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1、钢衬压力管道围岩孔口封闭法无盖重固结灌浆施工工艺的研究及应用工作大纲1问题的提出通过固结灌浆提高围岩的承载能力和抗渗性能，以实现钢衬一回填混凝土一围岩联合受力从而达到减小钢衬厚度的目的是地下埋藏式钢衬压力管道的重要设计思路和惯常设计方法，但是，围岩承载能力和抗渗性能的提高必须依靠其预期的固结灌浆效果来保障。为了确保围岩固结灌浆的质量，达到提高围岩弹性抗力和抗渗性能的预期效果，当前惯常采用且成熟的围岩固结灌浆工艺就是在钢衬安装和周边回填混凝土浇筑后，在压力管道内钻孔穿过钢衬和回填混凝土实施盖重固结灌浆。对于采用普通强度（如Q235或Q345等）且厚度不大（不超过30mm）钢板衬砌的压力管道而言，
2、在钢衬安装后直接在钢衬上钻灌浆孔，或者在钢衬制作时预留孔洞作为灌浆钻孔的导孔都是可行的；但是，对于采用高强度（强度600MPa或以上级）或大厚度（36mm或更厚）钢板衬砌的高压管道，尤其是径厚比（内径/壁厚之比）较小的高压管道，在制作钢衬的卷板、组园、焊接过程中会产生较大的环向拉应力，在制作成型的钢衬管节上开孔将会产生巨大的应力集中，从而在孔口附近发生钢板开裂的风险，即使制作钢衬时在孔口部位的外壁增设补强钢板也难以降低开孔所引起的应力集中。在这种情况下，惯常采用的在钢衬安装和周边回填混凝土浇筑后，再钻孔实施围岩固结灌浆的施工程序就无法实施了，因此，只有倒换施工作业顺势，即先实施围岩固结灌浆、再
3、安装钢衬和浇筑周边回填混凝土,才能避免在高强度或大厚度钢板上钻灌浆孔所引起的钢板开裂的风险。无盖重固结灌浆已经成功应用于如二滩、构皮滩、溪洛渡等大坝的基础加固，并在雅碧江锦屏二级水电站的引水隧洞围岩固结灌浆中得到使用，这些大坝坝基或隧洞围岩均为中硬岩坚硬岩，岩体较完整，节理裂隙不发育或轻微发育，采用传统的孔口阻塞法灌浆工艺。由于质量良好，孔口部位岩体较完整，栓塞能在孔口固定，孔口周边的岩体不会因栓塞膨胀的径向压力或灌注浆液的轴向推力产生破坏，但是，由于栓塞密封了其固定部位的孔壁裂隙，致使与栓塞等长的孔口段（约3050cm）无法直接灌注，而恰恰是围岩最表层由于受到爆破扰动和开挖剥露，卸荷作用最为
4、明显，所产生的卸荷裂隙更需要灌浆来填充，这是孔口阻塞法灌浆工艺的重大缺陷。但是，如果钢衬压力管道位于节理裂隙较发育强烈发育的非坚硬、较破碎破碎岩体中，孔口部位的表层围岩能否承受栓塞膨胀的径向压力或浆液灌注的轴向推力而不产生破坏，即栓塞能否稳定地“卡在孔口”是必须给予高度关注的问题。为了能够提供足够的摩阻力以可靠地固定栓塞，通过加大栓塞长度来减小栓塞膨胀应力是技术可行且操作简单的方法,但这将导致更长的孔口段无法得到直接灌注围岩最表层的卸荷裂隙不能填充密实，固结灌浆无法达到预期效果。因此，研究一种能有效灌注孔口段的无盖重灌浆工艺成为了妥善解决非坚硬、较破碎破碎岩体中钢衬压力管道围岩固结灌浆的当务之
5、急。2工程需求实例2.1 天全河锅浪跷水电站的压力管道引水调压井下游压力管道主管长690m,内径5m,由上平段（底板高程1186m）、中平段（底板高程1078m）、下平段（底板高程978m）及上、下竖井段组成；下平段接由两个丫形岔管分出的三条内径2.70m的支管，最长一条支管长94m：压力管道承受水头l20350m,全部采用钢板衬砌，外包微膨胀混凝土厚60cm。压力管道位于弱风化微新二长花岗岩体中,岩体以碎裂状结构为主,节理裂隙发育,完整性较差，以IV类围岩为主，局部HI类围岩；多条小断层横穿压力管道，破碎带宽0.300.40m,组成物质为碎块及碎屑夹泥，断层破碎带及影响带属V类围岩。设计文件
