水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護(hù)施工方案分析

肖松飛

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350011)

?

水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護(hù)施工方案分析

肖松飛

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350011)

水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護(hù)施工是水庫分層取水工程中十分重要的一部分，對(duì)水庫分層取水工程的建設(shè)、使用及維護(hù)有著重要的影響?；诖?，文章以莆田市東圳水庫分層取水工程為例，剖析水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護(hù)施工中存在的問題，并針對(duì)性地提出的改進(jìn)策略。同時(shí)，結(jié)合工程施工實(shí)踐對(duì)隧洞管棚支護(hù)施工方法和施工步驟進(jìn)行了深入探討，設(shè)計(jì)出合理的分層取水工程出水口隧洞管棚支護(hù)施工方案，以促進(jìn)水庫分層取水工程的順利進(jìn)行以及提高其工程質(zhì)量，提高出水口隧道管棚支護(hù)施工的安全性。

水庫分層取水工程；出水口隧道；管棚支護(hù)施工；隧洞塌方；施工方案

0 引 言

對(duì)水庫分層取水工程的出水口隧道管棚支護(hù)施工方案的研究時(shí)脫離不開對(duì)其典型案例的分析。莆田市東圳水庫分層取水工程，由莆田市東圳水庫管理局投資建設(shè)。其在施工當(dāng)中所出現(xiàn)的問題在水庫分層取水工程當(dāng)中具有顯著的代表意義，因此，本文以此為例對(duì)其在施工當(dāng)中所存在的問題進(jìn)行分析，并探討在施工當(dāng)中如何有效地解決其所存在的問題。莆田市東圳水庫分層取水工程其工程的復(fù)雜程度以及工程的建造難度在水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護(hù)施工方案當(dāng)中有十分重要的借鑒和參考價(jià)值。另外，本文以東圳水庫出水口隧洞的施工進(jìn)程為例，對(duì)施工方案進(jìn)行研究和分析，不僅對(duì)水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護(hù)施工方案有更為深刻的了解與印象，對(duì)施工過程當(dāng)中的施工重點(diǎn)及施工措施，也有更全面的認(rèn)識(shí)。

1 工程概況

東圳水庫位于福建省莆田市城廂區(qū)常太鎮(zhèn)、木蘭溪支流延壽溪的中游，水庫大壩建于莆田市西北向約6km處的常太鎮(zhèn)松峰村，水庫分層取水工程為新建岸塔式進(jìn)水口，進(jìn)水口緊接引水隧洞，引水隧洞設(shè)計(jì)平面軸線總長1237.4m，其中：樁號(hào)D0+000.00～D0+010.00段為進(jìn)水塔與隧洞的漸變段，開挖斷面由3.2m×3.4m(寬×高)矩形漸變?yōu)镈=3.4m，平底寬3.0m的馬蹄形，圍巖類別為Ⅲ類；樁號(hào)D0+010.00～D1+150.00段開挖斷面為方圓馬蹄形，D=3.4m，平底寬3.0m，圍巖類別為Ⅱ～Ⅲ類；樁號(hào)D1+150.00～D1+237.47段為隧洞出口段，圍巖類別為Ⅴ類，洞頂覆蓋層風(fēng)化深、巖體薄，推測(cè)洞室圍巖的穩(wěn)定性差，隧洞開挖時(shí)需采取工字鋼格柵框架、加噴混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，隧洞開挖開挖斷面為D=4.0m，平底寬4m的城門形，臨時(shí)支護(hù)后隧洞凈斷面不小于D0+010.00～D1+150.00段開挖斷面。由此，可以看出，東圳水庫項(xiàng)目具有較強(qiáng)的典型性，施工單位在對(duì)其出水口隧道管棚支護(hù)實(shí)施施工的過程中，要充分考慮到地形、地貌及工程性質(zhì)。注重工程施工安全，提高施工質(zhì)量。

