管棚法在Asahan一級水電站引水隧洞塌方處理中的應用

吳基桁

(福建省閩之星水利水電工程檢測有限公司，福州 350000)

1 工程概況

印度尼西亞Asahan No.1水電站位于Asahan 河上游河段，距北蘇門達臘省會棉蘭市東南約130km。Asahan No.1水電站工程由已建的壩區建筑物(擋水、泄水、放水等建筑物)和新建引水隧洞、調壓井、壓力鋼管、地面廠房和開關站等組成。電站以發電為主，設2臺機組，單機容量90MW，總裝機180MW。引水隧洞為鋼筋混凝土襯砌壓力隧洞，長度6547.976m，斷面形式有標準馬蹄形斷面、圓形斷面和圓形鋼襯斷面，其中樁號Sta0+576-Sta0+6317.476開挖斷面為直徑9m圓型斷面。項目所在地區的巖石為砂巖和凝灰巖，這些巖石被視為古生代巖石，有些可能為中生代巖石，圍巖類型為Ⅱ-Ⅴ，項目在Toba湖的匯水區，氣候屬于潮濕的熱帶雨林氣候，降雨量豐富，年平均降雨量約為1700mm。引水隧洞開挖過程中，距2#支洞上游20m樁號Sta3+985-Sta4+004左側發生局部涌水塌方，發生塌方時范圍較小，由于時處雨季，塌方體滲水豐富形成涌水并有流沙，出現塌方冒頂。

2 加固方法選擇

隧洞施工時，常常會出現需要近接或穿越諸如橋梁基礎、建筑地基、鐵路保護區、軟巖、溶洞等區段，隧洞在穿過這些部位時改變了原有土體的應力場，將造成應力重新分布，不可避免地產生擾動，有可能引起周圍土體的坍塌。地質條件的千差萬別和施工環境的不確定性也使隧洞塌方加固處理沒有唯一確定的方法，需要具體問題具體分析[1]。敏感部位常用的隧洞塌方加固方法主要有袖閥管注漿，超前小導管，管幕法，管棚法，深孔注漿，旋噴加固，凍結法等，其技術對比如表1所示。

表1 典型地層加固技術對比

各隧洞塌方處理方法均有優缺點，在選擇隧洞塌方處理方法時，除了考慮技術上的可行性外，還必須綜合考慮附近建筑的重要程度、現場約束條件，綜合評價對施工、經濟、環保和效益等方面的影響。對于安全風險高的工程，單一的隧洞塌方處理方法并不能滿足地上建筑物對地表變形的要求的，就需要組合使用兩種或多種隧洞塌方處理方法，使各種隧洞塌方處理方法發揮自己的優勢，彌補對方的不足。本工程是由于圍巖地質缺陷而引起坍塌，塌方區圍巖為Ⅴ類圍巖[2]。通過綜合考慮各方案的優勢與缺陷以及結合本工程的實際，本工程決定采用管棚法進行支護，典型管棚法支護斷面如圖1和圖2所示。

圖1 管棚法支護橫斷面圖

圖2 管棚法支護縱剖面圖

3 管棚施工工藝

管棚施工作業循環次數多，加固范圍較小，機動靈活，打設較易，且很快形成超前支護體系，其具體施工流程為管棚孔位測量放樣→鉆孔→花管安裝→灌漿→分部開挖→鋼支撐安裝→噴混凝土及排水孔施工。

3.1 孔位測量放樣

測量放樣是非常關鍵的一步，對控制點的放樣必須十分精準，應極力避免各種誤差的產生。采用先進的 Leica TCR-702 Auto全站儀按設計圖紙精確放出孔位，用紅油漆對孔位進行標識。并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。

3.2 鉆孔

在掌子面前搭設鋼管排架成鉆孔操作平臺，采用潛孔鉆機鉆φ90mm孔，鉆機平臺的高度根據鉆機的可調控范圍以及鉆孔順序進行確定，鉆孔順序按由中心高孔位向兩側低孔位進行，平臺位置相應自上而下進行逐步降低，以滿足鉆孔需要。

為充分發揮棚管的作用，提高鉆孔速度和效率，管棚鉆孔仰角控制在1°-3°，如圖1和2所示，角度根據現場實際情況進行調整。

鉆機開鉆時，應低速低壓，待成孔10m后根據地質情況逐漸調整鉆速及風壓。鉆進過程中經常測定其位置，同時認真作好鉆進過程孔口巖屑收集、判斷并做好記錄，為下步洞身開挖提供地質資料參考。

3.3 花管安裝

管棚鋼管采用長24m(根據現場地質情況進行相應調整，打入堅硬巖層2-3m)，外徑76mm，壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，事先加工成花管，鋼管接頭采用絲扣連接,絲扣長10cm，節長3m，環向布置間距為50cm。

