某引水隧洞管棚法施工技術的分析

陳懷均

(中國葛洲壩水利水電集團二公司,成都,610091)

1 工程概況

桐子林水電站頭道河溝堆渣場,位于壩區右岸下游約1.4km的頭道河溝內,自溝口向里約60m至1250m段為堆渣區。頭道河溝長年流水,作為堆渣區,需對溝水進行處理。該堆渣場溝水處理為電站附屬工程,屬小型引(排)水工程。

頭道河溝溝水處理工程由擋水壩、泄水洞和出口明渠等組成。擋水壩采用土石壩,最大高度14m,壩頂高程1024m,壩頂軸線長110m。引水隧洞洞長630m,過水斷面(城門洞形)為5.5m×8m～6.2m(寬×高),進口底板高程1011.00m,出口底板高程1001.60m,采用鋼筋混凝土襯砌,混凝土襯厚0.5m。出口明渠長110m,明渠底寬5.5m～20m。

引水隧洞由前段隧洞和后段明渠組成,最小開挖洞徑6.8m×7.35m,洞軸線方向為S61°E,沿線地形較為完整,無較大的沖溝切割。引水隧洞圍巖由三迭系白果灣群粉砂質頁巖、炭質頁巖夾中薄層粉砂巖、砂巖組成,洞段內無較大的斷層通過,但構造擠壓強烈,巖層產狀零亂,總體產狀N0～ 40°E/NW20°～65°,總體上與洞軸線呈較大角度相交。根據《中小型水利水電工程地質勘察規范》(SL-93)的圍巖分類,洞段巖體主要為Ⅴ類圍巖,洞身段局部為Ⅳ類圍巖。

2 不良地質洞段分析

引水隧洞進水口位于右岸,進口段樁號K0+0～K0+45m,基巖裸露,巖性為炭質頁巖夾砂巖,弱風化 ,巖層產狀為 :N0 ～ 30°E/NW60°,走向與坡面近于一致,巖層順坡傾斜,為順向坡。洞口表層分布有層厚2m～3m的細砂巖,其下為粉砂質頁巖,巖性較弱,軟硬相間巖層會影響洞臉邊坡穩定,采取鋼支撐措施。該段隧洞圍巖為風化卸荷區,且埋深小于35m,巖性以粉砂質頁巖、炭質頁巖為主,多呈散體結構,為Ⅴ類圍巖。

洞身段樁號K0+45m～K0+574m,該段隧洞圍巖以粉砂質頁巖、炭質頁巖為主,夾少量粉砂巖、砂巖,總體為軟巖類,層狀結構,巖層構造擠壓強烈,層間、層內錯動帶常見,且多為軟弱面,巖體破碎、軟弱,圍巖自穩能力差。大部分洞段圍巖具流變特性,施工時多次出現邊墻、底板塑性變形,總體上屬Ⅴ類圍巖,局部為Ⅳ類圍巖,成洞條件差。

泄水隧洞出口段樁號K0+574m～K0+630m,上覆巖體較薄,風化卸荷強烈,圍巖極不穩定,成洞條件差,為Ⅴ類圍巖,必需超前支護,全部加固襯砌。

3 引水隧洞管棚設計參數

3.1 管棚尺寸參數

引水隧洞管棚尺寸參數主要包括管棚的長度、鋼管直徑、鋼管壁厚及隧洞內工作室的尺寸參數。

進水口位于右岸,管棚的長度為45m,泄水隧洞出口段管棚長度為56m,管棚直徑為φ89mm,管棚壁厚為6mm,中間用同直徑的壁厚10mm～12mm鋼管車絲扣連接。

3.2 管棚位置參數

引水隧洞管棚中心位置距開挖線20cm～30cm,開孔位置偏差為±2cm。管棚傾角根據地質情況及隧洞坡度確定,外插角為 0°至1°。環向間距根據現場地質條件、管棚管徑確定,進口段樁號K0+0～K0+45m環向間距為25cm。泄水隧洞出口段K0+574m～K0+630m環向間距40cm。

3.3 管棚注漿參數

引水隧洞管棚注漿壓力為 0.8MPa～1.2MPa,水泥普通硅酸鹽酸PO32.5MP,漿液配比按0.8∶1或1∶1配制,注漿量根據管棚管徑和管棚長度確定。注漿結束用M20砂漿填充,以增強鋼管的剛度和強度。

3.4 管棚施工精度

送管時采用管棚導向儀進行鉆孔測斜,發現偏差及時調整鉆進角度(進孔角度)。

引水隧洞管棚打設傾角偏差根據管棚長度一般都能控制在±0.5°以內,外插角控制在 3‰以內,管棚長度誤差控制在±30cm以內。

由于管棚施工過程中成管快,注漿能及時跟進,因此上覆地層沉降基本上為零沉降。

4 引水隧洞洞身段支撐施工

洞身段樁號K0+45m～K0+574m,以短進尺、多循環為指導思想,全斷面開挖掘進,循環進尺為1.5m;用 YTP-28氣腿鉆鉆孔,自制臺車作為鉆孔和裝藥平臺,側卸裝載機裝渣,5t自卸汽車運輸;采用中心掏槽、周邊光面爆破方法施工(鉆爆設計見圖1)。

圖1 鉆爆設計

對于Ⅳ～Ⅴ類巖石,隧洞開挖時根據實際揭露的地質條件調整爆破參數,對不良地質地段采取短進尺、密布孔、少藥量爆破。

鋼拱架襯砌,初擬每m布置一榀鋼拱架,若圍巖較差則適當減小間距。洞室開挖放樣的同時,對上一循環開挖斷面進行復核,發現欠挖時用紅油漆做好標記并注明欠挖程序,下一循環開挖時,首先對欠挖進行處理。

