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(hù)在水電站引水隧洞施工中的應(yīng)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(guò)程中，當(dāng)遇到不良地質(zhì)情況時(shí)會(huì)增加隧道開(kāi)挖難度，如果不及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施會(huì)導(dǎo)致隧洞出現(xiàn)坍塌。本文以實(shí)際工程為例，對(duì)管棚支護(hù)施工法的設(shè)計(jì)方案及管棚支護(hù)法的施工技術(shù)進(jìn)行探討，取得了良好的應(yīng)用效果。

引水隧洞； 管棚支護(hù)； 處理效果

1 工程概況

蒲洋水電站是位于平溪干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第六級(jí)混合式開(kāi)發(fā)水電站，樞紐主要有攔河壩、引水隧洞、升壓開(kāi)關(guān)站、廠房等主要建筑物構(gòu)成。電站總裝機(jī)容量為1.3萬(wàn)kW。該標(biāo)段隧洞工程主要由進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、高壓水道和2條施工支洞等構(gòu)成。引水隧洞長(zhǎng)度為3018.86m，引水隧洞開(kāi)挖直徑為4.6m；調(diào)壓井為阻抗式，調(diào)壓井總施工高度為52.1m，開(kāi)挖直徑為7.0 m；高壓引水水道長(zhǎng)度為172.6m，開(kāi)挖直徑為4.0～2.96m；導(dǎo)流隧洞的長(zhǎng)度為157m，開(kāi)挖尺寸為5.4m×6.4m城門(mén)型斷面。

2 工程地質(zhì)條件

導(dǎo)流洞所在地區(qū)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(fēng)化。

引水隧洞沿線地形表現(xiàn)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(jiān)硬、致密，沿線發(fā)育的大部分?jǐn)鄬雍退矶淳€交角比較大，一般為60°～80°，F(xiàn)5、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(wěn)定性。壓力隧洞圍巖一般為弱—微風(fēng)化，圍巖完整性好，并且基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。斷層破碎帶圍巖為強(qiáng)風(fēng)化，隧洞進(jìn)水口、過(guò)沖溝和遇斷層破碎帶在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)坍塌和掉塊的情況，并且有豐富的地下水。破碎帶長(zhǎng)度約為60m。

3 管棚架構(gòu)設(shè)計(jì)

管棚架構(gòu)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(jī)或地質(zhì)鉆機(jī)，采用風(fēng)動(dòng)潛孔鉆具形成管棚。鉆孔內(nèi)具有大量鋼管群，形成方式有兩種，向孔內(nèi)壓入鋼管和邊鉆孔邊壓入管。同時(shí)通過(guò)插入鋼筋和注入水泥漿來(lái)增加鋼管的剛度。鋼管常選用熱軋無(wú)縫鋼管，規(guī)格一般為φ80×8或φ114×10。工程上常通過(guò)巖體灌漿來(lái)凝結(jié)斷層帶散狀物，灌漿孔規(guī)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(kāi)挖輪廓線外邊頂拱固結(jié)厚度大于1m，保障相鄰管棚間的搭接長(zhǎng)度為1.5m。同時(shí)，管棚需要與工字鋼(h=16cm)的支撐結(jié)構(gòu)組成聯(lián)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(jié)構(gòu)中洞室的開(kāi)挖需與管棚超前支護(hù)交替施工，在管棚保護(hù)下進(jìn)行洞室鉆爆開(kāi)挖[1]。按照標(biāo)準(zhǔn)洞門(mén)型進(jìn)行洞室開(kāi)挖的主要目的是為了保障鋼支撐結(jié)構(gòu)始終處于良好的受力狀態(tài)下。

管棚支撐架構(gòu)圖(單位：m)

4 管棚支護(hù)架構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 開(kāi)挖洞口和防護(hù)坡面

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

b.防護(hù)坡面。工程上常通過(guò)掛鋼筋網(wǎng)并噴混凝土的方式對(duì)坡面進(jìn)行坡面防護(hù)。通常為了固定坡面，先在開(kāi)挖面上噴1～2cm的C20混凝土。當(dāng)該混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需在深入坡面約50cm處灌入φ22的砂漿錨筋，規(guī)格為1.5m×1.5m。支護(hù)正式開(kāi)展掛網(wǎng)噴混凝土工程，鋼筋網(wǎng)結(jié)合實(shí)際支護(hù)圍巖面起伏狀態(tài)，采用了φ8圓鋼鋪設(shè)，網(wǎng)格規(guī)格為20cm×20cm，鋼筋網(wǎng)距離初噴的混凝土層超過(guò)3～5cm，鋼筋保護(hù)層厚度大于3cm，整個(gè)鋼筋網(wǎng)與錨桿之間采用多點(diǎn)牢固連接[2]。此外，鋼筋網(wǎng)噴射厚度為10cm的C20混凝土。

4.2 導(dǎo)向管安裝施工

導(dǎo)向孔一般選用預(yù)留方式。當(dāng)完成支洞口的開(kāi)挖工作后，工程施工人員需在距支洞開(kāi)挖線100cm外澆灌厚100cm的C20混凝土，進(jìn)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(dǎo)向管，該導(dǎo)向管安裝需借助經(jīng)緯儀進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)需要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)導(dǎo)向管角度與方位，并且導(dǎo)向管需深入洞臉坡面10cm。

4.3 施工平臺(tái)建設(shè)

為了便于鉆機(jī)安裝，施工平臺(tái)需要采用枕木搭成井字臺(tái)結(jié)構(gòu)，搭建時(shí)要搭設(shè)牢固，避免鉆進(jìn)鉆孔時(shí)出現(xiàn)平臺(tái)搭建不均勻而下沉、位移及晃動(dòng)等現(xiàn)象。