裝管時利用鉆機低速前進對準鋼管端部，嚴格做好角度控制，避免偏離設計孔位，人工配合鉆機低速頂進鋼管。鋼管內壁安設好灌漿管和回漿管。鋼管及其附屬管道安裝完畢后，把掌子面與鋼管相鄰面進行噴混凝土封閉，防止鋼管注漿時巖面縫隙跑漿，保證灌漿質量。

3.4 灌漿

灌漿前將管棚鋼管口用鋼板焊接 ,鋼板上預留進、回漿孔并安裝閘閥、壓力表，與進漿管、回漿管相連。灌漿順序采用由下往上，左右對稱進行，先灌注奇數孔后灌注偶數孔。

灌漿水泥采用TYPE I型普通硅酸鹽水泥。灌漿用水為2#支洞水箱處山澗溪水。制漿設備采用ZJ-400A制漿機。灌漿設備采用SGB6-10灌漿泵。嚴格按設計配比配料，稱量誤差應<5%。水泥及水玻璃采用重量稱量法，水使用水表計量。攪拌時間≥1min。漿液溫度應保持在5℃-40℃。采用0.5∶1-1∶1水灰比，水玻璃摻量為5%。或不摻水玻璃(視孔內滲水情況而定)。如采用純水泥漿灌漿時地下滲水中有水泥漿，則改為摻水玻璃的水泥漿。

灌漿壓力是注漿能量的來源，是控制灌漿質量的重要因素。使用較高的壓力能使漿液更好地壓入覆蓋層松散體空隙，并利于漿液中水分盡快、盡量地析出，結石充填飽滿、密實。灌漿壓力初步選擇0.5-1.0MPa，終壓2.0MPa,具體根據實際情況調整。每孔的干料限量為3T/孔或不吸漿時結束。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黏合而形成一種類似混凝土的固結體來加固軟弱地層。

3.5 分部開挖

管棚施工完畢后方可進行洞室開挖。開挖將按照“管超前、短進尺、弱爆破、多循環、早封閉、強支護、勤監測”的原則進行。如圖1和圖2所示，根據現場實際情況采取按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的順序分部、分層、開挖，開挖循環進尺1.0-1.2m。

上部開挖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)采用小臺階預留核心土的開挖方法：在掌子面的設計開挖線周邊挖出60cm深、60-80cm厚度的空槽，架設鋼支撐作簡單的支撐固定后再挖除妨礙人工挖掘作業的部分核心土，繼續向前挖槽架設一榀鋼支撐并作簡單的支撐固定。架設2榀后進行環向系統錨桿、掛網、噴混凝土施工，同時布置系統排水。

下部開挖(Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ)分為二步，第一步兩側掏挖、延長鋼支撐，第二步再挖除核心土，而后進行錨桿、注漿以及掛網、噴混凝土支護和系統排水布置。

在掘進過程中右側(水流向)和左側下部局部仍需爆破，爆破采用密孔、多分段、少藥量，減少單響藥量，循環進尺控制不超過1.2m，以降低爆破震動，控制爆破對坍塌體產生不利影響。

3.6 鋼支撐安裝

在開挖過程中鋼支撐必須及時跟進，隨開挖分段、分部安裝，鋼支撐采用H150型鋼加工形成拱圈，視圍巖情況按榀/0.5-0.8m設置。

鋼支撐在洞外按設計加工成型，分部開挖后及時進行安裝，與定位錨筋焊接；同時各鋼支撐間設縱向連接筋，并用工字鋼(榀/0.5m)可靠焊接聯接。鋼支撐拱腳垂直隧洞中線，為保證鋼支撐置于穩固的地基上，鋼支撐基礎采用墊板，特別松散時采取混凝土基礎、增加鎖腳錨桿等加固措施。

3.7 噴混凝土及排水孔施工

鋼支撐安裝后即噴C20混凝土10cm進行支護，排水孔隨開挖施工，孔口用鋼管或PVC管插管，排水孔可以降低巖體的孔隙水壓力，降低了水壓力對掛網噴混凝土層的破壞，其技術與作用與文獻類似，這里不再贅述[3]。

4 管棚加固機理

管棚加固主要是為了形成梁拱效果、通過打設錨桿和花管等形成加固效果，拱梁結構在大壩橋梁當中得到了廣泛運用。通過利用鋼管縱向成梁、橫向成拱，形成一剛度較大的拱梁結構，將隧洞上部圍巖壓力徑向傳遞到底部堅固基礎[4]。通過注漿孔注入漿液，加固了花管附近的土體，改善了土體的物理力學性質。

5 結 語

將管棚法應用在印度尼西亞Asahan一級水電站引水隧洞工程中，使得工程順利開展，同時大大提高了施工的安全性。實踐證明采用管棚法是比較穩妥有效的方法。