超前管棚支護(hù)在中部引黃隧洞工程中的應(yīng)用

王仁龍

（水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原030024）

1 工程簡述

山西省中部引黃工程包括取水工程和輸水工程。取水工程為泵站工程，自保德天橋庫區(qū)取水，引水隧洞工程等；輸水工程為總干線、東干線、西干線及支線輸水工程。輸水線路總長384.5km。供水范圍包括省內(nèi)四市十六個縣。

線路走向西干線接總干線向西南方向從石樓縣東部山區(qū)穿過，設(shè)柳林生態(tài)園分水口及石樓縣分水口，然后隧洞再向南，穿分水嶺后進(jìn)入隰縣境內(nèi)。

主要建筑物包括：取水口進(jìn)水塔、引水隧洞、調(diào)壓池、取水泵站、壓力管道、出水池、干線及支線輸水隧洞、倒虹吸、渡槽等建筑物。

隧洞為工程的主要組成部分，隧洞工程的正常施工關(guān)系到中部引黃工程的全面建設(shè)，本文主要針對隧洞工程不良地質(zhì)地段超前管棚支護(hù)進(jìn)行論述。

2 地質(zhì)情況說明

山西省中部引黃工程施工總干線全部及西干線大部分地段地震動峰值加速度值0.05g，地震動反映譜特征周期值0.45s，地震基本烈度6度。西干線末段的隰縣段及東干、東干交汾靈支線、汾孝介支線地震動峰值加速度值0.10～0.15g，地震動反映譜特征周期值為0.40～0.45s，地震基本烈度為7度。

西干線引水隧洞從呂梁山南麓穿過，沿線地形起伏較大，河流及沖溝發(fā)育。沿線主要河流有南川河、暖泉河、東石羊河、龍交河、屈產(chǎn)河及城川河等，均為黃河體系；較大的沖溝主要有韓尾溝、老羊頭溝、炭窯溝、岔溝、干河溝、前岔溝、瑪垴溝、小溝、寺溝、鳳渠溝、土道溝、成家溝、羅義溝、土木溝、馬山溝、高崖溝、豹子溝、神道溝、神桃溝等。

隧洞沿線穿過地層從老到新有：太古界呂梁山群古老變質(zhì)巖；震旦亞界長城系石英砂巖；古生界寒武系及奧陶系灰?guī)r、白云巖及泥灰?guī)r；石灰系，二疊系及中生界三疊系砂頁巖；新生界上第三系、第四系松散層等。

隧洞基本與離石大斷裂平行，巖體中斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育。巖層總體上走向為NE～NW向，傾向為NE～SW向，傾角多為平緩，局部較陡，受褶皺及斷裂構(gòu)造影響，局部發(fā)生變化。

隧洞沿線地下水主要有：太古界呂梁山群變質(zhì)巖類裂隙水、寒武奧陶系碳酸巖類裂隙巖溶水、石炭系和三疊系砂巖裂隙水與松散巖類孔隙水四種類型。

3 不良地質(zhì)情況及處理措施

山西省中部引黃隧洞工程不良地質(zhì)情況存在多種情況，主要有部分支洞和主洞為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，地質(zhì)不確定性因素較多，穩(wěn)定性差，開挖過程中洞頂易坍塌。

部分洞段巖溶地下水位位于洞頂以上。隧洞開挖時可能出現(xiàn)涌水或突水現(xiàn)象。

部分洞段埋深較大，在地應(yīng)力作用下，圍巖易產(chǎn)生變形等。

3.1 預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)措施

預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)主要有超前地質(zhì)勘探、選擇合理的施工程序和方法、超前支護(hù)等。

超前勘探預(yù)先探明斷層破碎帶及涌水地段的位置和規(guī)模，判斷該段巖性、產(chǎn)狀、巖層的性質(zhì)和厚度、節(jié)理裂隙、斷層以及巖體的結(jié)構(gòu)；通過對鉆孔內(nèi)水壓力的量測或抽水試驗，探測各段水文地質(zhì)情況，包括涌水量和水壓力等。

預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)，應(yīng)遵循“早預(yù)報、預(yù)加固、防排水、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的原則。

當(dāng)斷層帶、節(jié)理發(fā)育段圍巖較為破碎時，超前支護(hù)主要采取超前錨桿、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿或超前管棚法，在超前支護(hù)的保護(hù)下，分塊、分層、分區(qū)域開挖，預(yù)防圍巖坍塌。

3.2 地下涌水特點及處理

對地下水活動較嚴(yán)重的洞段，由于隧洞本身具有封閉的特點，當(dāng)大量地下水涌入隧洞時，則隧洞可能會在極短的時間內(nèi)被淹，造成人員和設(shè)備的損失，須采取措施。處理方式一般采用排、堵、截、引等綜合考慮。

