長(zhǎng)管棚在隧洞大塌方處理中的應(yīng)用

郭 鵬

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

遼寧某重點(diǎn)引水工程主洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面為圓拱斜墻型，Ⅲ類圍巖開(kāi)挖斷面為4 166 mm×4 750 mm(底×高)，Ⅳ類圍巖開(kāi)挖斷面為4 154 mm×4 950 mm(底×高)，Ⅴ類圍巖開(kāi)挖斷面為4 245 mm×5 200 mm(底×高)，Ⅴ類(極軟巖段)圍巖開(kāi)挖斷面為4 245 mm×5 500 mm(底×高)。

2018年3月14日主洞工作面出渣結(jié)束后掌子面樁號(hào)C23+376頂拱部位出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)大面積塌方，隨即噴射C25W8混凝土5 cm厚對(duì)掌子面及頂拱位置進(jìn)行封閉施工。但掌子面及頂拱部位出現(xiàn)噴射混凝土脫落現(xiàn)象，掌子面及拱頂位置繼續(xù)掉塊，局部出現(xiàn)塌方情況，最終塌方形成的堆積體將掌子面全部覆蓋，形成坡度約1∶1的塌方堆積體。

2018年3月15日、3月18日，業(yè)主、監(jiān)理、地質(zhì)設(shè)代組、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)代組、施工單位先后兩次到塌方部位進(jìn)行查看，最終確定了以下施工方案：塌方形成的堆積體暫不清除，在塌方堆積體坡腳處設(shè)置止?jié){墻，對(duì)塌方堆積體進(jìn)行水泥灌漿固結(jié)處理后清除。塌方及軟弱圍巖段采用管棚結(jié)合Ⅴ類圍巖鋼支撐協(xié)同支護(hù)的方式施工，視情況確定后續(xù)洞挖及支護(hù)施工方案。

2 所采用的施工方法

2.1 塌方堆積體封閉

沿垂直于堆積體表面方向打設(shè)φ22、L為0.5 m的錨筋，錨筋深入塌方堆積體40 cm，間排距為1 m，梅花形布置；堆積體表面鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距為150 mm；堆渣體表面設(shè)置直徑42 mm、壁厚3.5 mm的灌漿花管，間排距1 m，梅花形布置，與相鄰錨筋孔位間距0.5 m，管口安裝φ42球閥。上述工作完成后，在堆積體表面噴射30 cm厚的C25W8混凝土(圖1)。

2.2 止?jié){墻的澆筑

塌方堆積體坡腳處設(shè)置C20混凝土止?jié){墻，止?jié){墻沿垂直于洞軸線方向布置，墻高0.8 m，墻厚0.5 m。

圖1 塌方堆積體預(yù)埋固結(jié)灌漿花管布置圖

2.3 對(duì)塌方堆積體實(shí)施水泥固結(jié)灌漿處理

塌方堆積體的水泥灌漿按照環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則分兩序施工，單孔一次灌漿完成，灌漿壓力為0.5～1 MPa，灌漿材料采用水泥漿液，整個(gè)灌漿過(guò)程水灰比均采用0.5∶1(重量比)，在規(guī)定的壓力下，當(dāng)注入率不大于0.4 L/min時(shí)，繼續(xù)灌注30 min，灌漿可以結(jié)束。

2.4 管棚工作室的擴(kuò)挖及支護(hù)施工

為便于管棚施工，需對(duì)已按主洞Ⅲ類圍巖斷面開(kāi)挖及初期支護(hù)完成的洞段進(jìn)行擴(kuò)挖施工，擴(kuò)挖樁號(hào)范圍為C23+360.8～C23+371.25，其中C23+360.8～C23+361.8為擴(kuò)挖漸變段，C23+361.8～C23+370.2段為管棚工作室段，C23+370.2～C23+371.25段為管棚施工段。擴(kuò)挖完成后，采用錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、型鋼支撐等進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)(圖2)。

