超前管棚支護(hù)在輸水隧洞復(fù)雜地層中的應(yīng)用

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(hù)措施不及時，圍巖變形可能超出其容許范圍，嚴(yán)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(hù)方式及合理參數(shù)范圍與公路隧洞不同。20世紀(jì)70年代，管棚支護(hù)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)為是“Antwerp 技術(shù)”的繼續(xù)和延伸。國內(nèi)20世紀(jì)80年代中期開始在隧洞工程中采用管棚支護(hù)技術(shù)，并不斷研究其內(nèi)在作用機(jī)理及相關(guān)設(shè)計細(xì)節(jié)。在水利工程的隧洞施工中，超前管棚支護(hù)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(hù)［3］，福清市閩江調(diào)水超前管棚支護(hù)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(hù)技術(shù)仍然存在機(jī)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(hù)措施為例，對管棚的加固機(jī)制及加固效果進(jìn)行對比分析，給出超前支護(hù)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(hù)

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(biāo)準(zhǔn)、原規(guī)模的原則進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)進(jìn)洞，在超前支護(hù)下，短尺掘進(jìn)，同時輔以噴錨支護(hù)與注漿相結(jié)合的方法施工。管棚支護(hù)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(jìn)入穩(wěn)定圍巖3 m以上。

圖1 管棚支護(hù)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(dá)到2．0 MPa而注漿不進(jìn)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(hù)施工工藝程序為：準(zhǔn)備施工—安裝導(dǎo)向管—搭設(shè)鉆孔平臺—安裝鉆機(jī)—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(hù)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(dá)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(hù)

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(yán)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(hù)法，在管棚保護(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(hù)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(dá)到2．0 MPa而注漿不進(jìn)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(hù)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(hù)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(hù)

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(jìn)出口樁號分別為 3+564．03 m、11+032．41 m，全長7 468．38 m，進(jìn)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(tuán)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(dá)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(kuò)大。

4．3 管棚設(shè)計

鑒于黃李隧洞存在嚴(yán)重的安全隱患，不能保證正常的城市供水任務(wù)，急需進(jìn)行除險加固。為了保證施工安全，采用管棚超前支護(hù)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(jìn)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(hù)，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(jìn)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(dá)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(dá)到2．0 MPa而注漿不進(jìn)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(hù)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(hù)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(jìn)行輸水隧洞施工，超前管棚支護(hù)是一種行之有效的支護(hù)措施，對超前管棚支護(hù)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(hù)的設(shè)計參數(shù)。

（2）管棚支護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)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(hù)之中。實際施工效果證明超前管棚支護(hù)技術(shù)對于復(fù)雜地層中的輸水隧洞施工是安全的。