3.3 巖爆的形成及預(yù)防

巖爆多發(fā)生在隧洞埋深較大、巖體完整、干燥和質(zhì)地堅硬的巖層。巖爆處理為加強(qiáng)巖爆區(qū)支護(hù)，如掛網(wǎng)噴錨支護(hù)、混凝土襯砌、噴鋼纖維混凝土等。調(diào)整圍巖應(yīng)力狀態(tài)，如松動爆破法、超前鉆孔預(yù)爆法、噴射高壓水沖洗法等，達(dá)到預(yù)先釋放能量，預(yù)防巖爆發(fā)生。

3.4 塌方的產(chǎn)生及處理

隧洞施工過程中遇到斷層、破碎帶等，開挖后出現(xiàn)應(yīng)力釋放，承壓塊、松散結(jié)構(gòu)、顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差、小褶皺、巖層軟硬相間體及施工方法不當(dāng)?shù)?，易產(chǎn)生坍塌或滑塌現(xiàn)象，稱為塌方。

塌方處理一般采用加固塌方圍巖，及時支護(hù)結(jié)構(gòu)，托住頂部，清除塌渣，隨挖隨噴射混凝土，同時配備臨時支撐構(gòu)件。

3.5 有害氣體及預(yù)防

隧洞開挖過程產(chǎn)生的瓦斯、煤氣、甲烷等為有害氣體。預(yù)防有害氣體主要有超前探測、排放、通風(fēng)、防護(hù)及注漿止氣等方法。

3.6 軟巖地段施工處理

巖石及巖層遇水軟化，具有容易變形、承載力差等特點。軟巖地段一般采用疏通地表排水，堵塞地表裂縫、超前加固圍巖、縮小開挖斷面、進(jìn)行有效支護(hù)等。

4 管棚的適用范圍及結(jié)構(gòu)要求

超前管棚支護(hù)適用于圍巖破碎、自穩(wěn)性差的洞口、支洞及主洞段。為了增加穩(wěn)定性，超前管棚支護(hù)一般與鋼拱架結(jié)合使用，使圍巖穩(wěn)定，避免塌方。

山西省中部引黃隧洞工程中洞口、支洞及主洞段存在不良地質(zhì)地段，需要多種處理方式。目前只針對使用超前管棚支護(hù)方法進(jìn)行論述。在超前管棚支護(hù)前，先在隧洞頂拱開挖區(qū)外按斜角15°鉆孔，成孔后安裝鋼管棚。管棚采用φ89mm、壁厚5mm、長度8～10 m的鋼制花管，鋼管間距要求不大于1m，縱向兩組管棚之間搭接長度不小于2m，鋼管外露端與鋼格柵拱架牢固焊接；然后通過鋼制花管對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，使圍巖形成穩(wěn)定的頂拱。超前管棚支護(hù)后，從上而下進(jìn)行開挖，邊開挖邊進(jìn)行格柵拱架的分段安裝，及時對暴露巖石進(jìn)行噴混凝土保護(hù)。

5 管棚支護(hù)的實施

針對山西省中部引黃工程隧洞中特點，根據(jù)規(guī)程、規(guī)范的要求，對管棚支護(hù)使用的原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，對施工設(shè)備加強(qiáng)維修保養(yǎng)，對施工方案進(jìn)行精心審查，對工藝流程科學(xué)安排，嚴(yán)格施工過程監(jiān)督管理，詳細(xì)情況敘述如下。

5.1 原材料

超前管棚支護(hù)使用的鋼管、鋼筋、水泥、水、外加劑等，首先檢驗出廠合格證，然后取樣試驗，滿足要求。

5.2 設(shè)備

在超前管棚支護(hù)施工前，對ZQS-100B潛孔鉆進(jìn)行維修和保養(yǎng)，對底座認(rèn)真檢查，正式開鉆前做試驗性鉆孔。

5.3 注漿施工工藝流程

施工準(zhǔn)備（機(jī)具檢修、備料）——鋼管原材料抽檢——加工鋼管（鉆機(jī)就位）——鋼管與鉆機(jī)連接——鉆孔（地質(zhì)鉆機(jī)）——鉆孔達(dá)到設(shè)計深度（鉆機(jī)移位）——管棚鉆孔完成——安裝灌漿管道——管道壓力試驗（配漿）——注漿——結(jié)束。

5.4 施工方案

1）鉆孔。采用ZQS-100B型潛孔鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔就位，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對每個孔進(jìn)行編號。鉆孔外插角2°～4°，鉆孔仰角的確定根據(jù)鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度確定，施工時控制在2°～2.5°。過程中控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量。控制鉆孔平面位置，管棚不允許侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不相撞和立交。量測孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時糾正，至終孔仍超限時采用封孔重鉆。對鉆孔檢查，慢速鉆進(jìn)，待導(dǎo)向部位或鉆頭進(jìn)入巖層后，加速鉆進(jìn)。鉆頭粘貼黃土或停止鉆進(jìn)時，須將鉆頭提出孔外。鉆孔作業(yè)分班連續(xù)進(jìn)行，及時填寫鉆孔記錄，交接班時提交注意事項并簽字確認(rèn)。

