劉雪霞，陳雪艷，魏 珂，陳浩東

（1．河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南鄭州450016；2．西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

1 前 言

隧洞穿越軟弱破碎圍巖時，開挖擾動會引起較大的圍巖變形，如果初期支護措施不及時，圍巖變形可能超出其容許范圍，嚴重時引起圍巖失穩(wěn)、隧洞冒頂、塌方等，造成重大安全事故。水利工程輸水隧洞帶水帶壓運行的特點決定了其超前支護方式及合理參數(shù)范圍與公路隧洞不同。20世紀70年代，管棚支護技術(shù)最早應(yīng)用于比利時的安特衛(wèi)普（Antwerp）地鐵車站［1］，這一技術(shù)被稱為“Antwerp技術(shù)”。20世紀80年代，為克服隧道斷面大、埋深淺以及地下水發(fā)育等因素的不利影響，并滿足毫米數(shù)量級的地層變形控制標準，意大利米蘭鐵路線上的威尼斯車站在設(shè)計施工中采用了“管拱技術(shù)”［2］，被認為是“Antwerp 技術(shù)”的繼續(xù)和延伸。國內(nèi)20世紀80年代中期開始在隧洞工程中采用管棚支護技術(shù)，并不斷研究其內(nèi)在作用機理及相關(guān)設(shè)計細節(jié)。在水利工程的隧洞施工中，超前管棚支護技術(shù)被大量采用，為預(yù)防巖體坍塌及涌水，中部引黃隧洞工程在Ⅳ、Ⅴ類圍巖地段采用了超前管棚支護［3］，福清市閩江調(diào)水超前管棚支護解決了隧洞全風(fēng)化凝灰?guī)r塌方的技術(shù)難題［4］。

目前，超前管棚支護技術(shù)仍然存在機理不明的問題。本文以前坪水庫工程、出山店水庫工程、槐扒黃河提水工程中管棚支護措施為例，對管棚的加固機制及加固效果進行對比分析，給出超前支護設(shè)計參數(shù)的經(jīng)驗取值及選取方法。

2 前坪水庫上黃線2號隧洞超前支護

2．1 工程概況

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游，河南省洛陽市汝陽縣城以西9 km的前坪村附近，水庫控制流域面積1 325 km2。前坪水庫建成后，汝陽縣上店鎮(zhèn)至嵩縣黃莊鄉(xiāng)的上黃公路（縣道X049）大部分被淹沒，淹沒長度為18．95 km，根據(jù)《水利水電工程建設(shè)征地移民安置規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》（SL 290—2009），對上黃公路工程按照恢復(fù)原功能、原標準、原規(guī)模的原則進行復(fù)建。上黃線2號隧洞是縣道X049改建方案中的隧道工程，采用馬蹄形斷面，凈寬9．0 m，起拱點高3．0 m，拱中心角為 150°。

2．2 地質(zhì)條件

工程場區(qū)屬丘陵區(qū)，山頂高程463．5 m左右，路面高程421．0 m左右，進出口段山坡較為陡峻。場區(qū)地層為土巖雙層結(jié)構(gòu)，地表為卵石層，下伏安山玢巖及石英斑巖。洞身巖性主要為弱風(fēng)化石英斑巖，洞身圍巖屬Ⅳ類，洞身巖體堅固系數(shù)f值建議采用4，單位彈性抗力系數(shù)K0建議采用5．0×105kPa／m。 隧洞進出口段巖性主要為石英斑巖，Ⅴ類圍巖，頂部分布有第四系坡積物。

2．3 管棚設(shè)計

上黃路2號隧道進口巖石較為破碎，Ⅴ類圍巖，圍巖不能自穩(wěn)，需要采用管棚超前支護進洞，在超前支護下，短尺掘進，同時輔以噴錨支護與注漿相結(jié)合的方法施工。管棚支護設(shè)計斷面如圖1所示。

2．3．1 管棚設(shè)計參數(shù)

（1）管棚棚管采用直徑108 mm、壁厚5 mm、長度10 m的熱軋無縫鋼管，注漿孔直徑42 mm，縱向及環(huán)向間距均為1 m，沿孔壁成梅花形布置。

（2）管棚布置在開挖斷面拱部140．00°范圍內(nèi)，環(huán)向中心相距3．60°，中對中間距400 mm，布置棚管39根，每1 m一環(huán)，管棚縱向搭接長度3 m，每根棚管要確保進入穩(wěn)定圍巖3 m以上。

圖1 管棚支護設(shè)計斷面（單位：mm）

（3）管棚施工時控制管心與設(shè)計開挖輪廓線距離為 30 cm，外插角約為 1．72°。

（4）管棚支撐采用鋼格柵和鋼拱架，鋼拱架采用I16型鋼，棚管與鋼拱架焊接連接，鋼拱架處設(shè)置1 m×1 m的C25混凝土導(dǎo)向墻。

2．3．2 管棚注漿固結(jié)參數(shù)

