鋼管樁復合錨噴技術在水利工程邊坡開挖支護中的應用

摘" 要：為減少邊坡開挖工程量，減少施工對原地貌環(huán)境的影響，伊比利蘇水電站一級引水隧洞進口邊坡采用90°垂直邊坡開挖的方法。鋼管樁復合錨噴支護技術在水利水電工程邊坡開挖中是一種新技術。該文通過該技術在伊比利蘇水電站一級引水隧洞進口邊坡開挖施工中的應用，對鋼管樁復合錨噴技術進行介紹，積累相關施工經(jīng)驗，為類似工程施工提供借鑒。

關鍵詞：水利水電工程；垂直邊坡；鋼管樁；噴錨；應用

中圖分類號：TV541" " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2024）32-0193-04

Abstract： In order to reduce the amount of slope excavation and reduce the impact of construction on the original geomorphology environment， the entrance slope of the first-stage diversion tunnel of the Ibilisi Hydropower Station adopts a 90° vertical slope excavation method. Steel pipe pile composite bolting and shotcrete support technology is a new technology in slope excavation of water conservancy and hydropower projects. Through the application of this technology in the excavation of the entrance slope of the first-stage diversion tunnel of the Ibilisi Hydropower Station， this paper introduces the steel pipe pile composite anchorage and shotcrete technology， accumulates relevant construction experience， and provides reference for the construction of similar projects.

Keywords： water conservancy and hydropower engineering; vertical slope; steel pipe pile; shotcrete anchor; application

微型鋼管樁是將鋼管樁與微型樁技術結合起來的一種新型抗滑樁，具有“小徑高強”的特點，適應性強、安全度高、見效快、施工時間短、樁頂位移小，同時施工方便、減少開挖工程量。微型鋼管樁復合錨噴支護技術，在一些特定場合，尤其是在施工場地狹小，工程條件復雜的情況下，如90°高邊坡支護、基坑支護中，以其獨特的優(yōu)勢，逐漸受到工程人員的重視。目前該技術主要運用于地基加固、深基坑開挖支護、公路路基加固及邊坡支護施工中，在水電站高邊坡開挖支護施工中較為少見。本文通過探討伊比利蘇水電站高邊坡開挖支護工程中使用的鋼管樁復合錨噴技術，希望能推動該技術在水利水電工程中高邊坡開挖支護工程中的應用。

1" 工程概況

伊比利蘇水電站項目位于玻利維亞科恰班巴省科拉斯科區(qū)，總裝機279.88 MW，為兩級引水式電站。

一級引水隧洞進口邊坡覆蓋層厚約1～2 m，其下大部分為風化砂巖，邊坡坡度約45°，高約41 m，分為4層并預留3 m寬馬道，設計分層高度8～12 m。首層采用自然放坡開挖，坡比為2∶1，開挖高度約3～8 m；其余3層使用鋼管樁超前支護垂直開挖，分層高度約9～12 m。邊坡支護設計為鋼管樁復合錨噴支護體系，坡面抗滑結構為間距75 cm，直徑139.7 mm，壁厚12 mm的鋼管樁，樁頂澆筑60 cm×75 cm鋼筋砼鎖口梁；坡面錨固體系為Φ25 mm，L=12 m砂漿錨桿，單層?6 mm×150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土厚30 cm。其主要工程量：鋼管樁約3 759 m，錨桿約11 976 m，噴射混凝土約571 m3，鋼筋網(wǎng)片約3 812 m2，土石方開挖約21 169 m3。

2" 鋼管樁復合錨噴技術主要特點

從運用的角度來看，邊坡鋼管樁復合錨噴支護技術不僅適用于常規(guī)地基加固、深基坑開挖支護、鐵路公路路基加固及邊坡加固，也可適用于復雜地質(zhì)條件下邊坡支護，尤其是在地形地質(zhì)條件復雜、場地狹小高邊坡區(qū)域，鋼管樁復合錨噴支護技術都已被認可為是一種有發(fā)展前景的邊坡技術，其主要技術特點如下：①可適用土層、強風化巖體等不同地質(zhì)條件邊坡外，也適用于要求直立邊坡開挖支護，可廣泛運用于各種地質(zhì)條件下不同坡比邊坡支護、加固。②施工速度快，由于該項技術可以將支護施工區(qū)結構合理分塊分區(qū)，現(xiàn)場作業(yè)量小，對于大型工程可以多點施工。③鋼管樁基礎上結合了注漿技術，通過鋼管灌注的水泥漿及邊坡周圍巖土體形成了微型樁，水泥漿以壓力注漿的方式充滿巖土體空隙，與巖體充分結合，提高了摩擦角和黏聚力，從而對邊坡潛在滑動產(chǎn)生支撐作用，提高邊坡整體抗滑穩(wěn)定性。④設計施工的靈活性，鋼管樁可單獨使用，也可和其他支撐結構配合使用，如鋼管樁+錨噴支護，鋼管樁+預應力錨索等配合使用。⑤與錨桿、網(wǎng)噴砼結合，增強鋼管樁抗滑彎曲強度，同時上部樁頂鋼筋砼鎖口梁及下部鋼管樁錨入巖體，可增強鋼管樁整體抗滑穩(wěn)定性。