2）清孔驗孔。鉆孔深度達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，對孔深、孔徑進(jìn)行檢查，滿足要求時清孔。清孔時采用高壓風(fēng)槍掃孔，清除雜物。

3）注漿順序。從隧洞的拱頂對稱向下進(jìn)行，如遇漏漿或跑漿，則間隔一個孔或三個孔注漿，注漿結(jié)束后利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力穩(wěn)定，直至漿液完全凝固。

4）注漿。水泥加水玻璃現(xiàn)場拌制，漿液攪拌均勻，隨拌隨用。漿液配置過程中，現(xiàn)場人員監(jiān)督，及時填寫注漿原始記錄、水泥用量、注漿時間、注漿壓力和注漿量。水泥加水玻璃配合比為水泥：水：水玻璃=516kg：412kg：627kg。注漿設(shè)備進(jìn)場后連接壓力表，調(diào)試注漿機(jī)和注漿流量記錄儀，做好試模，為注漿做好準(zhǔn)備。注漿采用一次性注漿，注漿過程中壓力為0.3MPa～0.5MPa，持續(xù)時間5min，然后關(guān)閉止?jié){閥，停止注漿，對完成注漿的鋼管末段采用球閥封堵，編號備案。

5）注漿結(jié)束條件。單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓后，漿液注入量已達(dá)到設(shè)計值的80%以上，施工段注漿全部結(jié)束后，所有的孔全部符合單孔結(jié)束條件時，可判斷注漿結(jié)束。

6）注漿效果檢驗。每個孔的注漿壓力，是否達(dá)到設(shè)計值；在注漿過程中漏漿、跑漿是否嚴(yán)重；注漿量保持并擴(kuò)散均勻，分析是否滿足設(shè)計要求。幾個方面均達(dá)到要求的前提下，可認(rèn)為注漿效果良好。

6 管棚支護(hù)現(xiàn)場檢測

對山西省中部引黃隧洞工程中洞口、支洞及主洞段三處超前管棚支護(hù)現(xiàn)場檢查，結(jié)果如下：

1）孔位、孔深、孔斜。對三處共10個點的孔位、孔深、孔斜進(jìn)行檢查，有9個孔全部符合要求；有1點孔位偏差超出3cm，經(jīng)處理滿足要求。

2）孔口封閉、止?jié){閥。對三處共15個鋼管管口檢查，全部安裝止?jié){閥，注漿結(jié)束后均采取了孔口封閉，符合要求。

3）注漿壓力、注漿量。經(jīng)過比對和查閱過程資料，超前管棚支護(hù)三處70組數(shù)據(jù)，注漿壓力處于0.35～0.5MPa之間，單根管注漿量為0.5～1.4m3，符合設(shè)計規(guī)定的注漿壓力及注漿量要求。

7 結(jié)束語

山西省中部引黃隧洞工程中局部地質(zhì)條件為不良地質(zhì)地段，通過實施超前管棚支護(hù)，綜合效果顯著。

7.1 梁式結(jié)構(gòu)和拱殼效應(yīng)同時發(fā)揮作用

在隧洞的洞口、支洞和主洞不良地質(zhì)地段，實施超前管棚支護(hù)，先施工的管棚以掌子面前方圍巖支撐和后方圍巖支撐為連接點，形成梁式結(jié)構(gòu)，二者形成環(huán)繞隧洞拱部的殼狀結(jié)構(gòu)，有效抑制圍巖松動和塌方。

7.2 改善力學(xué)性能，加固破碎巖體

不良地質(zhì)地段節(jié)理裂隙發(fā)育，超前管棚支護(hù)時注漿漿液經(jīng)管壁孔進(jìn)入圍巖裂隙中，使圍巖松散體膠結(jié)和固結(jié)，改善了破碎巖體的物理力學(xué)性能，增強(qiáng)了圍巖承受能力，起到了加固管棚周邊圍巖的目的。

7.3 管棚形成的半圓形可降低爆破沖擊波作用

隧洞爆破施工過程中，掌子面爆破產(chǎn)生的沖擊波和爆破產(chǎn)生的氣體，擴(kuò)散時遇到超前管棚支護(hù)形成的半圓形被發(fā)射、吸收或繞射，可降低爆破沖擊波對圍巖擾動或破壞。

7.4 支撐巖體，保證施工安全

隧洞超前管棚支護(hù)剛性增大，管棚上部活動體移動或坍塌到管棚上，起到緩沖作用，減少二次破壞。另外，在隧洞中超前管棚支護(hù)可增強(qiáng)巖面穩(wěn)定性，安全系數(shù)增大，確保施工過程安全。