￡ｒＪＶＩ ＣＡＲＢ０Ｎ ＯＲＬＤ ２０１６／７ 低碳技术 管棚法超前支护在板坡隧洞施工中的应用 刘献求（娄底市水利水电勘测设计院，湖南娄底市４１７０００） 【摘 要】水工隧洞工程施工条件复杂，较大部分地质条件较差。在开挖过程经常遇到断层破碎带、松散带、软弱夹层、涌水等不良地质地段并 导致大塌方，从处理的安全性、操作性、经济性、科学性考虑，管棚法超前支护注浆施工是一种有效的施工处理方法，且施工快、工期短、安全性 高，在不良地质条件的水利隧洞掘进施工中，超前管棚支护技术具有广阔的应用前景。 【关键词】管棚法；超前支护；隧洞塌方；破碎带 【中图分类号】ＴＶ５５４．９ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】２０９５—２０６６（２０１６）２０—００７５—０２ １工程概况 芋子塘水电站工程位于湖南省洞口县境内，距洞口县城 约８０ｋｉｎ．为沅水支流公溪河在洞口县境内的第二个梯级电 站．电站开发方式为径流引水式。电站设计装机容量为 ９．６ＭＷ．工程枢纽由引水坝（茶路引水坝、安顺河引水坝）、导 流孔、引水隧洞（板坡隧洞、羊公坪隧洞）、压力前池及压力管 道、发电厂房和升压站等组成。板坡隧洞洞线总长１９５０ｍ，设计 引水水位为３６３．０ｍ．设计水深２．８ｍ，板坡隧洞进口高程采用 ３６０．２０ｍ．隧洞底坡ｉ＿１／２０００．隧洞出口高程为３５９．１０ｍ。板坡发 电隧洞设计流量为１７．２ｍ３／ｓ．底宽净宽Ｂ＝３．８ｍ，净高Ｈ－－４．２０ｍ， 直墙高度为３．Ｏｖａ，拱顸圆心角ｔｘ＝１２０。，拱顶圆半径为２．２０ｍ。 板坡隧洞位于公溪河左岸，自茶路引水坝左侧隧洞进口 至安顺河引水坝右侧隧洞出口，全长１９５０ｍ。桩号０＋０００～Ｏ＋ １１０．洞向正西，洞线与岩层走向斜交，交角７２。；桩号０＋１１０～ ０＋２１５．为洞线转向弧线段：桩号０＋２１５～１＋９５０，洞向Ｓ３０。Ｅ，洞 线与岩层走向斜交，交角４０～５０。。山体高程在４００～６００ｍ之 间．顶层厚度较大；洞线穿过的地层有：震旦系下统南沱组 （Ｚａｎ）灰色至暗灰色冰碛砾泥岩和寒武系下统小烟溪组（∈ ） 深灰色至黑色板岩间夹炭质板岩。沿洞线地质构造较为复杂， 需跨越田瑶倒转背斜及区域铁山平移逆断层。其中桩号１＋ ５３０～１＋９００．上覆岩体厚度大，为弱风化岩体，岩性为中厚层状 黑色板岩夹薄层炭质板岩（∈ ），岩性较软弱，均一性较差， 岩层产状倒转．层面挤压强烈．节理裂隙与劈理发育，洞身成 洞条件较差．属Ⅳ类围岩。围岩稳定受结构面组合及地下水控 制．裂隙发育段活动和地下水活动强烈区自稳能力差。岩体坚 固系数ｎ（＝３—４，弹性抗力Ｋｏ＝１５～２０ＭＰａ／ｃｍ。 ２问题提出 板坡隧洞施工采用出口与进口两头掘进的施工方法，在 出口段桩号１＋５３０～１＋９５０的施工过程中（出口向进口掘进）， 在开挖到１＋７８０施工断面时，施工遇到了较大的涌水、涌泥浆 等现象．目估涌水量１．２ Ｓ。在采取临时处理措施后，施工单 位继续采用常规方法掘进．在开挖１＋７７８断面时，施工人员在 完成正常炮破作业后，发现隧洞涌出大量塌方，塌方主要为炭 质碎块石、亚砂土、碎石土等．塌方几乎埋满了整个隧洞出口， 经现场勘测塌方体约１５００ｍ３．开挖断面处覆盖层厚度大约为 ４５０ｍ．顶部出现明显沉陷。经对开挖地段地质分析，该段岩性 主要为炭质板岩、为挤压破碎带，地质构造运动较强烈，褶皱 和断层发育．挤压破碎强烈．岩石较破碎，带内为碎裂化炭质 板岩、脉石英及断层泥等。