自制簡(jiǎn)易注漿器在境外隧洞工程施工中的應(yīng)用

陳長(zhǎng)貴 楊玉銀 黃 浩 劉志輝 陳建林 陳 斌 朱小龍

（中國(guó)水利水電第五工程局有限公司 四川成都610066）

0 引言

隨著我國(guó)的國(guó)力越來(lái)越強(qiáng)大，國(guó)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(chǎng)。以水電工程為例，國(guó)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(chǎng)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(guó)家。在這些國(guó)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(jiǎn)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(guó)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?guó)家難于買到，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270 km，距離古蘆75km。尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長(zhǎng)8553.290 m、2#尾水洞長(zhǎng)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250 m，8#支洞進(jìn)口段100 m，9#支洞進(jìn)口段100 m，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9.40 m；IV類圍巖開挖斷面呈城門洞形，開挖斷面寬8.44m、高7.30 m。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φ25mm螺紋鋼注漿錨桿，長(zhǎng)度分為1.5m、3.0 m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φ42mm鋼管、長(zhǎng)度分3.0 m和4.5m兩種間隔使用，共計(jì)9190根；系統(tǒng)注漿錨桿采用φ25mm螺紋鋼，長(zhǎng)3.0 m，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(chǎng)的大口徑鋼管及烏干達(dá)市場(chǎng)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。

圖1 自制注漿器實(shí)物圖

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(jiǎn)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(lái)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)

圖2 自制雙筒注漿器結(jié)構(gòu)圖

自制雙筒注漿器制作材料主要采用已進(jìn)場(chǎng)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(jiǎn)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(guó)內(nèi)采購(gòu)且已經(jīng)進(jìn)場(chǎng)的外徑φ165mm鋼管，壁厚4.0 mm，內(nèi)徑φ157mm；鋼管上部和底部均采用厚4.5mm的φ165mm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φ89mm、壁厚3.0 mm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（φ42mm）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0.5～1.0 MPa。注漿壓力采用阿特拉斯.科普柯（無(wú)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φ25mm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5～10 m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φ58mm鋼管，壁厚2.5mm，長(zhǎng)15cm；中間設(shè)有φ58mm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(zhǎng)20 cm，高15cm，主要材料為2.0 mm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φ25mm鋼管，壁厚2.0 mm，高15cm；中間設(shè)φ25mm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φ25mm鋼管，壁厚2.0 mm，長(zhǎng)15cm；中間設(shè)φ25mm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φ25mm鋼管，壁厚2.0 mm，長(zhǎng)15cm；中間設(shè)φ25mm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φ25mm鋼管，壁厚2.0 mm，長(zhǎng)15cm；中間設(shè)φ25mm內(nèi)螺紋球閥，作為排放漿液的開關(guān)。

4 使用情況

在國(guó)內(nèi)采購(gòu)的注漿器未到位的情況下，項(xiàng)目部自制簡(jiǎn)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(guó)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(wàn)美元，合人民幣1078萬(wàn)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(wàn)美元，合人民幣2752萬(wàn)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(zhēng)取了工期。

表1 各作業(yè)面完成工程量及產(chǎn)值情況

6 結(jié)束語(yǔ)

在烏干達(dá)卡魯瑪水電站尾水隧洞8#支洞、9#支洞、尾水出口工程施工中，在國(guó)內(nèi)采購(gòu)的注漿器沒到位的情況下，利用已經(jīng)進(jìn)場(chǎng)的大口徑管材和烏干達(dá)市場(chǎng)上能買到的小口徑管材、球閥、鋼板等材料，成功研制了單筒注漿器和雙筒注漿器，很好地解決了三個(gè)作業(yè)面大量錨桿和小導(dǎo)管注漿問題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。該注漿器具有制作工藝簡(jiǎn)單、材料易于采購(gòu)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，值得在國(guó)內(nèi)、國(guó)外同類工程中推廣應(yīng)用。