管棚支護在水電站引水隧洞施工中的應用

黃世生

(福建省寧德市水利水電工程局, 福建 寧德 352100)

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管棚支護在水電站引水隧洞施工中的應用

黃世生

(福建省寧德市水利水電工程局, 福建 寧德 352100)

在水電站引水隧洞施工過程中，當遇到不良地質情況時會增加隧道開挖難度，如果不及時采取相應的處理措施會導致隧洞出現坍塌。本文以實際工程為例，對管棚支護施工法的設計方案及管棚支護法的施工技術進行探討，取得了良好的應用效果。

引水隧洞； 管棚支護； 處理效果

1 工程概況

蒲洋水電站是位于平溪干流梯級開發的第六級混合式開發水電站，樞紐主要有攔河壩、引水隧洞、升壓開關站、廠房等主要建筑物構成。電站總裝機容量為1.3萬kW。該標段隧洞工程主要由進水口、引水隧洞、調壓井、高壓水道和2條施工支洞等構成。引水隧洞長度為3018.86m，引水隧洞開挖直徑為4.6m；調壓井為阻抗式，調壓井總施工高度為52.1m，開挖直徑為7.0 m；高壓引水水道長度為172.6m，開挖直徑為4.0～2.96m；導流隧洞的長度為157m，開挖尺寸為5.4m×6.4m城門型斷面。

2 工程地質條件

導流洞所在地區沿線地形變化比較大，上部覆蓋巖的厚度為30～50m，圍巖巖性為含黑云母的花崗巖，圍巖一般為弱風化。

引水隧洞沿線地形表現為起伏波狀，隧洞上覆山巖體的厚度為60～180m，圍巖巖性為含有黑云母的花崗巖，巖石堅硬、致密，沿線發育的大部分斷層和隧洞線交角比較大，一般為60°～80°，F5、F6兩條斷層和隧洞線交角只有20°～30°，在一定程度上影響了隧洞的穩定性。壓力隧洞圍巖一般為弱—微風化，圍巖完整性好，并且基本處于穩定狀態。斷層破碎帶圍巖為強風化，隧洞進水口、過沖溝和遇斷層破碎帶在開挖過程中出現坍塌和掉塊的情況，并且有豐富的地下水。破碎帶長度約為60m。

3 管棚架構設計

管棚架構如下圖所示，管棚位于隧洞頂拱120°～150°之間，相鄰管孔距離0.4m，孔深為12～18m。工程上借助地錨鉆機或地質鉆機，采用風動潛孔鉆具形成管棚。鉆孔內具有大量鋼管群，形成方式有兩種，向孔內壓入鋼管和邊鉆孔邊壓入管。同時通過插入鋼筋和注入水泥漿來增加鋼管的剛度。鋼管常選用熱軋無縫鋼管，規格一般為φ80×8或φ114×10。工程上常通過巖體灌漿來凝結斷層帶散狀物，灌漿孔規格為φ8×3，間距30cm，大大減少了斷層帶散狀物噴出以及地下水的涌入。

為了保障管棚良好的支撐作用，工程開挖輪廓線外邊頂拱固結厚度大于1m，保障相鄰管棚間的搭接長度為1.5m。同時，管棚需要與工字鋼(h=16cm)的支撐結構組成聯合受力體，管棚鋼支撐間距一般控制在兩端1m、中間2m。管棚支撐結構中洞室的開挖需與管棚超前支護交替施工，在管棚保護下進行洞室鉆爆開挖[1]。按照標準洞門型進行洞室開挖的主要目的是為了保障鋼支撐結構始終處于良好的受力狀態下。

管棚支撐架構圖(單位：m)

4 管棚支護架構施工技術要點

4.1 開挖洞口和防護坡面

a.開挖洞口。工程借助CAT320反鏟挖掘機采用從上至下的順序開展洞口土方挖掘工作，邊坡、仰坡需一次性到位。

b.防護坡面。工程上常通過掛鋼筋網并噴混凝土的方式對坡面進行坡面防護。通常為了固定坡面，先在開挖面上噴1～2cm的C20混凝土。當該混凝土強度達到一定標準時，需在深入坡面約50cm處灌入φ22的砂漿錨筋，規格為1.5m×1.5m。支護正式開展掛網噴混凝土工程，鋼筋網結合實際支護圍巖面起伏狀態，采用了φ8圓鋼鋪設，網格規格為20cm×20cm，鋼筋網距離初噴的混凝土層超過3～5cm，鋼筋保護層厚度大于3cm，整個鋼筋網與錨桿之間采用多點牢固連接[2]。此外，鋼筋網噴射厚度為10cm的C20混凝土。

4.2 導向管安裝施工

導向孔一般選用預留方式。當完成支洞口的開挖工作后，工程施工人員需在距支洞開挖線100cm外澆灌厚100cm的C20混凝土，進行支洞鎖口。在混凝土澆灌土墻前要安裝好φ110的薄壁鋼管作為導向管，該導向管安裝需借助經緯儀進行準確定位，同時需要準確設計導向管角度與方位，并且導向管需深入洞臉坡面10cm。

