大管棚進洞技術在涔天河水庫擴建工程中的應用

李光傳 楊志明

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程及項目概況

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開發的第一梯級，下距江華縣城12 km。該工程是具有灌溉、防洪、下游河道補水和發電，兼顧航運等綜合利用的大型水利水電樞紐工程，水庫正常蓄水位313.0m，防洪庫容2.5億m3，總庫容15.1億 m3，電站裝機容量 200MW，為Ⅰ等大（I）型水利水電樞紐工程。樞紐工程由鋼筋混凝土面板堆石壩、泄洪洞、放空洞、發電引水洞、電站廠房和灌溉渠首工程等主要建筑物組成。

左岸臨時交通隧洞工程是為了解決涔天河樞紐施工期間，庫區數萬人對外出行問題，屬于臨建工程,施工后期進口部分改造為至左岸灌溉渠首交通入口，設計開挖拱半徑6.9m，開挖最大洞高8.0 m、底寬12.5m。原設計進口處，掘進40m未見洞臉基巖出露（明挖近6萬m3）；由于表土植被清除、順層切腳和軟化夾層影響，加之2013年8月15~19日的連日暴雨，造成圍巖受泡富水飽和，仰坡地表多處產生裂縫，最終該交通洞進口洞臉EL315m以上邊坡出現大面積滑坡、垮塌，致使施工進洞困難，該洞口被迫廢棄，重新選擇洞口進洞，既浪費建設成本，也影響了工期。結合新洞口的地形、地質條件，設計采納交通鐵路系統的成功經驗，采用大管棚超前支護施工進洞。

2 超前大管棚支護進洞原理簡介

大管棚超前支護主要是沿隧洞襯砌外緣一定距離打入一排縱向鋼管作為灌漿管棚，通過鋼管上的孔向圍巖灌漿，利用漿液滲透作用填充圍巖裂隙，使管棚與周邊圍巖固結緊密，并堵住巖體裂隙水，提高管棚的強度和剛度，從而提高圍巖的整體承載能力，增大洞室圍巖自穩能力。另外，在管棚進口端一般設有導向墻基礎，另一端深入到隧洞圍巖，這樣可以對上部的破碎軟弱圍巖形成一個穩定的“簡支梁”支撐結構，此簡支梁可承受上部松動壓力或者傳遞上部荷載，起到承載、擴散和傳遞開挖釋放荷載的作用。

3 超前大管棚支護進洞措施

為保證順利進洞和施工安全，本工程采用了超前大管棚支護進洞方式：首先在預進洞位置處測量放樣，確保進洞洞頂部位基巖最小厚度（1～2）m，然后洞臉外側槽挖兩側導向墻，導向墻長度為4m；導向墻開挖到位后澆筑混凝土至圓拱腳部位，半挖半填（利用土石渣料）形成圓拱內模，拱圈內布置結構鋼筋、3榀I18鋼拱架、導向管，然后澆筑混凝土，混凝土與內側山體巖壁間不留縫隙。待頂拱混凝土達到設計強度75%以上，采用管棚鉆機快速成孔，插入管棚支護鋼管并灌漿，最后挖除明拱段預留巖體，進而進洞開挖施工，進洞后視圍巖破碎情況和灌漿固結情況及時進行鋼支撐等初期支護。

（1）導向墻及導向管施工。進洞前充分利用明拱段預留巖體阻滑，后期利用明拱段襯砌混凝土阻滑并“抬撐”管棚，同時兼做超前大管棚導向墻。在洞口管棚施工前，應先澆筑導向墻，導向墻采用C25鋼筋混凝土澆筑，長（3～4）m，厚1m。導向墻在洞口襯砌外輪廓線以外施工，導向墻內預埋Φ144mm、δ=6mm、L=4m間距40 cm導向鋼管，導向管的外插角為1°（偏角過小會侵入設計斷面造成欠挖，偏角過大可能造成大超挖）,為準確控制導向管沿拱圈環向布設間距、位置及方向，現場要求用全站儀或精密水準儀進行管棚和導向墻位置的放樣，采用經緯儀以坐標法在工字鋼架上定出導向孔口套管的平面位置，用激光導向儀設定孔口管的傾角，用前后差距法設定孔口管的外插角。導向管牢固焊接在工字鋼上，防止澆筑混凝土時產生位移。