2 水庫分層取水工程隧洞出口段施工過程所存在的問題

2.1 爆破進(jìn)洞和開挖過程中的坍塌冒頂與冒水問題

莆田市東圳水庫分層取水工程隧洞洞室采用鉆爆法、光面爆破開挖。2013年4月3日，隧洞從出口工作面開始爆破進(jìn)洞，4月23日，隧洞開挖至設(shè)計(jì)樁號(hào)D1+206.70斷面時(shí)，洞室圍巖地質(zhì)出現(xiàn)變化，掌子面出露全風(fēng)化巖土體、含水率高，施工單位采取沿洞頂鉆設(shè)超前錨桿支護(hù)再掘進(jìn)的施工方法，開挖出渣后，洞頂和側(cè)壁出現(xiàn)塌方；4月24日，施工單位加密布置洞頂錨桿繼續(xù)開挖，并加大錨桿的長度，最長達(dá)6.0m，但由于出渣后未能及時(shí)安裝拱架支撐，洞室塌方進(jìn)一步加劇，同時(shí)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)于開挖位置的洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)塌陷變形，因洞頂塌陷還連帶引起施工道路路基塌方，塌方土體溜向隧洞頂；4月25日～27日，施工單位采取洞頂減載方案，在隧洞塌方相應(yīng)的洞頂?shù)乇憩F(xiàn)澆一片鋼筋混凝土卸荷板，面積8.0m×9.0m，厚0.2m，原意通過卸荷板起“板凳原理”效應(yīng)，將洞頂以上道路塌方產(chǎn)生的附加荷載傳遞給洞室兩側(cè)山體，以減輕洞室上部壓力，但由于洞室上部山體已形成“漏斗狀”塌落變形，且受到地下水作用，洞渣呈流塑狀向出洞口方向滑動(dòng)，洞頂塌方至冒頂，洞頂混凝土卸荷板也變形滑落至洞室頂部附近，現(xiàn)場(chǎng)無法有效掘進(jìn)，隧洞開挖暫停。此次塌方處理由于施工隊(duì)經(jīng)驗(yàn)不足，最終導(dǎo)致在施工當(dāng)中出現(xiàn)了塌方冒頂?shù)那闆r。

5月3日開始，施工單位采取“管棚法(未注漿法)支護(hù)”方案處理隧洞塌方，先回填土方將洞室上部已冒頂?shù)穆┒房涨蝗麧M，而后從地表往下對(duì)隧洞拱圈外圍的土體作充填灌漿加固，然后從樁號(hào)D1+206.70斷面開始，以“管棚法”，即超前錨桿加鋼拱架支護(hù)進(jìn)行隧洞開挖，但由于回填土方含水率高，從地表往下垂直灌漿加固效果較差，回填土體一趟松散，隧洞快挖仍無法有效掘進(jìn)[1]；5月23日開始，施工單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、氣候因素、施工設(shè)備、技術(shù)資源以及施工班組的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)與組織能力等，采取“明挖法”處理斷層塌方段，先明挖清楚洞頂已塌滑變形的土方，再沿設(shè)計(jì)位置澆筑鋼筋混凝土洞室，而后回填土方恢復(fù)洞頂?shù)匦?，?月25日，完成D1+206.70～D1+197.70段的塌方處理；7月1日開始，現(xiàn)場(chǎng)采用“管棚法(未注漿法)支護(hù)”繼續(xù)隧洞開挖，開挖揭露圍巖地質(zhì)仍為全風(fēng)化巖體，地下水豐富，且洞內(nèi)出現(xiàn)間歇性強(qiáng)涌水，全風(fēng)化巖土呈飽和狀，后經(jīng)調(diào)查，為地表工廠向地下強(qiáng)排壓力水所致[2]。終于于7月9日，隧洞開挖至D1+185.70斷面時(shí)管棚鋼拱架再次坍塌，洞渣巖土成流塑狀，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)D1+197.70～D1+185.70段臨時(shí)鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體下沉，沉降位移14～18cm，隧洞開挖被迫暫停。

