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

鐘久安，蘇剛鋒，陳敏

（1.杭州華能大壩安全工程技術(shù)有限公司，杭州 310014；2.北京振沖工程股份有限公司，北京 100102；3.四川拓展建設(shè)工程有限公司，成都 610091）

1 工程概況

某電站引水隧洞西端開挖洞形為馬蹄形，洞徑13.4m，采用鉆爆法分臺階進(jìn)行開挖，上臺階斷面高度9.1m。開工至今在經(jīng)過斷層帶、軟巖帶時曾發(fā)生過多次塌方，其中最大規(guī)模的一次塌方為掌子面全斷面塌方，塌方量總計(jì)約500m3。

此次塌方洞段巖性主要為綠泥石片巖夾綠泥石化大理巖及灰白色大理巖，掌子面左邊偏上位置主要為綠泥石片巖，巖石較為破碎，且綠泥石片巖遇水易軟化，強(qiáng)度大幅度降低。右邊靠中間位置塌塌下一大石塊（約30m3），經(jīng)探孔探明大石塊右后方仍然為塌腔體。

施工洞段為T1地層，目前隧洞埋深高度在1600m以上，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，地應(yīng)力局部集中、巖層產(chǎn)狀變化頻繁、擠壓變形較大，自穩(wěn)時間短，導(dǎo)致工序作業(yè)在有限的自穩(wěn)時間內(nèi)難以完成。結(jié)合塌方發(fā)生過程及揭露的圍巖條件綜合分析認(rèn)為，在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境與高地應(yīng)力條件下，軟巖自穩(wěn)時間較短，是此次發(fā)生塌方的根本原因。

2 塌方體處理施工技術(shù)方案

本次塌方處理總體仍采取“穩(wěn)定塌體松碴及封閉塌腔口與回填、管棚超前支護(hù)；分臺階開挖，短進(jìn)尺弱爆破、開挖過程超前錨桿支護(hù)、拱架緊跟、掛網(wǎng)噴CF30混凝土”的綜合施工措施。

本文主要介紹管棚超前支護(hù)施工技術(shù)方案，并對管棚施工注漿進(jìn)行探討。

2.1 管棚施工工藝流程

管棚施工具體工藝流程詳見圖1所示。

圖1 管棚施工工藝流程圖

2.2 管棚施工工藝

2.2.1 概述

此次塌方堆碴主要為塊狀體但易碎、局部存在破碎帶，管棚成孔較困難。因此管棚設(shè)計(jì)仍考慮導(dǎo)管跟進(jìn)方式。

跟管套管采用長1.5m、外徑φ127mm無縫鋼管（地質(zhì)管材）通過管箍連接。φ127mm套管加工為注漿花管，其加工要求孔徑φ12mm，間距1.0～1.5m，一周4孔，呈梅花形排列，套管最前端為7.0m長特種鋼管靴，不需鉆注漿花孔，尾端5.0m范圍內(nèi)也不需鉆花管孔，作為止?jié){段。

管棚用鋼管直徑為φ89mm，壁厚5mm的熱軋無縫鋼管，管棚鋼管長度不短于18m，最長不大于23m（施工角度與機(jī)械限制），但必須伸入掌子面前方穩(wěn)定圍巖至少3m。

鋼管連接采用對焊焊接并在焊接部位設(shè)置外管，以保證管棚強(qiáng)度。

φ89mm鋼管設(shè)置成花管（同外套管），管棚間距0.3～0.4m、鉆孔角度外插10～15°。管棚布置范圍原則上在隧洞頂120°范圍，根據(jù)塌體觀察重點(diǎn)布置在右側(cè)，但必須保證越過塌體影響范圍1m以上。

為保證管棚強(qiáng)度與剛度，在φ89mm鋼管內(nèi)再布置3×φ25mm鋼筋束。鋼筋束通過對焊與點(diǎn)焊結(jié)合而形成一束穿入φ89mm管中。

注漿材料及配合比：管棚注漿采用純水泥砂漿，先稀后濃原則。使用采用0.8∶1和0.5∶1兩個比級灌注。水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，灌漿壓力不大于0.5MPa。

2.1.2 管棚鉆孔施工

管棚采用YG－70錨索鉆機(jī)使用φ110mm沖擊器帶φ127mm偏心鉆具成孔，當(dāng)圍巖破碎時跟管鉆進(jìn)。跟管采用外徑φ127mm無縫鋼管，1.5m一根通過外絲連接手連接。成孔后退出鉆具安裝管棚、放置鋼筋束并注漿固結(jié)形成較為穩(wěn)定加固體。

（1）施工準(zhǔn)備

利用鋼管搭設(shè)鋼管架作業(yè)平臺，平臺高度5m，作業(yè)長度不小于10m，寬度11m，上部留出2～3m高作為處理空間。鋼管橫縱間距1.0m×1.0m。在平臺上進(jìn)行管棚施工。