6、规定，压力管道应全程实施围岩固结灌浆；由于中平段以下钢板厚度较大，或采用了高强钢板且支管径厚比较小，不允许在钢衬上开设灌浆孔。2.2 老挝南俄In水电站的压力管道引水调压井下游压力管道总长1624m,其中主管上平段长27.48m,上弯段转弯半径为22.8m轴线弧长35.80m；竖井段高64.73m,平面转角43。连接下弯段；下弯段转弯半径为22.8m,轴线弧长34.67m；下平段长648.82m,纵坡5%；主管内径7.6Om,钢筋混凝土衬砌厚70cm。锥管和分岔管内径7.603.30m,其中锥管长12m,内径由7.6Om渐变为5.80m,钢筋混凝土衬砌厚IoOCm。主管通过两个Y岔管分为三条支
7、管进入发电厂房，1号岔管位于机组中心线上游75.12m,其下游经过一个半径13m、转弯角度32。的转弯连接位于机组中心线上游55.08m的2号岔管，岔管及支管均为水平布置，主管内径5.80m,1号岔管的分岔支管内径3.30m450m,2号岔管分岔支管内径3.30m,支管长度分部为52.6Im和76.46m之后连接锥管渐变为内径2.45m与水轮机蜗壳连接。压力管道自主管渐变段末端开始采用WDB620级高强钢板衬砌，主管壁厚2465mm,岔管壁厚74m,全长均设置200x20mm、间距120Cm的加劲环。钢衬高压管道绝大部位位于弱风化砂板岩体中，为中硬岩，节理裂隙较发育，均为NV类围岩，局部质量较
8、好的为In类围岩，设计规定IV、V类围岩应进行全程固结灌浆。由于所承受的内水压力超过500m水头，衬砌采用高强度钢板，设计文件规定，不允许在压力管道的钢衬上开设灌浆孔。3围岩无盖重固结灌浆工艺分析在成功采用无盖重固结灌浆的工程实例中，无论是大坝基础固结灌浆还是隧洞围岩固结灌浆，岩体均为中硬岩或坚硬岩，节理裂隙不发育或轻微发育，结构较完整完整，栓塞能够在孔口固定并在灌浆作业过程中保持稳定。为了阻止灌浆浆液从表面张开裂隙中串漏逸出，保持灌浆压力并达到结束标准，隧洞围岩一般采取挂网喷射混凝土封闭岩石表面,大坝基础则采取先用填缝材料全面封堵建基面张开裂隙，在灌浆过程中采取限压限流控制浆液的扩散范围或速
9、度、间歇灌注逐步填充并配合速凝嵌缝材料封堵少数发生串漏逸出的表面张开裂隙的措施。尽管栓塞部位的孔口段不能得到直接灌注，但是，通过采取上述措施后，都能在不发生或发生可接受的少量表面漏浆的情况下逐步提高至设计灌浆压力、达到结束标准而顺利完成灌浆。针对表层局部因未得到直接灌注而检查发现的质量不合格部位，通过增补少量灌浆孔实施盖重固结灌浆来弥补，均能达到预期的灌浆效果。但是，对于非坚硬、较破碎破碎岩体中的压力管道围岩无盖重固结灌浆，如果仍然采用传统的孔口阻塞法灌浆工艺，由于岩体节理裂隙发育,岩性较软弱且完整性较差,将会面临两个难以克服的难题：(I)由于岩石承载能力低，为了提供抵抗灌注浆液的轴向推力所需
10、要的摩阻力并防止孔口段孔壁岩石挤压破坏,不能通过加大栓塞的膨胀使之与孔壁之间产生适宜的径向接触应力，只能增加栓塞长度，通过加大接触面积来增加径向正压力，导致更长的最需要将裂隙填充密实的孔口段无法得到直接灌注,造成围岩固结灌浆难以达到预期效果，表层质量检查不合格的状况高频率发生，通过增补孔加密灌浆不仅增加费用、延长工期，而且未必能达到预期效果。(2)由于岩石抗剪强度也低，随着浆液压力的逐步升高，浆液对栓塞的轴向推力持续加大，孔口周边岩石由于受到栓塞轴向推力的剪切作用，可能会发生剪切（上抬）破坏，导致栓塞失去固定的基础，灌浆作业无法正常实施。基于上述两个难以克服的难题，采用传统的柱塞式栓塞阻塞孔口
11、实施围岩无盖重固结灌浆的施工工艺无法达到预期加固效果，为了确保全孔特别是表层孔口段能够得到有效灌注以使裂隙充填密实，最好的方法是从表面封闭孔口实施灌浆。4孔口封闭措施及器具的设想传统的孔口封闭法灌浆工艺适用于大坝坝基及其两岸山体的高压深孔帷幕灌浆，在灌浆过程中，浆液从伸入孔底的射浆管进入孔内，在孔内上升过程中一部分透过孔壁进入裂隙，另一部分则从孔口返回。孔口封闭法灌浆工艺需要使用孔口封闭器，孔口封闭器由带有活动密封的连接件与钢制孔口管连接，将压力浆液作用在孔口封闭器上的轴向推力传递给孔口管。钢制孔口管一般镶铸在盖重混凝土内，当盖重混凝土较薄时则穿过盖重混凝土深入第一个灌浆孔段。但是，对于钢衬压