2.2 進(jìn)洞施工當(dāng)中的污水污染以及地下水排放問題

通過對(duì)莆田市東圳水庫分層取水工程施工情況的分析可以看出，進(jìn)洞施工過程中比較突出的問題主要還是污水污染以及地下水排放方面的問題。具體可以從以下工程事例中看出。2013年7月9日莆田市東圳水庫分層取水工程出現(xiàn)了一定的塌方。12日施工單位迅速組織召開專題會(huì)議，與會(huì)各方認(rèn)真分析塌方原因：從坍塌土質(zhì)情況看，塌方土體為流塑狀，且在洞挖過程中每天定時(shí)出現(xiàn)多次涌水，涌水時(shí)間長并帶有一股剌鼻的味道，涌水位置不集中，其涌水量大大超出設(shè)計(jì)地下水預(yù)計(jì)范圍。[3]通過業(yè)主、監(jiān)理及施工單位對(duì)洞內(nèi)涌水的位置及情況現(xiàn)場(chǎng)勘察后發(fā)現(xiàn)，洞頂上方右側(cè)有一紙箱廠的排污機(jī)井(井深32m，直徑0.8m)，該井距原洞軸線僅8.0m。由此，可以看出其排污的污水通過斷裂帶裂隙流至洞挖工作面是造成塌方的主要原因。

同時(shí)，排水問題在地下進(jìn)洞施工當(dāng)中十分普遍存在的問題 ，一方面在地下，由于空間狹小，以及水往低處流的規(guī)律[4]，在掌子面匯集了大量地下水，一方面由于工人長時(shí)間在地下洞室操作，身上接觸皮膚均出現(xiàn)不同程度的潰爛。因此地下水如何排放以及如何解決排放當(dāng)中所存在的污染問題就成了困擾莆田市東圳水庫分層取水工程施工單位的重要問題[5]。

3 水庫分層取水工程出口段隧洞注漿管棚支護(hù)施工解決方案

認(rèn)真分析和總結(jié)引起隧洞屢次發(fā)生塌方和處理失敗的原因，認(rèn)為：

1)洞線右側(cè)上方紙箱廠機(jī)井高壓排水是引起隧洞工程地質(zhì)條件惡化，造成臨時(shí)支護(hù)屢次失敗的主要原因。

2)在搶進(jìn)度、努力處理洞內(nèi)突發(fā)事件方面，施工單位的態(tài)度是主動(dòng)的、積極的，其能根據(jù)自身施工組織能力，想方設(shè)法處理事變、爭取早日搶過斷層軟弱帶，但因?qū)Χ磧?nèi)地質(zhì)變化引起的困難和風(fēng)險(xiǎn)判斷缺乏經(jīng)驗(yàn)，終造成屢次失敗。

根據(jù)上述問題及現(xiàn)場(chǎng)的情況，塌方的處理解決應(yīng)是相輔相成的，必須考慮地下水對(duì)洞身的影響，經(jīng)多方探討，提出采用注漿管棚法進(jìn)行施工，即“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網(wǎng)+噴射C30混凝土” 支護(hù)的方式，以供各方研究是否可行。此方案的主要出發(fā)點(diǎn)是考慮施工進(jìn)度、安全生產(chǎn)和技術(shù)成熟程度的同時(shí)，盡快使洞身入巖。本工程利用注漿管棚法有以下優(yōu)勢(shì)：①充分利用管棚工作機(jī)理，以鋼管作為超前支護(hù)，鋼管結(jié)合鋼拱架起到簡支梁作用，確保開挖過程安全通過；②在鋼管內(nèi)注入水泥漿，通過注漿將圍巖孔隙和破碎的巖塊結(jié)成一定強(qiáng)度的整體，除提高圍巖自身強(qiáng)度和穩(wěn)定外，還可以有效阻止隧洞地下水和污水的對(duì)掌子面的影響；③本工程中地下水和污水可以通過事先打設(shè)的排水管統(tǒng)一接引流到地面上PVC排水管內(nèi)。

3.1 注漿管棚法施工

工程最終確定的臨時(shí)支護(hù)方案采用“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網(wǎng)+噴射C30混凝土” 支護(hù)的方式，具體見圖1、圖2。

圖1 管棚支護(hù)橫斷面

圖2 管棚支護(hù)縱斷面

施工過程 ：

3.1.1 施工準(zhǔn)備

鋼管采用熱扎無縫鋼管Φ100×5mm和Φ50mm×4mm，施打前將鋼管進(jìn)行鉆孔加工，鉆成花管，用于排水和注漿用。Φ50mm鋼管鉆孔Φ6，孔間距30cm，梅花型布置，管外露部分不加工；Φ100mm鋼管鉆孔Φ10，孔間距30cm，梅花型布置。鋼拱架由16a工字鋼、連接鋼板焊接成型，在洞外加工場(chǎng)預(yù)制。注漿水泥采用42.5R早強(qiáng)型水泥。