3" 施工布置

施工道路布置：經(jīng)1號主進場道路進入隧洞進口邊坡施工現(xiàn)場，洞口開挖施工道路在洞口開挖區(qū)布置，最大坡度15%，以通行反鏟和裝載機。開挖施工道路隨著洞口開挖的進展逐級下降。開挖施工道路主要承擔開挖過程中機械設備的通行及施工材料的運輸，施工中鉆孔設備和施工材料通過裝載機/反鏟運至開挖工作面。

施工場地布置：在開挖邊坡下方開闊部位布置作業(yè)平臺，包括袋裝水泥倉庫、小型材料和工具倉庫、空氣壓縮機、發(fā)電機等。

施工用電：前期施工用電設備有砼拌合機、砼噴射機、施工照明和電焊機等小型設備，采用200 kW柴油發(fā)電機供電即可滿足用電需求。

施工用風：在進場道路旁開闊地方布置空壓站，使用供風量為20 m3/min油動空氣壓縮機供風，主要為YT-28手風鉆、砼噴射機及邊坡噴錨前的基礎面清理供風。

施工用水：施工用水由附近小溪經(jīng)供水管道接入到工作面，并在開挖邊坡上方安置10 m3儲水罐，從儲水罐連接供水支管通過自流方式引至拌合機和噴錨機，以及開挖工作面。

4" 施工工藝

4.1" 土石方開挖施工

該邊坡主要由覆蓋層及變質(zhì)巖構成，現(xiàn)場進行開挖作業(yè)主要以反鏟為主，液壓錘配合，未進行爆破作業(yè)。單次開挖循環(huán)作業(yè)高度為3～4 m，每次開挖完梯段內(nèi)坡面噴砼，掛網(wǎng)及錨桿和排水管等支護作業(yè)緊跟進行。支護作業(yè)施工完成后，開始下一循環(huán)開挖作業(yè)。

放工前由測量隊至現(xiàn)場放出開挖邊線，并以打樁或是標示紅漆的方式標示開挖邊線點后，并對現(xiàn)場技術人員和施工作業(yè)人員進行交底。

根據(jù)測量人員所放的開挖位置，現(xiàn)場施工時對開挖點進行拉線，加密樁號標識點位置，開挖時用卷尺依照圖紙所示坡度進行檢測。

土方開挖高差以3 m為開挖高程，采用反鏟對開挖土方向邊坡外側堆積。在反鏟向邊坡外側甩土時，配置專人在道路入口側進行交通指揮，有車輛通過時通知反鏟停止工作，待車輛或設備通過后再開始工作。

4.2" 支護作業(yè)施工

4.2.1" 邊坡支護方式

微型鋼管樁+1.8 m×1.8 m間排距布置，直徑25 mm，長12 m的錨桿+一層6 mm×150 mm×150 mm的鋼筋網(wǎng)片+30 cm厚噴射砼；排水孔均為5 m×5 m間排距布置，排水管長為6 m。

在邊坡開挖完成后首先噴射一層10 cm厚的C30混凝土，噴射時按照3 m×3 m間距在邊坡上插入鋼筋，外露10 cm來控制噴射砼的厚度，噴射時需要用砼把鋼筋完全覆蓋住，確保噴射砼的厚度。

第一層砼噴射完成后開始進行排水孔的鉆孔，鉆孔使用D7鉆機進行，排水管使用直徑64 mmPVC管，長度50 cm，安裝前沿PVC管壁鉆孔，形成花管，然后外面包一層土工布，排水管外露坡面20 cm。排水孔安裝完成后安裝鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片使用?16鋼筋固定在坡面上。在噴射第二層砼前，對排水管管口作保護，以免噴射砼時堵塞排水孔。在鋼筋網(wǎng)片上綁扎20 cm長的鋼筋，間距3 m×3 m，噴射時將20 cm長鋼筋完全覆蓋，達到噴射要求的厚度。

