隧洞工程施工中自制简易注浆器应用

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0引言

随着我国的国力越来越强大，国内的大型施工企业已经占领了包括非洲在内的很多基础设施建设市场。以水电工程为例，国内水电工程开发已经步入后水电时代，水电工程的主战场已经转移到一些基础设施比较落后的发展中国家。在这些国家存在着设备、物资匮乏，一些急需主要施工设备难于买到等问题，但为了能按业主要求按时开工，工程技术人员必须想方设法利用现有材料和当地能买到的材料、物资，设计研制满足工程施工要求的简易施工设备。在乌干达卡鲁玛水电站尾水隧洞前期施工中，由于国内注浆设备尚未到达，开工必须使用的锚杆、小导管注浆设备在当地及周边国家难于买到，因此项目部必须利用现有管材和当地能买到的材料、物资自行设计研制。

1工程概况

卡鲁玛水电站尾水隧洞工程位于乌干达境内的卡尔扬东哥地区卡鲁玛村，距离乌干达首都坎帕拉270km，距离古芦75km。尾水隧洞共两条：1＃尾水洞长8553．290m、2＃尾水洞长8459．911m，开挖断面呈平底马蹄形，开挖洞径宽13．7～14．8m，高13．45～14．8m，隧洞总投资5．9亿美元，是目前世界上规模最大的尾水隧洞工程。尾水隧洞包括8＃支洞、9＃支洞、尾水出口三个作业面。根据设计，尾水出口250m，8＃支洞进口段100m，9＃支洞进口段100m，均为IV～V类围岩。支洞进口段V类围岩开挖断面呈马蹄形，开挖断面宽10．64m、高9．40m；IV类围岩开挖断面呈城门洞形，开挖断面宽8．44m、高7．30m。三个作业面洞脸及两侧边坡均采用锚网喷支护形式，锚杆采用准25mm螺纹钢注浆锚杆，长度分为1．5m、3．0m和4．5m，总计6527根；尾水出口及8＃、9＃支洞口段IV～V类围岩，采用超前注浆小导管和系统注浆锚杆支护，超前注浆小导管采用准42mm钢管、长度分3．0m和4．5m两种间隔使用，共计9190根；系统注浆锚杆采用准25mm螺纹钢，长3．0m，总计8542根。

2设计思路

上述注浆锚杆及注浆小导管均采用自制注浆器进行注浆。自制注浆器主要包括浆液容器、浆液入口料斗、进料管、高压进风管、浆液出口、排浆管、排气管及阀等几部分。主要材料以已经进场的大口径钢管及乌干达市场易于买到的小口径钢管、阀门为主。浆液容器采用大口径钢管制作，其他部位均采用小口径钢管；阀门采用相应的小口径阀门；浆液入口料斗采用薄钢板制作。根据以上思路，首先在8＃支洞制作了单筒注浆器，应用效果良好。随后单筒注浆器在9＃支洞推广应用，其缺点是浆液容器偏小，每桶浆液只能注3个3m深锚杆孔或2个4．5m深锚杆孔。为了解决这个问题，在尾水出口作业面施工中，将单筒注浆器作了进一步改进，浆液容器由单筒改为双筒，如图1所示，即单筒注浆器改进成了双筒注浆器，有效提高了浆液容器的容量，从而有效提高了灌注工作效率。下面以尾水出口自制双筒注浆器为例，对其设计情况进行简要介绍。

3注浆器设计

尾水出口自制双筒注浆器结构，见图2。主要包括浆液容器、进风管、料斗、进料管、排气管、出浆管、排浆管及相应管径阀门等部分。

3．1工作原理

自制双筒注浆器主要用于锚杆、超前小导管的孔内或管内注浆。首先关闭进风管阀门并将空压机打开，然后关闭注浆器底部排浆管阀门，将按照设计要求拌制的水泥浆或砂浆通过进料斗灌入浆液容器内，再关闭进料管阀门并打开底部出浆管阀门，同时将注浆管插入锚杆孔或超前小导管内，接下来打开进风管阀门，容器内浆液就在空压机高压气体作用下通过底部出浆管、连接软管和注浆管将浆液注入锚杆孔或小导管内，注浆管随着浆液的注入缓慢地从孔内或管内拔出，最后关闭进风管阀门，打开排气管阀门，释放容器内高压气体，这样就完成了浆液注入的整个过程。

3．2结构设计

自制双筒注浆器制作材料主要采用已进场的大口径管材和乌干达易于买到的小口径管材、阀门、钢板和角钢等，各部位设计情况简要介绍如下：

3．2．1浆液容器设计

（1）浆液容器制作。浆液容器主体应采用大口径钢管制作，采用国内采购且已经进场的外径准165mm钢管，壁厚4．0mm，内径准157mm；钢管上部和底部均采用厚4．5mm的准165mm圆形钢板。鉴于8＃支洞、9＃支洞制作的单筒注浆器浆液容量偏小，在尾水出口作业面施工时，对单筒浆液容器进行了改进，采用了图2所示双筒浆液容器，两个单筒浆液容器之间采用外径准89mm、壁厚3．0mm钢管连接。

（2）灌注能力计算。经计算，双筒浆液容器总容量V筒＝32381．6cm3；3m深锚杆孔（准42mm）容浆量V3m＝4156．3cm3；4．5m深锚杆孔容浆量V4．5m＝6234．5cm3，因此，双筒注浆器灌注能力计算如下：①灌注3m深锚杆孔数：n1＝V筒/V3m＝7．79，取n1＝7（孔）；②灌注4．5m深锚杆孔数：n2＝V筒/V4．5m＝5．19，取n2＝5（孔）。