3.1.2 管棚施工

由于管棚的超前支護(hù)作用,管棚支護(hù)前，先在斷層帶交接面外緊靠安裝兩榀鋼拱架，而后在拱架上方以30°左右仰角鉆設(shè)一排Φ100×5mm排水管，鋼管長5.0～7.0m，拱頂均勻布設(shè)5根，作為注漿后頂拱土體的排水用，隨后沿拱架外緣，以8°～12°仰角鉆設(shè)Φ50mm鋼管作為超前錨桿，共布設(shè)2排，管中心距約150mm，超前桿鋼管長7m，頭部削尖。初期鉆入巖長5.5m，并預(yù)留約1.5m長外露作為超前桿后座支撐，后續(xù)隨著洞挖掘進(jìn)、前排繼續(xù)安裝鋼拱架支撐承載。超前錨桿安裝后，即開始注水泥漿，沿管內(nèi)以0.2～0.4MPa壓力灌注水泥漿，在洞室拱頂及側(cè)壁巖土體內(nèi)形成水泥結(jié)土圈，在水泥土體達(dá)到一定強(qiáng)度后(約3～5d)，以“人工為主，機(jī)械為輔”方法進(jìn)行斷層帶隧洞開挖。

3.1.3 開挖及支護(hù)施工

管棚注漿施工完成3～5d后，利用工作面正坡傾斜的特點(diǎn)，先行開挖兩側(cè)墻腳，掘進(jìn)50cm～80cm，鋼拱架隨后及時(shí)跟進(jìn)，架立第一榀鋼拱架支架，并將拱架與超前桿鋼管有接觸的位置進(jìn)行焊接，而后再進(jìn)行洞身開挖，開挖50～80cm后，再架立鋼拱架支護(hù)，周而復(fù)始，當(dāng)開挖至超前錨桿頭0.5m時(shí)，開始鉆設(shè)第二段錨桿，隨后采了與第一段相同的施工方法進(jìn)行隧洞開挖，安裝臨時(shí)支護(hù)拱架，再開挖、再安裝拱架，周而復(fù)始，直至穿過斷層帶。

同時(shí)開挖過程中由于洞頂和側(cè)墻進(jìn)行注漿，隧洞內(nèi)的地下水和污水用軟管通過事先打設(shè)的排水管統(tǒng)一接引流到地面上PVC排水管內(nèi)。

3.1.4 安裝鋼拱架

鋼拱架材料采用16a工字鋼,結(jié)點(diǎn)的連接板用Φ.Avczx16的螺絲連接牢固。鋼拱架必須盡可能多的與管棚和系統(tǒng)錨桿相焊接，地基泡爛承載力不夠時(shí)，可在拱架底腳采用16#槽鋼做為墊腳。鋼拱架的縱向間距控制在0.5m,每榀鋼拱架兩側(cè)側(cè)墻與底腳處各設(shè)3根Φ22定位錨筋，并與每榀拱架焊接在一起。安裝鋼拱架時(shí)拱架緊貼洞室開挖面，若局部有空隙用石塊楔緊。

3.1.5 噴護(hù)施工

當(dāng)隧洞每段管棚開挖及支護(hù)完成后,即噴21cm厚的C30混凝土封閉洞身巖面,同時(shí)作為鋼拱架的覆蓋保護(hù)厚度。噴射C30混凝土前，先將鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為Φ6@200mm焊接于拱架上。隨后噴射C30混凝土，以覆蓋鋼筋網(wǎng)保護(hù)層厚度≥50mm為準(zhǔn)。

3.2 對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管和監(jiān)督

通過質(zhì)量保證體系的有效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)本工程質(zhì)量目標(biāo)[6]。實(shí)行質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)化，執(zhí)行質(zhì)量承包責(zé)任制，將工程項(xiàng)目的各項(xiàng)管理工作和執(zhí)行辦法訂成規(guī)章制度并作為經(jīng)理部每個(gè)施工技術(shù)員的考核標(biāo)準(zhǔn)，做到職責(zé)分明。