经初步分析隧洞在１＋７６８—１＋７７８地 段有一个较大的破碎带，宽度约５～７ｍ，带内石质虽较硬，但构 造节理密集，节理面及其组合杂乱，形成大量碎块体，块体间 充填泥质，地质十分复杂，施工难度大，按常规方法难以通过 破碎带该且极不安全 ３处理方案 ３．１处理方案选择原则 ①安全性，确保施工人员与设备安全；②可操作性，要充 分考虑现场施工条件，确保能顺利地进行施工；⑧经济性，确 保在达到效果的前提下投入最少；（ 方案科学性，清除隧洞内 的塌方体后．尽量加固、保留破碎带内的松散体，防止坍方扩 大．尽量不破坏环境。 ３－２处理方案选择 根据该地段的地质特点．经业主、设计、监理等单位多次 研究，借用公路、煤矿等隧洞成功的施工经验，决定对破碎带 施工采用管棚法超前支护的施工方法进行处理。即在待开挖 洞顶轮廓线以外，环向超前打入钢管，并在钢管内进行压力注 浆 使浆液固结后钢管、破碎带内的松散体和围岩之间组成了 一个共同的固结圈．从而在隧道的纵向和横向分别形成一个的 梁结构和拱结构．以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形。 ４方案设计 ４．１导向墙设计 在１＋７８０～１＋７８３段扩挖管棚工作室，在１＋７８０处设置 Ｃ２５混凝土导向墙．截面尺寸０．８ｍ高×ｌｍ宽，其导向墙周边 嵌入基岩不小于０．４ｍ，导向墙内设２榀Ｉ２０工字铜拱架，钢架 外缘焊接 １１Ｏ壁厚５ｒａｍ导向钢管，导向管外插角控制在 ５。．导向铜管通过＋２ｏ固定筋与钢架焊接。 ４－２管棚设计 １＋７８０～１＋７６２段采用管棚超前注浆预支护，管棚长１８ｍ， 采用＋８９热轧无缝铜管（壁厚６．５ｍｍ），管棚布置在开挖断面 拱部１２０。范围内．管棚环向间距４０ｅｍ，施工中可据钻孔探测 情况进行调整（管棚设计见图１）。 ８００ ８００ 图１管棚设计图 每根铜管内设３根＋１６通长铜筋并用＋４５圆钢环（壁厚 ３ｒｎｍ）固定，固定环长５ｅｍ，每５０ｅｒｎ设置一处，形成钢筋笼以 增强管棚刚度，管棚倾角：５。。单号管用无缝钢管制成钢花管， 低碳技术 Ｌｔ）Ｗ ＣＡＲＢＯＮ Ｗ０ＲＬＤ ２ｏｌ６，７ 管口预留２ｍ左右止浆段，注浆孔为ｄＭＯｍｍ，环向布置４排， 纵向孔距为２０ｅｒａ．沿孔壁呈梅花形布置．双号孔为热轧无缝 外露端焊上法兰盘与注浆管口连接牢固，严格检查焊接强度 和密实度 钢管（铜花管设计见图２）。管棚每节分为６ｍ、３ｍ、６ｍ三种规 格，采用套管变径连接，在端头连接处采用一根长６０ｅｒａ的 ５．４注浆 （１）注浆顺序：采用ＢＷ一２５０／５０型注浆机注浆，与钻孔流 水作业，成孔一根注浆一根。先注单号孔（钢花管），待全部完 浆．则可间隔一孔或数孔注浆。 ＋７６铜管．伸入＋８９钢管中３０ｃ１２１＂．在端部用电焊将管之间焊 缝焊满，剩余３０ｃｍ用作送入前一根钢管的尾部，并用电焊焊 后，再注双号孔（钢管），从拱顶顺序向下进行，如遏窜浆或拒 满．起连接和导向的作用．管棚管节与￣ｂ９５ｍｍ合金钻头之间 采用变径连接 （２）注浆采用间隔形式进行，过程中要随时检查孔口、邻 一一 。 ～ 孔、其他坡面处有无串浆现象，如有串浆，立即停止注浆采用 锚固剂、速凝水泥砂浆等进行封堵 （３）注浆量一般为钻孔圆柱体的１．５～２倍；若注浆量超 限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆。确保钻孔周 钢花管埂计豳 －Ｉ Ａ—Ａ黄面目 ×一 图２钢花管设计图 ４－３注浆参数设计 由于涌水量较大，为加速浆液凝结．注浆采用水灰比１：１ 水泥——水玻璃浆液，水泥浆与水玻璃质量比：１：０＿３２～Ｏ－３６． 