C23+360.8～C23+361.8段底板以上范圍噴射C25W8混凝土10 cm厚。

圖2 管棚工作室擴(kuò)挖及支護(hù)施工縱剖面圖

C23+361.8～C23+366段底板以上范圍打設(shè)φ22、L為3 m的系統(tǒng)錨桿，間排距1.05 m，梅花形布置，掛φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射C25W8混凝土，厚10 cm。

C23+366～C23+370.2段設(shè)置4榀I12型鋼支撐，縱向間距1.05 m，底板以上范圍設(shè)置φ22、L為3 m的系統(tǒng)錨桿，間排距為1.05 m，梅花形布置，掛φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，型鋼支撐間采用φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1 m，每榀型鋼支撐設(shè)置φ22鎖腳錨桿4根，每根長(zhǎng)度為3 m，置入角度為30°，在起拱線位置設(shè)置2處(每處2根)φ22鎖定錨桿，每根長(zhǎng)度為3 m，噴射C25W8混凝土，厚10 cm。

C23+370.2～C23+371.25段設(shè)置3榀I16型鋼支撐，縱向間距為0.525 m，底板以上范圍設(shè)置φ22、L為3 m的系統(tǒng)錨桿，間排距1.05 m，梅花形布置，型鋼支撐外緣掛φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，型鋼支撐間采用φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1 m，每榀型鋼支撐設(shè)置φ22鎖腳錨桿4根，每根長(zhǎng)度為3 m，置入角度30°，在起拱線位置設(shè)置2處(每處2根)φ22鎖定錨桿，每根長(zhǎng)度為3 m。

2.5 管棚施工

(1)安裝導(dǎo)向鋼管.

為保證管棚施工精度，在C23+370.2～C23+371.25段邊頂拱范圍內(nèi)安裝導(dǎo)向鋼管，導(dǎo)向鋼管采用直徑125 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，環(huán)向間距40 cm，單根長(zhǎng)度為1 m，導(dǎo)向鋼管作為管棚的導(dǎo)向管，其安裝的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確性直接影響管棚質(zhì)量，導(dǎo)向鋼管孔位采用測(cè)量放線定位，與3榀I16型鋼支撐上翼板雙面焊接牢固。

(2)導(dǎo)向拱圈混凝土澆筑。

在C23+370.2～C23+371.25段底板以上范圍內(nèi)設(shè)置1 m長(zhǎng)、80 cm厚的C20二級(jí)配素混凝土導(dǎo)向拱圈，將3榀I16型鋼支撐包于混凝土內(nèi)，整體一次性澆筑完成。

(3)管棚鉆孔。

管棚采用100B潛孔鉆機(jī)鉆孔，外插角為0°～3°。為保證成孔質(zhì)量，防止相鄰孔鉆進(jìn)時(shí)前面的成孔倒塌，鉆孔采用跳孔施工，先施工奇數(shù)孔，后施工偶數(shù)孔。成孔后及時(shí)安裝管棚鋼管，管棚鋼管由鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)頂進(jìn)。在鉆孔過(guò)程中如遇涌水、溶蝕洞穴、塌孔或掉塊不易成孔時(shí)，需經(jīng)預(yù)固結(jié)灌漿處理后再進(jìn)行管棚鉆孔的施工。灌漿花管布置在I16型鋼支撐起拱線以上頂拱范圍內(nèi)，灌漿花管采用直徑42 mm、壁厚3.5 mm的鋼管從樁號(hào)C23+371.25開(kāi)始，環(huán)向間距40 cm，沿洞軸線方向縱向間距2.1 m，單根長(zhǎng)度4 m。管棚鉆孔完成后，采用高壓風(fēng)反復(fù)掃孔，清除孔內(nèi)浮渣。

(4)裝 管。

管棚設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為21 m，采用φ76、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，通過(guò)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)頂入孔內(nèi)，每節(jié)鋼管長(zhǎng)度為4～6 m，鋼管接頭采用厚壁管箍，每一管端絲扣長(zhǎng)度不小于150 mm；管棚前端14 m范圍內(nèi)每隔10～20 cm交錯(cuò)鉆眼，孔徑為6～8 mm，梅花形排列。鋼管在同一截面內(nèi)的接頭數(shù)量不能超過(guò)管數(shù)的50%，必要時(shí)在鋼管內(nèi)增加3～4根φ25鋼筋組成的鋼筋束用以增加管棚的剛度。