管棚鉆入預(yù)定部位，密封鋼管，用泵接注漿管注漿，固結(jié)管棚。注漿材料為M20水泥砂漿，導(dǎo)管四周鉆設(shè)15 mm注漿孔，孔間距20 cm，呈梅花形布置。注漿時壓力逐漸增大，初壓 0．5～1．0 MPa，終壓 2．0 MPa，當(dāng)注漿壓力達到2．0 MPa而注漿不進時，再穩(wěn)壓3～5 min結(jié)束注漿。

2．4 管棚施工效果

管棚超前支護施工工藝程序為：準備施工—安裝導(dǎo)向管—搭設(shè)鉆孔平臺—安裝鉆機—鉆孔—管棚安裝—管內(nèi)注漿。施工過程中具體事宜及注意事項本文不再贅述。

目前上黃線2號隧道已經(jīng)施工完成，從現(xiàn)場施工情況來看，管棚支護未出現(xiàn)質(zhì)量事故，符合設(shè)計要求。先期施工的管棚和注漿對洞身圍巖起到加固作用，管棚和后期施工的鋼拱架與噴射混凝土形成一個整體共同受力，從而達到預(yù)期的加固目的，確保破碎圍巖段的施工安全。

3 出山店水庫北灌溉洞超前支護

3．1 工程概況

出山店水庫是淮河干流上的大型防洪控制工程，位于河南省信陽市境內(nèi)，壩址在京廣鐵路以西14 km的出山店村附近，距信陽市約15 km，控制流域面積2 900 km2，出山店水庫是《淮河流域防洪規(guī)劃》確定的以防洪為主的大型控制性工程，該工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等，其主要建筑物級別為1級。

北灌溉洞是為灌溉淮北灌區(qū)和明港鎮(zhèn)供水而設(shè)置的，設(shè)計流量 13．87 m3／s，加大流量 16．38 m3／s。 北灌溉洞為無壓涵洞，城門洞形斷面，3．80 m×3．00 m（高×寬）。 其中直墻高 3．15 m，拱矢高 0．90 m，頂拱半徑1．70 m，頂拱中心角 124°，洞身襯砌厚度為 0．60 m，材料均為C30鋼筋混凝土。

3．2 地質(zhì)條件

北灌溉洞場區(qū)位于低山丘陵地區(qū)，地面高程81．30～108．40 m，上覆第四系黏性土層，下伏新近系砂礫巖和古近系砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖。地層起伏較大，沿線涉及多種時代成因地層，屬不均勻場地。上部土層主要為低液限黏土層，呈褐黃色-褐灰色、淺褐黃色，揭露最大厚度為15．00 m；低液限黏土層以棕黃色夾雜少量灰綠色為主，厚度為 11．00～18．00 m，透水性微弱，具弱膨脹性。新近系砂礫巖具中等透水性，下伏古近系砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖，具弱透水性，最大揭露厚度為24．20 m。建基面及洞身位于古近系砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖和第四系黏性土中，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（GB 50487—2008）附錄N定性判別洞室圍巖屬V類散體結(jié)構(gòu)或極軟巖，成洞條件差。

3．3 管棚設(shè)計

北灌溉洞洞徑雖然不大，但穿越地層為第三系砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖和Q低液限黏土，多為散體結(jié)構(gòu)，強度低，為Ⅴ類圍巖，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴重。地下水具備上層滯水特點，隧洞開挖時可能出現(xiàn)涌水或突水現(xiàn)象，影響洞室局部基坑穩(wěn)定。北灌溉洞施工采用超前管棚支護法，在管棚保護下分塊、分層、分區(qū)域開挖，避免圍巖失穩(wěn)。

3．3．1 管棚設(shè)計參數(shù)

工程開挖前采取排水措施，降低地下水位，然后進行管棚施工，采用鉆孔和排水管變分散滲流為集中引排，避免在施工中造成人員和設(shè)備的損失。

（1）管棚棚管采用直徑42 mm、壁厚5 mm、長度6 m的熱軋無縫鋼管，注漿孔直徑15 mm，縱向及環(huán)向間距均為1 m，沿孔壁成梅花形布置。

（2）管棚布置在開挖斷面拱部134．00°范圍內(nèi)，土洞段環(huán)向中心相距7．10°，中對中間距300 mm，布置棚管20根，每1 m一環(huán)，管棚縱向搭接長度1 m，每根棚管要確保進入穩(wěn)定圍巖3 m以上。