水玻璃浓度３５波美度；水玻璃模数２．４，注浆压力：０．５～２ＭＰａ． 注浆压力初压０．５—１．ＯＭＰａ：终压２．ＯＭＰａ ５施工工艺 ５．１施工工艺流程 施工准备一钻孔平台设置一放样布孔一钻机定位一检查 孔位是否正确— 钻孔一钻孔检查— 一节管棚体安装结束一钻 杆退回原位一接长管棚一继续钻进安装至设计长度一下一根 管棚钻进一安放钢筋笼一注浆一隧道开挖。 ５．２钻孔施工 （１）采用跟管钻进施工方法。钻孔顺序，由高孔位向低孔 位进行 （２）用一台电动钻机（ＸＹ一２８—３００）作业，开钻上挑角度控 制在３－５。之间 （３）安装钻机。钻孔平台牢固，钻机距掌子面，一般不超 过２ｍ （４）先钻单号孔（钢花管），待全部完后，再钻双号孔（钢管）。 （５）钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹砂土层、孤 石时，控制钻进速度，避免发生夹钻现象或钻偏 （６）钻机开孔时，要低速低压，待成孔１．Ｏｍ后，压力可升 至１．０ＭＰａ 遏软质围岩或流塑状粘土．改用低压钻进 ５．３安装管棚钢管、钢花管 孔位成形后开始顶入管棚，根据现场实际情况采用钻机 或者挖掘机进行顶孔 （１）铜管采用３ｍ和６ｍ两种长度规格。为使铜管接头错 开，单号孔钢花管采用２根３ｍ钢管．２根６ｍ钢管，第一节采 用３ｍ铜管，第二三节采用６ｍ长钢管，第四节采用３ｍ长铜 管。双号孔铜管采用３根６ｍ铜管，依次连接。 （２）安装时，可用挖机或钻机顶进，如遇故障，须清孔，然 后再将管插入 必要时也可用４．５ｋＷ卷扬机反压安装。 （３）钢管顶入后，将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，并在 围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。 （４）注浆结束标准：单孔结束标准：注浆压力逐步升高至 设计终压．并继续注浆２０ｍｉｎ以上：注浆结束时进浆量小于 ５Ｌ／ｒａｉｎ。 全段结束标准：所有的注浆孔均已符合单孔结束条件。无 漏注现象 （５）注浆完后，用Ｍ１０水泥砂浆封孔，增强钢管的强度和 刚度。 ６施工效果 工程在管棚支护施工完成后，参照超前管棚效果检测方 法，在注浆过程．每个孔的注浆压力、注浆量基本达到了设计 要求，注浆过程中也未出现大的漏浆、跑浆现象，基本可以肯 定浆液注入量等相关参数符合设计要求。通过对已开挖断面 （１＋７７８）与覆盖层顶部观测，涌水明显减少，未出现新的塌方， 覆盖层顶部沉陷也未再继续恶化．可以判定管棚支护基本达 到设计效果 根据工程在隧洞开挖顺利通过该断层破碎带地 （１＋７６８—１＋７７８）的开挖情况分析，管棚支护地段除极少局部地 段有细微沉陷外，绝大部分符合设计要求。通过拱顶位移用精 密水准仪观测发现，位移值并没有出现随时间急骤增长现象． 且整体最终均逐渐趋进稳定。因此．管棚支护基本达到顶预期 加固目的．是隧洞开挖顺利通过该断层破碎带的保证 ７结语 芋子塘水电站工程板坡隧洞断层破碎带处理采用超前管 棚施工，确保了隧洞开挖安全顺利该断层破碎带，且施工快、 工期短、安全性高，说明超前管棚支护不仅适用于公路、铁路、 煤矿等大断面的隧洞施工．对于水利工程的中小隧洞也有较 好的可靠性能与适用性 随着我国水利建设的迅速发展．水利隧道工程施工日益 增多，在面，Ｉ岳不良地质条件的水利隧洞掘进施工中．超前管棚 支护技术具有广阔的应用前景。 收稿日期：２０１６—６—２４ 作者简介：刘献求（１９７３一），男，工程师，本科，主要从事水电工 程设计与水电工程建设管理等工作。