洞內采用跟進支護,即出渣以后馬上進行支護施工,然后再掘進。對出現的不良地質洞段,采取超前支護(即布置超前錨桿)。支護形式主要為鋼支撐、砂漿錨桿、掛網、噴混凝土相結合。

鋼支撐間設縱向連接筋,并噴混凝土填平。鋼支撐架立后盡快噴混凝土作業,并將鋼支撐全部覆蓋,使鋼支撐與噴混凝土共同受力。噴射混凝土分層進行,每層厚度5cm～6cm左右,先從拱腳或墻處向上噴射,以防止上部噴射料虛掩拱腳(墻腳)噴射不密實,造成強度不夠,拱腳(墻腳)失穩。鋼支撐如圖2所示。

圖2 鋼支撐示意

5 隧洞采用管棚法施工

5.1 概述

在引水隧洞開挖過程中,經常會遇到破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段,在這類地質條件下開挖,如果不進行超前預支護,很容易發生坍塌事故,給項目部造成經濟損失,增加工程成本,影響工程施工進度和施工質量。

當引水隧洞施工需下穿已有線路或建筑物及河流、湖泊時,如果不進行超前預支護,很容易造成隧道上既有線路或建筑物的沉降,以及河流、湖泊的涌水而帶來的各種安全隱患。

對于引水隧洞施工過程中遇到上述情況,在早期隧道開挖時,主要采用插板法、小導管超前注漿法、淺層地表錨桿注漿加固法等進行超前預支護。但這幾種支護工法都有一些不足,就是支護范圍和深度有限,加固強度不足,難以形成高強度支護整體,而且往往需要多個循環才能穿越需支護地層段。這樣,不僅造成現場窩工、停工等情況,嚴重影響施工進度,而且有時其安全性也難以保證。

管棚工法是采用專用鉆機將鋼管沿隧道開挖輪廓線外一節一節地打入需支護地層中的預定位置,然后進行注漿,通過漿液在圍巖中的擴散,形成一個類似鋼筋混凝土的拱形帷幕,從而達到支護開挖線外側圍巖的作用。隨著施工技術的不斷改進,管棚工法得到了普遍的利用,特別是在導向跟管鉆進等技術及多種新的施工工藝引入后,管棚施工的精度、打設長度、沉降控制及施工工效有了長足的發展。

5.2 管棚法施工原理

5.2.1 利用簡支梁作用的原理。由于管棚的直徑大、剛度大,同時又是較密排布置,當鋼管兩端支撐梁的剛度達到足夠大后,開挖引起的變形量非常小,這時候管棚就相當于一道簡支梁,阻隔隧道開挖時釋放應力對圍巖的作用。

5.2.2 利用水泥漿液的流動性和圍巖的裂縫或孔隙,使注入的水泥漿液能與土體進行粘合而形成一種類似混凝土的固結體,從而起到加固圍巖土體的功能,對于含水較小的地層還能起到一定的止水效果。

5.3 管棚法施工的作用

5.3.1 提高圍巖土體強度,提高開挖線拱部土體承載力,加固隧洞圍巖,確保隧道施工安全。在隧洞穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段時,管棚的這種作用比較明顯。

5.3.2 控制地表沉降。在隧洞穿越線路、下穿已有建筑物、構筑物等時,管棚的作用主要就是控制地表沉降,防止已有線路、建筑物和構筑物因隧道開挖而遭到破壞,確保已有線路、建筑物和構筑物的安全,保證隧洞開挖的順利進行。

5.4 管棚法的優點

管棚法與前期超前預支護工法相比,具有明顯的優點,主要表現在以下幾方面:

(1)管棚法所采用的鋼管具有較高的鋼性強度,而且管徑相對較大,能夠承載較大上部負荷;

(2)管棚法的注漿可以使漿液在管棚鋼管周圍沿著土體縫隙進行擴散,不僅能起到加固土體的作用,而且還能起到一定的止水效果;

(3)管棚法打設的鋼管長度較大。目前施作管棚長度可以達到100m以上,這樣可以大大地減少預支護循環次數,加快施工進度;

(4)管棚法能夠通過專用導向儀精確控制管棚鋼管鋪設的軌跡線,確保管棚鋼管按設計要求鋪設,有利于控制隧道施工時的開挖量,減少施工成本;

(5)最新技術可以在軟弱地層中高精度一次性打設數百米的管棚;

(6)管棚法因為采用大功率的水平定向鉆機,施工效率比較高,大幅度地減少隧道開挖過程中的輔助時間,提高施工效率。

6 結語

管棚工法是隧洞開挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制圍巖變形的一種預支護手段,其主要原理是在隧道開挖之前,沿著隧道開挖輪廓線外的設定部位水平鋪設鋼管,并可以通過鋼管向圍巖注漿,對管棚周圍的圍巖進行加固,使管棚成為隧道后續開挖的防護傘(棚),達到安全施工的目的。

管棚法在隧洞施工中用于極破碎地層、坍方體、巖堆等地區,是一種行之有效的施工方法。隧洞開挖的方法應在保證安全和質量的前提下,根據圍巖類別、斷面尺寸、支護方式、工期要求、施工機械化程度和施工技術水平等因素選定。所以在隧洞開挖中采用管棚法施工,對安全順利施工,縮短建設工期有著現實意義。

〔1〕袁光裕主編.水利水電施工.北京:中國水利水電出版社,1995.

〔2〕付元初等.水利水電工程施工手冊(第3卷).北京:中國電力出版社.2005.5.