4.2.2" 噴射砼作業(yè)要點

①噴射混凝土時，應按分段、分片由下而上順序進行，每段不超過6 m。②噴射作業(yè)時，噴嘴要垂直受噴面做反復緩慢均勻的螺旋形運動（直徑30～50 cm），噴嘴與受噴面保持一定的距離，一般取0.75～1 m。噴射機壓力不小于0.5 MPa。③清理巖面后，如有大面積的凹面，應先進行凹面補平，保證每層噴射厚度一致均勻。④如巖石破碎嚴重，噴射混凝土的附著能力差，噴第一層時，應使用加大速凝劑摻量的水泥砂漿，并適當減小噴射機的工作風壓，以便形成初噴殼，為后續(xù)噴射提供底層。⑤根據(jù)噴射部位選定合適的高壓風壓力和一次噴射厚度，使邊坡回彈量計劃控制在10%左右；噴射混凝土表面平整密實，無裂縫脫落現(xiàn)象，達到設計要求。⑥突然斷料時，噴頭應迅速移離噴射面，嚴禁用高壓氣體沖擊尚未終凝的混凝土。噴射工作結束后要認真清洗噴嘴。⑦噴射混凝土終凝2 h后應進行濕潤養(yǎng)護。

4.2.3" 錨桿施工方法

邊坡設計錨桿為下傾角，角度為15°，深度為12 m，錨桿直徑為25 mm，鋼筋材料要求為G60的鋼筋。安裝錨桿時采取先注漿法施工的方法。

①打孔：打孔前測量根據(jù)錨桿間距、錨桿設計角度放樣錨桿位置，并標注記錄孔距、角度等。使用D7鉆機進行造孔，造孔過程中隨時檢查調(diào)整孔距角度，符合設計要求。錨桿直徑Φ25 mm，孔徑Φ64 mm。②清孔：鉆孔完成后用高壓風、水聯(lián)合清洗，將孔內(nèi)松散巖粉粒和積水清除干凈；如果不需要立即插入錨桿，孔口應加蓋或堵塞予以適當保護，在錨桿安裝前應對鉆孔進行檢查以確定是否需要重新清洗。③錨桿安裝：12 m的錨桿末段必須具備良好的Φ19 mm×50 mm的絲桿。錨桿上每間隔2 m架立筋，以保證錨桿在空中始終處于中心位置。錨桿安裝完成后漿液達到強度必須盡快安裝錨桿的墊板、墊片、螺母，并使用擰緊扳手擰緊螺母。④注漿：先注漿錨桿，使用注漿管插入孔底，緩慢向上移動，保證孔內(nèi)注漿量滿足錨桿安裝。錨桿安裝后如無漿液溢出孔口，證明孔內(nèi)漿量不符合要求，需使用注漿管補滿孔中空余部分。安裝完錨桿后應使用扭力扳手機械轉(zhuǎn)動錨桿，使水泥漿能與錨桿充分黏合。

注漿完成后人工扣除高于基礎面的封堵材料，等待初期強度完成后，安裝錨桿墊板、墊片、螺母，并使用擰緊扳手擰緊螺母。

4.2.4" 排水孔施工方法

排水孔在第一層噴射砼和鋼筋網(wǎng)片安裝完成后進行，首先使用ATLAS COPCO D7型鉆機鉆孔，鉆孔孔徑76 mm，鉆孔深度6 m，間排距5 m。排水管采用?64 mm長度6 m的PVC管材，在PVC管壁上間隔20 cm鉆? 6 mm的孔，形成花管，然后在外側包裹一層土工布，使用扎絲綁扎牢固。安裝排水管外露坡面5 cm，完成后排水管孔口用適當材料保護，避免在噴射第二層砼時堵塞排水管。