4.4 管棚鉆孔施工

管棚支護(hù)工程質(zhì)量好壞的關(guān)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(hù)效果[3]。因此，鉆孔前要結(jié)合施工場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，找出所有可能對(duì)鉆孔質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素，并根據(jù)因素設(shè)計(jì)方案，確保鉆孔質(zhì)量。鉆孔前要對(duì)鉆機(jī)放置位置、鉆桿方位角和傾角進(jìn)行詳細(xì)確認(rèn)，確保導(dǎo)向管軸線和鉆具軸線在同一位置。

鉆孔過(guò)程中要結(jié)合地層對(duì)鉆機(jī)的速率、壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保鉆孔精度。同時(shí)要實(shí)時(shí)借助側(cè)斜儀對(duì)鉆孔偏斜度進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)調(diào)整偏斜程度，避免出現(xiàn)偏斜太厲害導(dǎo)致下鋼管時(shí)鉆孔精度、孔壁光滑度不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)塌陷、掉塊問(wèn)題。

4.5 鋼管頂入施工

鋼管要嚴(yán)格按照管棚要求進(jìn)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(dāng)鉆孔深度達(dá)到要求時(shí)退出鉆桿，采用高壓風(fēng)槍進(jìn)行清孔，將加工完成的鋼管通過(guò)長(zhǎng)8～10cm的絲扣內(nèi)外緊密銜接在一起，依次逐根將鋼管頂入孔內(nèi)，相鄰鋼管絲扣部位需錯(cuò)開(kāi)1.0m，整個(gè)斷面絲扣和不超過(guò)50%。要嚴(yán)格依照鉆機(jī)的立軸方向，確?？卓诜较驕?zhǔn)確。鉆孔與鋼管的安裝要同步進(jìn)行，即鉆一孔馬上安裝鋼管同時(shí)灌漿。由于漿液凝固需要時(shí)間，故常選用間隔鉆孔[4]。

4.6 向鋼管內(nèi)灌漿

注漿常在鉆孔、鋼管安裝完成后馬上開(kāi)始。灌漿前需密封鋼管與導(dǎo)向管間隙，避免漿液外流，同時(shí)在孔口開(kāi)設(shè)氣孔。灌漿時(shí)，常先低壓、中流量進(jìn)行注入，之后慢慢提升壓力，減少流量。當(dāng)壓力達(dá)到最終壓力時(shí)，持續(xù)注漿5min之后結(jié)束注漿。通常注漿采用由內(nèi)到外、由上而下的順序進(jìn)行，即按照支洞頂部?jī)?nèi)排孔到外排孔，再到兩側(cè)墻孔，先上部孔，后下部孔施工。灌漿結(jié)束后24h可進(jìn)行爆破，當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)可判定灌漿結(jié)束。

a.灌漿壓力滿足最終設(shè)計(jì)值，灌漿量超過(guò)設(shè)計(jì)漿量90%。

b.灌漿壓力沒(méi)有到設(shè)計(jì)值，灌漿量已滿足設(shè)計(jì)漿量。

c.灌漿壓力超過(guò)灌漿終壓80%時(shí)，發(fā)生跑漿現(xiàn)象等。

4.7 工程施工中發(fā)生的問(wèn)題

工程開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)，管棚灌漿前期的超前支護(hù)土層借助于膠體凝結(jié)成整體，其支護(hù)效果良好。但是施工中仍出現(xiàn)了以下幾個(gè)問(wèn)題：

a.因地質(zhì)原因所鉆孔會(huì)發(fā)生漏風(fēng)、不排渣的情況，導(dǎo)致鉆孔過(guò)程中常出現(xiàn)卡鉆及鋼管頂入不到位的問(wèn)題。處理辦法：放慢鉆孔速度，多次進(jìn)出，鉆進(jìn)10cm退出20cm，同時(shí)借助高壓風(fēng)持續(xù)吹動(dòng)，放慢鉆進(jìn)速度，進(jìn)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(qiáng)，采用風(fēng)動(dòng)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(huì)彎曲朝向隧道設(shè)計(jì)斷面。處理辦法：增加上抬量，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軸線與襯砌外緣夾角變化。

4.8 管棚施工質(zhì)量分析

工程技術(shù)人員結(jié)合工程特殊的地質(zhì)情況，借助管棚支護(hù)與鋼拱架形成縱、橫全方位的整體支護(hù)體系，極大程度防止圍巖變形，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖同時(shí)受力，提升了“圍巖-支護(hù)體系”的承載力。結(jié)合后期運(yùn)行地表未出現(xiàn)明顯的沉降變形情況，管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，該引水隧洞施工過(guò)程中，受地質(zhì)條件影響，隧洞開(kāi)挖過(guò)程中很容易出現(xiàn)塌方，會(huì)對(duì)施工進(jìn)度造成影響。為了保證隧洞施工的順利開(kāi)展，該工程使用管棚超前支護(hù)的方法進(jìn)行處理，有效解決了地質(zhì)方面的問(wèn)題，取得了良好的支護(hù)效果。

[1] 陳懷均.某引水隧洞管棚法施工技術(shù)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(hù)技術(shù)在大直徑引水隧洞塌方處理工程中的應(yīng)用[J].地質(zhì)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(duì)接技術(shù)通過(guò)突水突砂地質(zhì)災(zāi)害洞段[J].水利技術(shù)與管理，2008(5)：51-54.

[4] 李發(fā)揚(yáng).管棚支護(hù)在大發(fā)電站引水隧洞施工中的應(yīng)用[J].四川水力發(fā)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(guó)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