（3）注浆压力。锚杆注浆压力仅需0．3～0．5MPa；超前小导管注浆压力要求达到0．5～1．0MPa。注浆压力采用阿特拉斯．科普柯（无锡）压缩机有限公司生产的YA3－022462－EW536866型移动式空压机提供，额定工作压力1．03MPa，满足锚杆、小导管注浆压力要求。注浆压力通过图2中进风管上的准25mm球阀进行控制。为减少风压损失，施工中尽量减小注浆器距锚杆孔、小导管孔的距离，宜控制在5～10m以内。

3．2．2进料管设计进料管布置在右侧浆液容器的顶部，主要作用为浆液进入容器的通道，采用外径准58mm钢管，壁厚2．5mm，长15cm；中间设有准58mm内螺纹球阀，主要用于浆液灌注施工时，封闭浆液容器。

3．2．3进料斗设计进料斗在进料管的上部，是浆液注入容器的接收口，上口呈正方形，边长20cm，高15cm，主要材料为2．0mm厚钢板。

3．2．4进风管设计进风管布置在左侧浆液容器顶部，是空压机高压气体进入浆液容器的通道，给浆液注入锚杆孔或小导管孔提供动力，采用外径准25mm钢管，壁厚2．0mm，高15cm；中间设准25mm内螺纹球阀，主要用于控制高压气体的开关。

3．2．5排风管设计排风管布置于右侧浆液容器的右侧，主要用于注浆完毕，向容器内灌入浆液前，释放浆液容器内的高压气体，采用准25mm钢管，壁厚2．0mm，长15cm；中间设准25mm内螺纹球阀，作为释放高压气体的开关。

3．2．6出浆管设计出浆管布置于右侧浆液容器的底部，是浆液容器内浆液注入锚杆孔、小导管的输出通道，同时兼做注浆完毕的排浆管，采用准25mm钢管，壁厚2．0mm，长15cm；中间设准25mm内螺纹球阀，作为输出、排放浆液的开关。

3．2．7排浆管设计排浆管布置于左侧浆液容器的底部，主要用于注浆施工完毕排空容器内的浆液，采用准25mm钢管，壁厚2．0mm，长15cm；中间设准25mm内螺纹球阀，作为排放浆液的开关。

4使用情况

在国内采购的注浆器未到位的情况下，项目部自制简易单筒注浆器首先在8＃支洞开始试制应用，有效解决了洞口明挖边坡支护及进洞超前小导管、系统锚杆的注浆问题；随后在9＃支洞的施工中投入使用，应用效果良好，基本满足了施工要求。但是单筒注浆器存在容量小，灌注能力低等问题，于是，在尾水出口洞口明挖边坡支护施工中，成功地将单筒注浆器改进成了双筒注浆器，有效增大了浆液容器的容量，提高了自制注浆器的灌注能力，从而保证了国内注浆设备不到位的情况下，各个作业面按施工进度安排准时开工。

5经济效益分析

在乌干达卡鲁玛尾水隧洞8＃支洞、9＃支洞施工中，采用自制单筒注浆器，完成了洞口明挖边坡锚杆、洞口段超前小导管、系统锚杆的施工；在尾水出口施工中，采用自制双筒注浆器完成了洞口明挖边坡锚杆施工。

5．1直接经济效益

截止2015年1月7日，采用自制注浆器，三个作业面共创造直接经济效益174．39万美元，合人民币1078万元，见表1。到三个作业面洞口段IV、V类围岩开挖结束，预计将创造直接经济效益447．48万美元，合人民币2752万元。

5．2间接经济效益

通过使用自制注浆器保证了各作业面按时开工，使其他作业工序能够正常进行，顺利完成了8＃支洞、9＃支洞、尾水出口的洞脸及两侧边坡支护，确保了洞口开挖顺利进行，为整个工程争取了工期。手刮聚脲的平均厚度应符合设计要求，最小厚度不得小于设计厚度的90％。厚度可用针测法或割取20mm×20mm实样用卡尺测量。

6结论与建议

采用以上方法对出现渗漏的接头进行了仔细的处理，后经验收和静水压检测，渗漏量为0．87L（/min．km）远低于规范允许渗漏量3．0L（/min．km）的要求，并在后期通过多次输水检验也未发生管道渗漏现象，放空管道后进管检查，聚脲处理位置完好，未发现异常现象，说明采用高强聚氨酯密封胶和SK手刮聚脲材料对玻璃钢管道接头渗漏处理是可行的。鉴于玻璃钢管承插口接头周圈安装间隙较大，最小约2mm，若在安装和回填过程造成管道轴线发生一侧偏移，此接头局部最大间隙将可能达到6．4mm。具体计算：DN1200管道承口内径1266±0．3mm，插口外径1263+0．3～－0．8mm，橡胶圈长度1130×3．14mm，胶圈直径20mm，插口胶槽宽度尺寸30mm，深度（1263＋+0．3～－0．8－1242）/2＝10．5+0．3～－0．8mm，计算胶圈均匀拉伸就位在胶槽的直径为19．07mm，按照承插口结构尺寸，若承插口圆度均匀，接头局部可能最大间隙为4．1mm，胶圈最小压缩量为4．17mm；若承口椭圆，插口圆度均匀，接头局部可能最大间隙达到6．4mm，此处胶圈最小压缩量为1．8mm，胶圈压缩量偏小就会产生渗漏现象。由此可看胶圈设计就显得非常关键，建议厂家针对不同管径、管体环向刚度、工作内压等做好对应管道的胶圈设计，包括胶圈长度、直径、最小止水压缩量等相关指标的确定，同时做好胶圈材料质量控制。

作者：陈长贵 杨玉银 黄浩 刘志辉 陈建林 陈斌 朱小龙 单位：中国水利水电第五工程局有限公司