（2）測量定位

分別用全站儀管棚加固范圍（拱頂120°）內(nèi)進(jìn)行管棚位置放樣，管棚間距0.3～0.4m（具體數(shù)量現(xiàn)場確定）。本次管棚孔位布置圖詳見圖2。

（3）開孔

盡量按測量位置進(jìn)行開孔，如果遇鋼筋等將盡量切除，當(dāng)無法實(shí)現(xiàn)時，可適當(dāng)調(diào)整孔位。開孔前須固定好鉆機(jī)并調(diào)整好孔軸線及角度，以保證管棚質(zhì)量。

（4）鉆進(jìn)要求

鉆孔精度是整個管棚施工質(zhì)量控制核心之一，同時其鉆孔順序是保證鉆孔質(zhì)量與成孔質(zhì)量的關(guān)鍵。為此要求根設(shè)計(jì)布孔圖分序完成鉆孔，并結(jié)合分序灌漿進(jìn)行，以達(dá)到少跟套管而提高成孔質(zhì)量與管棚施工速度。與此同時還必須重點(diǎn)注意以下事項(xiàng)：

圖2 管棚施工各類孔布置示意圖

① 為了便于安裝鋼管，鉆頭采用φ110mm沖擊器帶φ127mm偏心鉆具成孔。鉆孔前先檢查鉆機(jī)機(jī)械狀況是否正常。

② 鉆機(jī)開鉆時，可低速低壓，待成孔6m后，可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

③鉆進(jìn)過程中確保動力器，扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn)。

④鉆孔速度應(yīng)保持勻速，特別是在松散堆渣層時，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象。

⑤在第一榀和第二榀拱架之間開孔時，孔初期可用專門設(shè)計(jì)的φ130mm合金鉆頭進(jìn)行切割。這種合金鉆頭可切割φ22mm螺紋鋼、φ42mm小導(dǎo)管、8mm厚的鋼板等。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到0.5m后，受傾角控制，鋼格柵、錨桿、注漿小導(dǎo)管已基本不再出現(xiàn)，此時改用潛孔錘鉆進(jìn)，壓縮空氣清孔。

⑥認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述。作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報(bào)，作為指導(dǎo)洞身開挖的依據(jù)。

（5）清孔與驗(yàn)孔

① 用地質(zhì)巖心鉆桿配合φ110mm或φ90mm硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行來回掃孔，清除浮渣至孔底，確?？讖?、孔深符合要求、防止堵孔。

②用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣。

③用經(jīng)緯儀、測斜儀等檢測孔深，傾角，外插角。

2.1.2 管棚與鋼筋束安裝

（1）采用φ127mm偏心鉆具成孔后，及時將孔口段的跟管與鉆孔壁間縫隙填塞密實(shí)，在鋼管外露端安裝止?jié){閥，灌注水泥漿液，壓力不超過0.5MPa。

（2）127mm跟管灌漿達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)到70%強(qiáng)度后，采用150地質(zhì)鉆機(jī)掃孔，孔徑為φ110mm，掃孔深入基巖深度不小于3m。

（3）安裝管棚φ89mm鋼管及鋼筋束。管棚φ89mm鋼管用1m長的φ93mm鋼管搭接并滿焊連接。鋼筋束采用三根φ25mm鋼筋焊接組成。人工配合起吊機(jī)下入孔內(nèi)后，灌漿封孔。

2.1.3 管棚注漿

（1）注漿管的設(shè)置

注漿采用分段后退式注漿，利用自制的注漿套管與管棚用套絲連接，注漿套管上準(zhǔn)備出氣管與進(jìn)漿管，由閥門來控制開關(guān)，如下圖所示。然后安裝8.5mm塑料管作為排氣管，連接注漿管等各種管路，利用錨固劑封閉掌子面巖體與管棚間的孔隙，防止漏漿。關(guān)閉孔口閥門，開啟注漿泵進(jìn)行管路壓水試驗(yàn)，如有泄漏及時檢修，試驗(yàn)壓力等于注漿終壓。

圖3 注漿管安裝示意圖

（2）管棚注漿過程控制

①管棚施工完成四根后開始注漿，注漿前對所有孔眼安裝止?jié){塞，同時對管口與孔口外側(cè)進(jìn)行密封處理。

②水泥砂漿漿液采用拌合機(jī)制漿，采用3SNS高壓注漿泵將液漿注入管棚鋼管內(nèi)，注漿前先檢查管路和機(jī)械狀況，確認(rèn)正常后做壓漿實(shí)驗(yàn)，確定合理注漿參數(shù)，據(jù)以施工。