（3） 巖石段環(huán)向中心相距 8．10°，中對中間距400 mm，布置棚管17根，每5 m一環(huán)，管棚縱向搭接長度1 m，每根棚管要確保進入穩(wěn)定圍巖3 m以上。

（4）管棚施工時控制管心與設(shè)計開挖輪廓線距離為 30 cm，外插角約為 2．86°。

（5）管棚支撐采用鋼格柵，每榀鋼格柵采用4根直徑25 mm鋼筋鎖腳，中間采用直徑12 mm箍筋焊接，低液限黏土段洞身支護格柵間距為1．0 m，黏土質(zhì)砂巖和砂質(zhì)黏土巖段洞身支護格柵間距為1．2 m。

3．3．2 管棚注漿固結(jié)參數(shù)

管棚鉆入預(yù)定部位，密封鋼管，用泵接注漿管注漿，固結(jié)管棚。注漿材料為M10水泥砂漿，導(dǎo)管四周鉆設(shè)15 mm注漿孔，孔間距20 cm，呈梅花形布置。注漿時壓力逐漸增大，初壓 0．5～1．0 MPa，終壓 2．0 MPa，當(dāng)注漿壓力達到2．0 MPa而注漿不進時，再穩(wěn)壓3～5 min結(jié)束注漿。

3．4 管棚施工效果

目前北灌溉洞已經(jīng)施工完成，無論是土洞段還是巖洞段，管棚支護均取得了預(yù)期的效果，未發(fā)生質(zhì)量事故。土洞段超前管棚支護時將M10水泥砂漿注入洞周土體中，使得松散體固結(jié)，改善了土體的力學(xué)性能，起到了加固管棚周邊土體的作用。

4 黃河提水工程黃李隧洞加固超前支護

4．1 工程概況

黃李隧洞位于澠池縣陳村鄉(xiāng)后坑村東南至桐花瑤溝西岸溝西村南一線，是三門峽市槐扒黃河提水工程的輸水隧洞。黃李隧洞大體東南走向，原設(shè)計隧洞進出口樁號分別為 3+564．03 m、11+032．41 m，全長7 468．38 m，進出口底板高程分別為 601．00 m、593．53 m，坡降 1／1000，隧洞為城門洞形，凈寬 2．80 m，凈高2．90 m，其中直墻段高2．00 m。由于近幾年來，義馬集團曹躍煤礦采煤，在洞身下部形成采空區(qū)，隧洞沉陷0．20～1．20 m，洞身出現(xiàn)大量裂縫，涉及到本次加固段的基本情況如下：①8+980．00—9+586．50 m 段全長606．50 m，裂縫共有 3 段，長度 539．00 m，占總長度的88．9%，此段裂縫寬度明顯增大，洞底略有沉降；②9+595．50—10+559．00 m 段全長 963．50 m，裂縫共有 7段，長度 741．50 m，占總長度的 77%，其中 9+843．60—10+259．00 m 段長 415．40 m，隧洞下陷沉降，側(cè)墻、拱頂混凝土全部破碎掉落。

4．2 地質(zhì)條件

黃李遂洞加固段圍巖為石炭系地層，屬煤系地層，富含大量的含硫礦物，加之隧洞周圍存在煤礦采空區(qū)，巷道積水和煤系地層水中硫酸根離子含量較高，對混凝土有較強的腐蝕性。加固段圍巖為泥巖，灰白色、橙黃色，巨厚層狀，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，易風(fēng)化。局部裂隙較發(fā)育，并有裂隙水滲滴，巖層下部巖石呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，富含裂隙水，施工開挖時有塌方及掉塊發(fā)生。據(jù)雷達探測，外圍圍巖發(fā)生松動，松動圈厚度為 2．50～3．00 m。泥巖不屬膨脹巖，但具微膨脹性，遇水有風(fēng)化裂解現(xiàn)象。泥巖經(jīng)浸水受壓后，易發(fā)生泥化、壓縮變形，特別是圍巖松動帶經(jīng)過10余年的水浸和風(fēng)化，強度降低、塌落拱擴大。

4．3 管棚設(shè)計

鑒于黃李隧洞存在嚴重的安全隱患，不能保證正常的城市供水任務(wù)，急需進行除險加固。為了保證施工安全，采用管棚超前支護措施，支撐鋼架及管棚直接澆入混凝土內(nèi)部，不再拆除。在圍巖較破碎的樁號10+002．00—10+186．00 m 段，拆除開挖 1 m，支撐1 m，不得長距離無支撐開挖。在本次需要加固的其他洞段，視圍巖的具體情況鋼支撐間距可適當(dāng)加寬到1．5 m，最大間距不得超過2．0 m。管棚鋼架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管棚鋼架結(jié)構(gòu)

4．3．1 管棚設(shè)計參數(shù)