(5)注 漿。

管棚注漿采用水泥漿液，3SNS灌漿泵配灌漿自動(dòng)記錄儀全孔一次灌漿完成，注漿時(shí)先注奇數(shù)孔，后注偶數(shù)孔。管棚灌漿前，向靠近上游方向的拱圈側(cè)面噴射C25W8混凝土，厚10 cm。防止注漿時(shí)跑漿，灌漿壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件實(shí)時(shí)調(diào)整，灌漿材料采用水泥漿液，水灰比為0.5～1(重量比)。

(6)塌方體的清除。

管棚注漿完成待凝4～8 h后可進(jìn)行C23+371.25～C23+376段塌方堆積體的逐步清除及支護(hù)施工，將每次清除長(zhǎng)度控制在0.6 m左右，每段塌方堆積體清除完成后立即進(jìn)行I16型鋼支撐支護(hù)施工，縱向間距0.525 m，底板以上范圍設(shè)置φ22、L為3 m的系統(tǒng)錨桿，間排距1.05 m，梅花形布置，型鋼支撐間采用φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1 m，每榀型鋼支撐設(shè)置φ22鎖腳錨桿4根，每根長(zhǎng)度為3 m，置入角度30°，在起拱線位置設(shè)置2處(每處2根)φ22鎖定錨桿，每根長(zhǎng)度為3 m。型鋼支撐外緣設(shè)置φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，底板以上范圍內(nèi)噴射C25W8混凝土，厚15 cm。施工過(guò)程中需設(shè)置專職安全人員全程監(jiān)控塌方堆積體的穩(wěn)定情況，如出現(xiàn)異常情況，及時(shí)組織人員、設(shè)備撤離。

(7)管棚段的洞挖及支護(hù)施工。

塌方堆積體段支護(hù)完成后，從樁號(hào)C23+376～C23+391.2按Ⅴ類圍巖采用上下臺(tái)階分部鉆爆法開(kāi)挖，臺(tái)階高度為2 m，上下臺(tái)階錯(cuò)開(kāi)3～5 m，嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則，每部位開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支護(hù)完成后方可進(jìn)入下一循環(huán)或下一分部的開(kāi)挖，型鋼支撐采用I16工字鋼制作，縱向間距0.525 m，底板以上范圍設(shè)置φ22、L為3 m的系統(tǒng)錨桿，間排距1.05 m，梅花形布置，型鋼支撐間采用φ22螺紋鋼連接，環(huán)向間距1 m，每榀型鋼支撐設(shè)置φ22鎖腳錨桿4根，每根長(zhǎng)度為3 m，置入角度60°，在邊頂拱部位設(shè)置2處(每處2根)φ22鎖定錨桿，每根長(zhǎng)度為3 m，型鋼支撐外緣設(shè)置φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)片，底板以上范圍內(nèi)噴射15 cm厚C25W8混凝土，超前支護(hù)采用小鋼管，超前小鋼管外徑為32 mm、壁厚不小于3.5 mm，沿隧洞起拱線以上頂拱范圍內(nèi)與管棚間隔布置，環(huán)向間距40 cm，沿洞軸線方向縱向間距2.1 m，單根長(zhǎng)度為4 m。待管棚段施工完成后根據(jù)掌子面前方的圍巖情況確定是否進(jìn)行第二排管棚及超前預(yù)灌漿施工(圖3)。

3 應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

圖3 管棚段洞挖及支護(hù)施工示意圖

長(zhǎng)管棚在隧洞大塌方施工過(guò)程中效果顯著，加快了洞挖施工速度，縮短了工期，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，在整個(gè)施工過(guò)程中，未發(fā)生一起安全事故和大型塌方。