12、力管道围岩的无盖重固结灌浆而言，由于没有孔口管固定孔口封闭器并承受灌注浆液的轴向推力，因此传统的孔口封闭器无法使用。如果要保证整个孔段特别是表层孔段都能得到直接灌注并完全填充裂隙,最有效的措施是从围岩表面“旱住”孔口实施灌注，为此，需要设计并制作一种类似“密封罩”的器具密贴于孔口周边将孔口“罩住”。这种“密封罩”应能够像栓塞一样快速安装就位及拆移，既能够方便地固定在孔口部位的岩石表面，在灌浆浆液的顶推力作用下仍能保持与岩石表面的密贴”状态且浆液不会外漏，还应能快速拆除并转移到其它灌浆孔再次方便地安装就位。基于能够快速安装和拆移这一前提条件,任何需要依赖钻孔周边的构筑物或附加设施来实现孔口封闭的
13、其它措施均无法达到孔口封闭器的快速安装和拆移。如果依赖钻孔周边的构筑物，对于大断面洞室其连接件长且重量较大，人工安装和拆移非常困难，依靠设备在压力管道内操作也非常不方便；对于小断面洞室，连接件将不可避免地占用本身就跟狭窄的压力管道内部空间甚至阻断，压力管道，不仅造成通行艰难，还可能引起灌浆作业的各项操作无法正常、方便地进行；同时，对于不同位置的钻孔，其连接的尺寸各不相同，并且连接件的安装和拆除都需要耗费较长的时间。如果采用附加设施，则每个钻孔均需设置,不仅工作量大增加费用多，而且施工和拆除所耗费的时间可能比正常的灌浆操作时间还要长。因此，依靠钻孔和器具自身实现孔口封闭就成为了最为合理的选择。要
14、实现孔口封闭，就必须将孔口封闭器稳定地固定在孔口并能在灌浆过程中始终保持与孔口岩面密贴而不漏浆，如果不依靠任何附加设施，孔口封闭器就只能依靠钻孔来固定。参照孔内阻塞法灌浆工艺固定柱式橡胶栓塞的基本原理,将类似柱式橡胶膨胀栓塞的固定在被灌注的表层孔段以下作为锚固组件,位于岩石表面的孔口密封组件通过拉杆与孔底锚固元件联结,在孔口密封组件的顶部安装一套与拉杆联结的压紧组件,将拉杆的锚固力转换为对孔口密封组件的压紧力以使孔口密封组件与孔口岩石表面密贴,能够在灌浆压力作用下部发生浆液渗漏。为了能够使浆液能够实现从孔底进入、沿钻孔上升并在孔口返回的循环，将连接拉杆采用无缝钢管制作，底部管壁钻孔作为射浆管；
15、上部孔口密封组件上设置联通孔内外的回浆元件。基于其工作原理，将这种封闭孔口的器具称为“橡胶柱塞内锚式孔口封闭器”。主要组件及其要求如下：（1）锚固组件：为一类似柱式橡胶膨胀栓塞的组件，直径与灌浆孔直径相适应，长度由平衡最大灌浆压力下浆液对孔口密封元件的轴向推力即锚固元件所能提供的摩阻力计算确定，锚固组件内应有能通过旋转使柱塞膨胀或回缩的部件，且该部件能与连接拉杆兼射浆管联结固定。（2）连接拉杆兼射浆管：由厚壁无缝光管制作，长度为灌浆孔段长度加孔外需要的出露长度，底部为与锚固组件联接固定的配套接口，且旋转连接拉杆不会使其与锚固组件脱开；孔口外适当位置加工与压紧组件配合的外螺纹;无缝钢管的规格由其
16、承受的最大拉力即灌浆压力下浆液对孔口密封元件的最大轴向推力计算确定。（3）孔口封闭组件：由密贴于岩石表面的橡胶垫板、钢制压板以及联通孔内外的回浆部件组成，钢制压板焊接在回浆部件的外罩上并与橡胶垫板紧密粘合；回浆部件外罩外径宜比灌浆孔径小46mm,钢制压板和橡胶垫板的直径宜为灌浆孔径的3倍,橡胶垫板的厚度应满足在设计最大灌浆压力下与岩面密贴所需要的压缩量要求，钢制压板的厚度应能在设计最大灌浆压力下保持不发生挠曲。（4）压紧组件：由与拉杆外螺纹配合的内丝套筒（或大螺母）、弹性垫圈、密封圈及其垫板等组成；拧紧内丝套筒（或大螺母）通过弹性垫圈、带密封圈的垫板向孔口密封组件施加压紧力，使橡胶垫板与岩石表面达到密贴状态，其接触压力不小于最大灌浆压力并有一定的安全余度；内丝套筒（大螺母）的长度应满足提供橡胶垫板与岩石表面之间所需要接触压力的要求，该套筒（大螺母）可采用焊接在其上的手柄操作，也可采用适宜尺寸的管钳操作。橡胶柱塞内锚式孔口封闭器在安装和灌