③注漿采用連續(xù)灌注，結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用雙控：第一，注入率小于1L／min持壓10min后停止注漿；第二，壓力必須達(dá)到0.3～0.5MPa。

④注漿結(jié)束后采用水泥砂漿置換管內(nèi)漿液，并持續(xù)壓力閉漿20min后關(guān)閉止?jié){閥門，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。

⑤注漿過程應(yīng)派專人負(fù)責(zé)，填寫《注漿記錄表》，記錄注漿時間、漿液消耗量及注漿壓力等數(shù)據(jù)，觀察壓力表值，監(jiān)控連通裝置，避免因壓力猛增而發(fā)生異常情況。

管棚注漿施工工藝流程圖見圖4。

圖4 管棚注漿流程圖

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)本次管棚施工全過程，總結(jié)出以下幾點(diǎn)施工技術(shù)要點(diǎn)。

（1）管棚鉆孔時，需要固定牢靠鉆機(jī)、測放準(zhǔn)確孔位、測量準(zhǔn)確孔向，最終保證管棚孔不交叉、管棚支護(hù)距離達(dá)到設(shè)計(jì)要求的目的。

（2）管棚施工處在塌方區(qū)，鉆孔過程中為了避免卡鉆、掉鉆頭、塌孔等孔內(nèi)事故須采用跟管鉆機(jī)工藝進(jìn)行鉆孔護(hù)壁成孔。此工藝的優(yōu)點(diǎn)在于：①避免孔內(nèi)事故；②跟管可作為管棚的外管，增加管棚剛度；③便于下入管棚鋼管和注漿。

（3）鉆孔過程中不宜采用水進(jìn)行沖洗，因?yàn)榇怂蕉炊螢榫G泥石片巖段，現(xiàn)場采用孔口降塵、壓力風(fēng)沖洗鉆孔。

（4）塌方段由于巖體破碎且孔隙率大，故在管棚注漿工序需要進(jìn)行控制灌漿，可綜合采用純水泥漿、水泥砂漿、水泥－水玻璃雙液漿進(jìn)行灌注，同時在灌注過程中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取間歇灌漿措施，不建議采用待凝。

4 施工質(zhì)量與效果評定

完成管棚施工后，根據(jù)相關(guān)要求對塌腔體做灌后質(zhì)量檢查。檢查孔布置原則為“在管棚鉆孔施工過程中遇較大空腔體、破碎較為嚴(yán)重的異常部位與灌漿過程中注入漿量較大部位布置檢查孔，檢查方式為取芯”，最終確定布置4個檢查孔。首先在管棚孔左－8#與左－9#中間布置一個檢查孔（J－1，孔深13.6m），在管棚孔右－9#與右－10#中間布置一個檢查孔（J－3，孔深22.5m），鉆孔方向基本與管棚鉆孔平行；在頂孔附近布置一個檢查孔J－4（孔深22.0m，鉆孔角度上仰4°）；在固結(jié)灌漿位置布置一個檢查孔J－2（孔深13.4m，鉆孔角度上仰45°）。檢查孔具體孔位布置見圖2所示。

最終取心檢查結(jié)果為：鉆孔采取的巖芯較破碎，多呈短柱狀及碎塊狀，巖性為綠泥石片巖及少量深灰色大理巖，巖心局部夾水泥結(jié)石。

管棚驗(yàn)收為一綜合驗(yàn)收過程，除了對灌漿資料按照灌漿要求進(jìn)行驗(yàn)收外，對現(xiàn)場開挖前和開挖后均進(jìn)行表觀驗(yàn)收，但最重要的一點(diǎn)是必須保證開挖順利通過塌方區(qū)。

5 結(jié)束語

本次管棚施工完畢后，采用“短進(jìn)尺、小臺階、弱爆破”的掘進(jìn)方式成功通過塌方區(qū)，整個開挖過程安全順利，且開挖揭露出塌方區(qū)水泥膠結(jié)情況良好。

根據(jù)開挖中揭露的情況，注漿固結(jié)體與管棚的共同棚架護(hù)拱作用是確保開挖安全順利，防止塌方繼續(xù)發(fā)展的重要因素。因此在管棚施工中必須重視注漿對塌方腔體和松渣體的充填和固結(jié)作用。

在塌方松渣體和破碎巖體中，利用跟管鉆進(jìn)是確保管棚施工質(zhì)量與精度的重要方法，同時也對管棚起到了加強(qiáng)的作用，跟管可只跟過松渣和破碎圍巖段。

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［3］夏可風(fēng).水工建筑物水泥灌漿與邊坡支護(hù)技術(shù).北京：中國水利水電出版社，2007.

［4］楊世偉，李德勇.錦屏一級水電站壩基無蓋重固結(jié)灌漿施工工藝探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2009，36（7）.

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