装时，应垂直于台车模板，一端延伸至预先已凿开的喷混凝土面内，针梁台车模板处外漏2 cm左右，外漏部位采用预先已焊接完成的六角螺栓套加封孔板后外加套丝螺母进行固定。安装完成后，在浇筑混凝土过程中应安排专人进行检查，防止其松动，发现预埋套管松动时应及时处理，预埋灌浆套管安装、加固情况见图4。

3.4 封孔保护

图4 预埋灌浆套管安装、加固示意图

(1)有预埋灌浆孔部位。

预埋灌浆套管安装完成后，在新开孔位口模板上采用焊接六角螺栓套加封孔板后外加套丝螺母的方式进行封孔、固定，六角螺栓螺杆直径为16 mm、长度为50 mm。螺帽直径为23 mm、厚度为12 mm。在混凝土衬砌浇筑及混凝土振捣时，安排专人对预埋的灌浆套管“勤检查、多敲打、及时处理”，以保证所插入的灌浆管不会因混凝土下料及振捣而发生扰动。

(2)无预埋灌浆孔部位。

根据设计单位下发的灌浆图纸要求，南总干渠首部取水隧洞工程固结灌浆并非全洞段连续施工，但针梁台车上的固结灌浆孔位已全部进行了开孔作业，在无灌浆施工部位封孔时，采用预先制作的封孔塞与焊接六角螺栓套加封孔板后外加套丝螺母的方式进行封孔、固定，封孔塞底部塞帽直径为75 mm、厚度为5 mm；塞身厚度为10 mm，直径为55 mm。无灌浆部位封孔断面情况见图5，封孔加固情况见图6，孔塞结构尺寸见图7。封孔塞的作用是防止在混凝土衬砌浇筑过程中混凝土浆液从台车预埋灌浆管部位流出而影响混凝土施工质量，现场实际封孔效果见图8。

3.5 注意事项

为保证后期灌浆工程中钻孔顺畅，在预埋灌浆套管时应注意以下事项：

图5 无灌浆部位封孔断面图

图6 封孔加固(详图B)示意图

图7 无灌浆部位封孔塞结构尺寸示意图

图8 无灌浆部位封孔效果图

(1)混凝土衬砌施工时，所预埋的φ60镀锌管应避开一期支护的钢拱架、锚杆以及用于混凝土衬砌施工前安置的钢筋；

(2)若与一期开挖支护阶段安装的钢拱架位置发生冲突时，调整φ60镀锌管位置，其偏差应小于5 cm并在孔口固定，浇筑过程中应重点对该部位进行检查、处理，防止在混凝土衬砌浇筑、振捣时预埋灌浆管位置发生位移；

(3)预埋灌浆管应与混凝土面垂直(呈90°夹角)；

(4)混凝土衬砌浇筑完成后，拆模时应及时对预埋的φ60镀锌管实施保护和管口修补。

4 技术先进性分析与结论

该预埋灌浆套管装置在实际运用过程中较传统方式优势明显(表1)。

通过在混凝土衬砌施工过程中采用预埋灌浆钻孔导向及定位装置，笔者得出以下结论：

(1)在混凝土衬砌施工阶段预埋灌浆套管，简单、有效地避开了开挖支护阶段安置的钢拱架、锚杆以及用于混凝土衬砌施工前安置的钢筋，为后期灌浆工程的顺利推进奠定了坚实的基础；

(2)通过预埋灌浆钻孔导向、定位装置，保证了后期灌浆钻孔的角度，大幅度提高了灌浆钻孔的一次成孔率，保障了施工进度；

(3)预埋灌浆导向、定位装置后，在灌浆工程施工时大幅度降低了混凝土衬砌表面的破坏程度，提高了混凝土衬砌外观质量的得分率，同时亦节约了缺陷修补产生的费用；

(4)通过对灌浆导向定位装置的研究及应用，保证了施工进度，提高了工程质量，得到了业主、监理的一致好评。业主邀请北总干渠葛洲坝施工局到我单位承建的南总干渠施工现场参观、学习、借鉴经验，为北总干渠即将施工的混凝土衬砌工程方案编制和台车选择及改造提供了便利；同时也提高了中国水电五局在中国长江三峡集团公司的影响力，为单位树立了企业品牌形象，获得了良好的口碑。

5 结 语

针梁台车开孔成型后，针对不同的围岩类别均可使用，预埋灌浆套管防腐防锈能力强、价格低、使用寿命长，只需在台车就位后由人工进行安置、固定即可，其操作简单、安装方便，有效地解决了后期灌浆施工时钻孔的角度问题、无法避开用于一期支护的钢拱架及衬砌安置的钢筋、破坏混凝土表面而产生的质量缺陷等一系列问题，加快了后期灌浆施工的进度，降低了缺陷修补费用，保证了灌浆工程施工的质量。

表1 传统方法与预埋灌浆套管装置技术先进性对比表