4.3 施工平臺建設

為了便于鉆機安裝，施工平臺需要采用枕木搭成井字臺結構，搭建時要搭設牢固，避免鉆進鉆孔時出現平臺搭建不均勻而下沉、位移及晃動等現象。

4.4 管棚鉆孔施工

管棚支護工程質量好壞的關鍵在于鉆孔施工是否高效完成，鉆孔精度高低，孔壁是否光滑、不掉塊、不塌陷都影響著管棚支護效果[3]。因此，鉆孔前要結合施工場地進行現場調研分析，找出所有可能對鉆孔質量產生影響的因素，并根據因素設計方案，確保鉆孔質量。鉆孔前要對鉆機放置位置、鉆桿方位角和傾角進行詳細確認，確保導向管軸線和鉆具軸線在同一位置。

鉆孔過程中要結合地層對鉆機的速率、壓力進行動態調整，確保鉆孔精度。同時要實時借助側斜儀對鉆孔偏斜度進行測量，及時調整偏斜程度，避免出現偏斜太厲害導致下鋼管時鉆孔精度、孔壁光滑度不達標，出現塌陷、掉塊問題。

4.5 鋼管頂入施工

鋼管要嚴格按照管棚要求進行加工，通常首根鋼管為錐型頂端。為了確保斷面漿液均勻，需按間距布置一定量的孔距100mm、出漿孔徑10mm的梅花形鋼管。

當鉆孔深度達到要求時退出鉆桿，采用高壓風槍進行清孔，將加工完成的鋼管通過長8～10cm的絲扣內外緊密銜接在一起，依次逐根將鋼管頂入孔內，相鄰鋼管絲扣部位需錯開1.0m，整個斷面絲扣和不超過50%。要嚴格依照鉆機的立軸方向，確保孔口方向準確。鉆孔與鋼管的安裝要同步進行，即鉆一孔馬上安裝鋼管同時灌漿。由于漿液凝固需要時間，故常選用間隔鉆孔[4]。

4.6 向鋼管內灌漿

注漿常在鉆孔、鋼管安裝完成后馬上開始。灌漿前需密封鋼管與導向管間隙，避免漿液外流，同時在孔口開設氣孔。灌漿時，常先低壓、中流量進行注入，之后慢慢提升壓力，減少流量。當壓力達到最終壓力時，持續注漿5min之后結束注漿。通常注漿采用由內到外、由上而下的順序進行，即按照支洞頂部內排孔到外排孔，再到兩側墻孔，先上部孔，后下部孔施工。灌漿結束后24h可進行爆破，當出現以下情況時可判定灌漿結束。

a.灌漿壓力滿足最終設計值，灌漿量超過設計漿量90%。

b.灌漿壓力沒有到設計值，灌漿量已滿足設計漿量。

c.灌漿壓力超過灌漿終壓80%時，發生跑漿現象等。

4.7 工程施工中發生的問題

工程開挖后發現，管棚灌漿前期的超前支護土層借助于膠體凝結成整體，其支護效果良好。但是施工中仍出現了以下幾個問題：

a.因地質原因所鉆孔會發生漏風、不排渣的情況，導致鉆孔過程中常出現卡鉆及鋼管頂入不到位的問題。處理辦法：放慢鉆孔速度，多次進出，鉆進10cm退出20cm，同時借助高壓風持續吹動，放慢鉆進速度，進一退二或退三，排渣正常后，添加鉆桿[5]。

b.由于硬-可塑黏土黏性較強，采用風動沖擊不能正常排渣。處理辦法：黏土加水成泥漿排出。

c.鉆孔中部分水平鉆孔會彎曲朝向隧道設計斷面。處理辦法：增加上抬量，動態監測軸線與襯砌外緣夾角變化。

4.8 管棚施工質量分析

工程技術人員結合工程特殊的地質情況，借助管棚支護與鋼拱架形成縱、橫全方位的整體支護體系，極大程度防止圍巖變形，確保支護結構與圍巖同時受力，提升了“圍巖-支護體系”的承載力。結合后期運行地表未出現明顯的沉降變形情況，管棚支護結構的使用極大程度上確保了安全施工和該洞段后期的安全運行。

5 結 語

綜上所述，該引水隧洞施工過程中，受地質條件影響，隧洞開挖過程中很容易出現塌方，會對施工進度造成影響。為了保證隧洞施工的順利開展，該工程使用管棚超前支護的方法進行處理，有效解決了地質方面的問題，取得了良好的支護效果。

[1] 陳懷均.某引水隧洞管棚法施工技術的分析[J].四川水利，2011(3)：47-49.

[2] 鐘久安，蘇剛鋒，陳敏.管棚支護技術在大直徑引水隧洞塌方處理工程中的應用[J].地質裝備，2015(3)：39-42.

[3] 鄒本東，冀紅偉，杜士斌.采用超前灌漿和超前管棚對接技術通過突水突砂地質災害洞段[J].水利技術與管理，2008(5)：51-54.

[4] 李發揚.管棚支護在大發電站引水隧洞施工中的應用[J].四川水力發電，2006(5)：85-87.

[5] 孔祥政.科卡科多水電站引水隧洞灌漿加固方法[J].中國水能及電氣化，2014(12)：15-18.

Application of pipe roof support in the construction of hydropower station diversion tunnel

HUANG Shisheng

(Fujian Ningde Water Conservancy and Hydropower Engineering Bureau, Ningde 352100, China)

In the process of hydropower station diversion tunnel construction, tunnel excavation difficulty can be increased when poor geological conditions are encountered. If corresponding solutions cannot adopted timely, tunnel collapse will be produced. In the paper, actual project is adopted as an example for discussing the design plan of pipe roof support construction method and construction technology with good application effect.

water diversion tunnel; pipe roof support; treatment effect

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.004

TV732

B

1005-4774(2016)12- 0013- 03