（2）管棚鋼管制作。大管棚采用熱軋無縫鋼管Φ108mm、δ=6mm、L=30m，環向中至中間距 40 cm，管壁加工梅花狀灌漿花孔，孔眼直徑10mm，間距50 cm，前端管頭加工成錐形方便送入，管錐頭亦留有灌漿孔隙,以便灌漿加固巖體，其中大管棚尾部4.5m范圍不鉆孔，防止漏漿。管棚鋼管由現場反鏟直接送入或打入；鋼管接長部位為現場焊接（相鄰鋼管的接頭位置在環向相互錯開）。

（3）鉆孔。鉆孔采用管棚鉆機鉆孔，鉆孔直徑130mm。為控制鉆孔過長后，鉆頭自重下垂或與孤石鉆進方向漂移，鉆進過程應隨時用測斜儀量測角度和鉆進方向控制鉆孔的偏斜度，確保不侵占設計斷面也不偏離設計斷面過大；為防止周邊孔鉆孔震動造成先成孔局部塌孔，原則上要打一孔裝一管，鉆孔方向一般由高孔位向低孔位隔孔分序進行。

（4）灌漿。 初擬水泥漿水灰比 1∶1（重量比），灌漿初壓（0.5～1.0）MPa，終壓（2.0～2.5）MPa（漿液擴散半徑不小于0.5m），灌漿結束后采用砂漿封孔；全面灌漿前有必要對先灌孔進行灌漿試驗，并根據試驗的情況調整相應灌漿參數。灌漿采用孔口密封，灌漿順序則由兩側對稱自下而上逐孔灌漿；灌漿結束標準：灌漿壓力持續升高，接近或達到灌漿預定壓力時且無明顯進漿量結束。一般地下水豐富時可摻用水玻璃；對吸漿量大的巖體宜用水泥砂漿灌注，節約材料并可提高增強鋼管強度和剛度。灌漿情況見圖1。

圖1 洞內大管棚及灌漿情況

（5）洞內初期支護。大管棚超前支護后，洞內視具體開挖情況仍需做必要的洞內初期支護。本工程洞口段初期支護為系統錨桿梅花布置L=4m@1.5×1.5m+I18鋼拱架 （間距 0.5m～1.0m， 連 接 鋼 筋Φ25@1 000mm）+Φ8@200mm 鋼筋網+噴護 0.2m厚C20混凝土+永久支護0.5m厚C25鋼筋襯砌混凝土；除此，由于進口部位頂拱上部巖體較薄，為防止爆破松動，現場要求進洞后的首段5m范圍內禁止爆破，采用破碎錘撬挖方式掘進。

圖2為超前大管棚支護進洞施工流程圖。

4 施工注意事項

（1）疏排地表水、引排地下水、導向墻及鉆孔位置精度、灌漿都是制約大管棚超強支護進洞的關鍵因素；進洞開挖后，初期及時輔助支護也是大管棚支護成敗的關鍵，尤其是在巖體破碎、裂隙發育部位。

圖2 超前大管棚支護進洞施工流程圖

（2）導向墻澆筑前宜在隧洞進口臨空掌子面噴護一層素混凝土做止漿墻，防止壓力灌漿時出現漏漿浪費。

（3）鉆孔要求精度高，鉆孔偏差直接影響硐室開挖的超欠挖情況，故而要求開孔位置和終孔位置的準確性和同軸度，以免管棚送入時受卡，若出現局部卡鉆、塌孔，宜先灌漿再掃孔鉆進。

（4）采用控制爆破技術，如果爆破后超前支護的頂部被掏空，將會大大削弱其超前支護的效果。因此，在爆破時，須控制藥料、嚴禁超挖，以便使超前支護起到應有的作用。

（5）掌子面前方正面的坍塌往往會導致超前支護的失效。在選擇開挖方法時，應盡量降低開挖高度，采用半斷面正臺階法開挖，以保證掌子面的穩定。

5 結 語

超前支護措施在涔天河水庫擴建工程左岸臨時交通洞施工過程中效果顯著，洞臉頂部開挖高度1 m，幾乎不破壞植被及原狀土，進洞過程中洞臉無變形，掘進順利，大大縮短了進洞的工期，取得了顯著的經濟效益和社會效益,為涔天河水庫擴建工程今后施工的泄洪洞、發電引水洞積累了成功經驗，值得在類似工程中借鑒和推廣。