4.2.5" 鋼管樁施工方法

①放樁位。在開挖邊線內(nèi)側30 cm處，放出孔位，孔位中心距為75 cm。樁位用鋼筋做好標記，并加以保護，以便鉆機施工定位。②成孔。采用HTM-400B型旋挖鉆機施工，鉆機安放平穩(wěn)，確保在鉆進過程中不產(chǎn)生位移和沉陷。人工開挖小型簡易泥漿池，選用膨潤土配制優(yōu)質(zhì)泥漿。將鉆桿抬至鉆機旁，啟動泥漿泵、鉆機，緩慢鉆進，泥漿泵把泥漿輸進鉆桿內(nèi)腔后，經(jīng)鉆頭的出漿口射出至孔底，冷卻鉆頭的同時帶動沉渣不斷地沿孔內(nèi)環(huán)狀空間上升到空口溢出，流進沉淀池返回泥漿池凈化，循環(huán)使用。每鉆進3 m，接一次鉆桿。因故停機時，應保證孔內(nèi)具有規(guī)定的水位和所需的泥漿比重及黏度， 且將鉆頭提出孔外，以防塌孔或掉鉆頭。鉆孔達到設計深度后，記錄員測量孔深并對孔底地質(zhì)判斷與設計無誤后進行記錄。在注水泥漿前，用換漿法清孔，將鉆頭提高至孔底約30 cm空鉆帶動孔底沉渣，泵入新泥漿，使鉆渣在孔內(nèi)旋浮上升至孔口流入沉淀池，要求孔底沉渣厚度小于等于5 cm。③下鋼管樁、注漿管、注漿成樁。鋼管樁標準節(jié)長度3 m，配備一定數(shù)量長度為1 m和2 m非標準節(jié)根據(jù)實際安裝長度進行組合，鋼管樁之間采用螺紋連接，第一節(jié)鋼管樁底部焊接十字鋼板便于漿液從孔底反出。待200 mm鉆孔成孔后，利用旋挖鉆機將鋼管（Φ139.7 mm）豎起，人工調(diào)整將鋼管插入孔正中位置，使用管鉗臨時固定上一節(jié)鋼管樁，吊起下一節(jié)鋼管樁進行連接，如此重復至孔底懸空10 cm后固定，鋼管中插入注漿管。注漿機需裝設壓力表，注漿壓力為0.5 MPa，水泥漿28 d強度要求達到25 MPa，水灰比嚴格控制在0.4～0.55，充盈系數(shù)大于等于1.3。注漿后暫不拔管，直至水泥漿從管外流出為止，拔出注漿管，密封鋼管端部，加壓數(shù)分鐘，待水泥漿再次從鋼管流出為止。由于一次注漿難以達到充盈系數(shù)及注漿壓力要求， 需要多次間隙注漿，一般為3到5次，直至管口翻漿為止。④鋼管樁冠梁。待本層鋼管樁全部注漿完成后，在鋼管樁頂部進行冠梁施工。冠梁為鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁，截面尺寸為60 cm×75 cm，鋼管樁頂部深入冠梁45 cm。⑤成樁質(zhì)量檢測。冠梁施工完成后繼續(xù)進行下一層開挖，已成型鋼管樁中心線外側土石方需進行挖除，注漿后的成型鋼管樁暴露10 cm，直觀進行了漿液成型和偏斜質(zhì)量檢測，灌注水泥樁完整度高，無蜂窩等缺陷，整體垂直偏斜不超過3 cm，滿足設計要求。

4.2.6" 變形監(jiān)測

在第一級馬道上利用地質(zhì)鉆機施工一個深度40 m的測斜孔，施工過程中和施工后使用測斜儀定期進行觀測，同時在成型后噴射混凝土面上設置若干個位置觀測點，使用全站儀定期觀測。施工結束后的2年觀測數(shù)據(jù)顯示該邊坡位移變形均在允許范圍內(nèi)，表明鋼管樁復合錨噴支護技術在水電站垂直邊坡開挖支護中加固及控制邊坡變形方面效果良好。

5" 施工機械及人員配置

施工機械配置見表1，施工人員配置見表2。

6" 效果評價

鋼管樁復合錨噴支護技術在玻利維亞伊比利蘇水電站一級隧洞進口邊坡上的應用，相比傳統(tǒng)放坡開挖施工方式減少了邊坡開挖高度22 m。這對項目環(huán)保和施工方面帶來一些明顯幫助，一是項目地處國家森林公園內(nèi)，環(huán)境保護要求嚴苛，減少22 m邊坡開挖極大地降低了隧洞進口邊坡施工對原始環(huán)境的影響；二是解決了項目進口邊坡開挖侵入大壩邊坡開挖范圍的問題，使兩者施工范圍相對獨立，不再互相干擾施工；三是一級隧洞進口邊坡施工處在項目關鍵線路上，其施工時間縮短，有利于項目整體施工進度；四是加固效果良好，邊坡變形得到有效控制。

7" 結束語

伊比利蘇水電站一級隧洞進口垂直邊坡開挖使用的鋼管樁復合錨噴支護技術，是在鋼管樁基礎上結合了注漿技術，通過鋼管灌注的水泥漿及邊坡周圍巖土體形成了微型樁，水泥漿以壓力注漿的方式充滿巖土體空隙，與巖體充分結合，提高了摩擦角和黏聚力，從而對邊坡潛在滑動產(chǎn)生支撐作用，提高邊坡整體抗滑穩(wěn)定性。同時邊坡設置了一定長度砂漿錨桿錨入巖體，并網(wǎng)噴30 cm后混凝土厚墻體提高了鋼管樁抗彎強度；此外在每排鋼管樁頂部澆筑鋼筋砼冠梁，使鋼管樁形成整體進一步增加其抗彎抗滑能力。該技術在本項目的成功應用表明鋼管樁結合注漿技術、常規(guī)錨噴支護體系和混凝土冠梁的復合型支護體系，適用于水利工程高邊坡開挖支護工程。在環(huán)境受限的情況下，鋼管樁復合錨噴開挖支護技術是水利工程中具有廣泛應用前景的高邊坡開挖技術，值得在類似工程施工中推廣應用。

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