工程巖體裂隙發(fā)育，富含裂隙水，施工開挖時首先需要引排裂隙水，然后進行管棚施工，采用鉆孔和排水管變分散裂隙水為集中引排，避免在施工中造成人員和設(shè)備的損失。

（1）原洞身混凝土襯砌拆除前在隧洞頂拱及兩側(cè)采用大管棚超前支護，管棚棚管采用直徑75 mm、壁厚5 mm、長度10 m的熱軋無縫鋼管，注漿孔直徑42 mm，縱向及環(huán)向間距均為1 m，沿孔壁成梅花形布置。

（2）管棚布置在開挖斷面拱部126．80°范圍內(nèi)，中對中間距500 mm，布置棚管13根，每1 m一環(huán)，管棚縱向搭接長度0．5 m，每根棚管要確保進入穩(wěn)定圍巖3 m以上。

（3）管棚施工時控制管心與設(shè)計開挖輪廓線距離為 30 cm，外插角約為 1．72°。

（4）管棚支撐采用鋼格柵支撐，每榀鋼格柵采用4根直徑25 mm的鋼筋，中間采用直徑12 mm的箍筋焊接，寬150 mm。鋼支撐間距1～2 m，每榀鋼支撐間設(shè)直徑28 mm的聯(lián)系筋，鋼支撐底部設(shè)C15混凝土底座。

4．3．2 管棚注漿固結(jié)參數(shù)

管棚鉆入預(yù)定部位，密封鋼管，用泵接注漿管注漿，固結(jié)管棚。洞頂圍巖破碎，塌落拱高度可達6 m，需要注漿充填。注漿材料采用流動性好的C15混凝土或水灰比不稀于1∶1的水泥漿，導(dǎo)管四周鉆設(shè)50 mm注漿孔，孔間距1．5 m，呈梅花形布置。注漿壓力逐漸增大，初壓 0．5～1．0 MPa，終壓 2．0 MPa，當(dāng)注漿壓力達到2．0 MPa而注漿不進時，再穩(wěn)壓3～5 min結(jié)束注漿。

4．4 管棚施工效果

黃李隧洞除險加固采用的管棚超前支護剛性大，管棚上部的活動體移動或坍塌到管棚上，起到緩沖作用，減少二次破壞。黃李隧洞經(jīng)本次加固后已經(jīng)運行6 a，沒有出現(xiàn)大的裂縫，沉陷量也基本趨于穩(wěn)定。這說明超前管棚支護及超前導(dǎo)管注漿可以使洞身頂部的塌落部分固結(jié)形成梁式結(jié)構(gòu)，形成環(huán)繞隧洞的殼狀結(jié)構(gòu)，有效抑制圍巖的塌落，使洞身的沉陷量快速收斂并趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

通過對前坪水庫上黃線2號隧道段、出山店水庫北灌溉洞及槐扒黃河提水工程黃李隧洞3個加固工程實例的分析可以看出，在軟弱、破碎等不良圍巖地質(zhì)條件及復(fù)雜地層中進行輸水隧洞施工，超前管棚支護是一種行之有效的支護措施，對超前管棚支護設(shè)計及施工效果總結(jié)如下。

（1）施工前應(yīng)掌握洞身圍巖存在的主要地質(zhì)問題，如地層、圍巖等級及地下水含量等，根據(jù)具體地質(zhì)情況并結(jié)合相關(guān)規(guī)范確定超前管棚支護的設(shè)計參數(shù)。

（2）管棚支護設(shè)計參數(shù)中，鋼管的直徑一般在50～180 mm之間，環(huán)向間距一般不大于5倍直徑，支護條件要求較高的Ⅳ、Ⅴ類圍巖或者松軟的地層，所采用的鋼管直徑一般較大（不小于100 mm），反之如果圍巖較好或凝聚力較大的黏性土，可選擇較小直徑（一般介于50～100 mm）；管棚鋼管環(huán)向間距應(yīng)根據(jù)圍巖的松散度或洞周凝聚力的大小確定，可在40～80 cm的范圍內(nèi)進行選擇，一般不大于5倍直徑，施工時應(yīng)根據(jù)實際工程的地質(zhì)條件、斷面尺寸、開挖深度等因素綜合考慮；小管棚外插角取 5°～15°，中管棚一般取 2°～8°，大管棚一般取1°～3°；拱架支撐多用工字鋼或鋼格柵，間距一般不大于1 m，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況可適當(dāng)加密。

（3）從這3個工程施工現(xiàn)場情況看，先期施工的管棚和注漿預(yù)先加固了洞身圍巖，管棚和后期施工的噴錨支護形成一個統(tǒng)一整體共同受力，使輸水隧洞處在管棚的安全保護之中。實際施工效果證明超前管棚支護技術(shù)對于復(fù)雜地層中的輸水隧洞施工是安全的。