建立質(zhì)量反饋系統(tǒng)，確保質(zhì)量檢驗(yàn)信息傳遞及時(shí)、順暢，并與監(jiān)理、質(zhì)監(jiān)等部門的質(zhì)量監(jiān)督體系聯(lián)接，及時(shí)掌握本工程項(xiàng)目的質(zhì)量動(dòng)態(tài)，提高質(zhì)量管理效能。

加強(qiáng)施工技術(shù)管理，嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)。開工前認(rèn)真閱讀圖紙，做好現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)資料的復(fù)核工作。

4 施工效果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

采用“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網(wǎng)+噴射C30混凝土”進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)處理后，出口段隧洞的開挖成形質(zhì)量得到保證，整體外觀質(zhì)量較好，施工期監(jiān)測(cè)鋼拱架只有少量的沉降，但在規(guī)范允許范圍內(nèi)。在后期1年半的隧洞爆破開挖和襯砌施工過程中臨時(shí)支護(hù)均未發(fā)生較大的變形和沉降，整個(gè)施工期間管棚支架系統(tǒng)穩(wěn)定滿足要求。

管棚法在施工過程中的一些經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

1)要尊重科學(xué)，管棚法支護(hù)是一種比較早也是比較成熟的隧洞塌方處理施工技術(shù)，在處理塌方過程中不能心存僥幸心理，偷工減料。

2)選擇有經(jīng)驗(yàn)的班組是隧洞塌方處理能否成功的一個(gè)首要條件，本工程前期一個(gè)班組由于處理經(jīng)驗(yàn)不足，在同樣處理管棚法時(shí)，認(rèn)識(shí)不足，最終導(dǎo)致失敗。

3)在處理隧洞塌方時(shí)必要時(shí)需24h三班倒連續(xù)作業(yè)，時(shí)間過長土洞段地下水匯集在掌子面將土方浸泡而形成流塑狀泥土。

4)鋼拱架支護(hù)需慢慢進(jìn)占，配合洞身開挖鋼拱架一榀一榀地向前安裝支撐，間距不可過大，以免拱頂超前錨桿變形。

5 結(jié) 語

水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護(hù)施工方案的有效性評(píng)價(jià)，要結(jié)合施工實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)，方案不僅要滿足項(xiàng)目質(zhì)量及施工規(guī)范的要求。同時(shí)，要保障施工安全，降低施工成本。通過對(duì)莆田市東圳水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護(hù)施工方案的研究也可以看出，在施工實(shí)踐中，不僅要考慮施工環(huán)境、技術(shù)、團(tuán)隊(duì)等方面的因素，還要考慮施工的經(jīng)濟(jì)性及效益性。加強(qiáng)管棚施工的全程化監(jiān)控，不僅可以有效提高施工效率，還能有效保障工程施工人員的生命安全?？傊?，制定合適的施工方案，對(duì)于提高工程施工質(zhì)量、保障施工安全具有非常重要的價(jià)值。

[1]李國權(quán).抽水蓄能電站地下工程施工技術(shù)[D].南京：河海大學(xué),2006.

[2]易立.輸水隧洞工程錨噴設(shè)計(jì)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué),2006.

[3]馬建,孫守增,趙文義,王磊,馬勇,劉輝,張偉偉,陳紅燕,陳磊,魏雅雯,葉飛.中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2015[J].北京：中國公路學(xué)報(bào),2015(05):1-65.

[4]石少帥.深長隧道充填型致災(zāi)構(gòu)造滲透失穩(wěn)突涌水機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)控制及工程應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2014.

[5]王仁龍.超前管棚支護(hù)在中部引黃隧洞工程中的應(yīng)用[J].山西水利科技,2014(01):8-9，14.

[6]徐升.葫蘆壩水電站引水隧洞的支護(hù)方法與施工技術(shù)[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué),2008.

2016-09-03

肖松飛(1981-)，男，福建莆田人，工程師，從事工程監(jiān)理方面工作。

1007-7596(2016)09-0109-04

TV697

B