富水泥礫層淺埋隧洞大管棚施工技術(shù)

羅飛輪，熊 亮，劉曦龍

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

引綽濟(jì)遼輸水隧洞工程施工六標(biāo)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟突泉縣境內(nèi)，主體包含蛟流河倒虹吸和6#輸水主洞第一段，6#輸水主洞第一段為無壓隧洞，長14.687km，開挖斷面為圓拱直墻型，設(shè)5條開挖斷面均為圓拱直墻型的施工支洞。

其中6-5#施工支洞開挖斷面為7.2m×7.3m，長177.23m，支洞進(jìn)口高程為310.6m，與主洞在樁號T93+987.25處相交，交匯處支洞底面高程為287.08m，進(jìn)口段至交匯處縱坡降為13.13%。

1.1 地質(zhì)條件

6-5#支洞進(jìn)口底面高程310.5m～311m，地形平坦，覆蓋層為礫質(zhì)砂壤土及砂礫石，厚度約4.8m～5.5m；基巖為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，全風(fēng)化層巖芯多呈散體泥化物夾風(fēng)化碎石，泥化物多呈軟塑～可塑狀，局部泥質(zhì)與碎石膠結(jié)呈柱狀，用手可輕易掰碎，風(fēng)化碎石多呈棱角狀，裂隙面呈黃褐色，全風(fēng)化層分布厚度大于10m，鉆孔15m深度內(nèi)未揭穿該層。勘察期間地下水位埋深約2.1m～2.6m，隧洞自進(jìn)洞點起，洞身均位于地下水位以下，地下水豐富，圍巖均為Ⅴ類。

1.2 施工難點

由于地質(zhì)條件差，加上工期緊，施工中存在涌水、突水、坍塌、遇水軟化、成洞困難及安全風(fēng)險高等施工難點：

(1)施工難度大：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，明挖段開挖1.8m左右地下水出露，且地下水豐富，補(bǔ)給穩(wěn)定，在不采取降水措施下，完全處于水下開挖，圍巖以全風(fēng)化凝灰?guī)r為主，遇水軟化，施工難度大。另支T#0+000樁號表土清理后，洞頂泥礫層覆蓋僅有20cm左右，無法成洞。

(2)安全風(fēng)險高：現(xiàn)場表土剝離后，出露為級配不良泥礫層，根據(jù)地質(zhì)報告，支洞以凝灰?guī)r為主，全洞段均為Ⅴ類圍巖，且由于地下水豐富，施工中存在涌水、突水、坍塌的風(fēng)險比較高，對施工人員的人身安全威脅較大，施工中安全控制是一大難點。

(3)施工工期緊：6-5#施工支洞的工期制約著支洞上下游主洞的施工工期，處在本標(biāo)關(guān)鍵線路上。

2 施工方案的優(yōu)選

針對富水泥礫狀級配不良礫層地質(zhì)條件，施工前，以隧洞兩側(cè)直墻起拱線下1m作為試驗段進(jìn)行工藝試驗，通過分析安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等因素，比較多種方案，最后確定采用左右墻體間隔分序進(jìn)行大管棚施工的技術(shù)方案，該方案用時較短、難度較低、經(jīng)濟(jì)可行。

2.1 傳統(tǒng)施工程序及存在的問題

傳統(tǒng)施工工序：當(dāng)井點降水后，即進(jìn)行單循環(huán)大管棚施作，單根長30m，自右側(cè)Ⅰ-1#孔起，按序進(jìn)行施工，先鉆孔后注漿法，見圖1。因6-5#施工支洞覆蓋層主要為泥礫狀級配不良礫，現(xiàn)場實際施工時，Ⅰ-1#孔管棚施作完成進(jìn)行Ⅰ-2#孔鉆孔時，Ⅰ-2#孔管棚頂端與Ⅰ-1#孔位出現(xiàn)搭接情況，見圖2。經(jīng)分析原因，泥礫層自進(jìn)式大管棚施工時，用棚管代替鉆桿，其最前端導(dǎo)向鉆頭鉆孔時將圍巖內(nèi)部泥礫料吹出，致使圍巖內(nèi)部形成空腔，導(dǎo)致高位孔管棚施工時，高壓氣體串孔，泥礫無法吹出。

圖1 大管棚孔位布置示意(單位:cm)

圖2 Ⅰ-1#孔與Ⅰ-2#孔搭接示意(單位:cm)

2.2 優(yōu)化后的施工工序

優(yōu)化施工工序：當(dāng)井點降水后，首先進(jìn)行Ⅰ-1#孔管棚安裝，完成后進(jìn)行Ⅰ-20#孔鉆孔的同時，進(jìn)行Ⅰ-1#孔注漿，依此順序施工至全孔完成，施工順序見圖3。本優(yōu)化方案中，高位孔進(jìn)行鉆孔和管棚安裝時，相鄰下部孔已加固注漿完成，未出現(xiàn)串孔和下沉現(xiàn)象，鉆孔和管棚安裝工序能夠順利進(jìn)行，外插角度和注漿壓力得到有效保障，且管棚安裝和加固注漿兩道工序可同時進(jìn)行，有效減少了施工工序時間，加快了施工進(jìn)度。

圖3 調(diào)整后施工順序示意(單位:cm)

3 管棚制作與安裝

3.1 管棚加工制作

管棚主要采用無縫鋼管(φ108mm，壁厚6mm)進(jìn)行制作，根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備選型，選擇管棚的單節(jié)長度為1.5m、3m兩種，采用絲扣連接。在連接時，需要按照實際情況的不同，做好每個斷面接頭數(shù)量的控制。制作時，管棚內(nèi)側(cè)設(shè)置3根φ22螺紋鋼組成鋼筋束，鋼筋束的連接既要考慮管棚內(nèi)徑大小，也要保證φ25mm注漿管正常安裝，鋼筋束安裝應(yīng)與管棚內(nèi)壁焊接牢固，保證管棚加工制作質(zhì)量。

3.2 管棚安裝

富水泥礫狀級配不良礫層大管棚施工，鉆孔及管棚安裝角度等控制難度大，受地質(zhì)條件限制，泥礫狀圍巖自穩(wěn)能力較差，易塌孔，且在安裝過程中，受鉆桿或管棚自重影響易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。在大管棚安裝時，應(yīng)采用左右間隔分序法進(jìn)行連續(xù)施工，左側(cè)Ⅰ序孔鉆孔完成后，進(jìn)行右側(cè)Ⅱ序孔鉆孔的同時進(jìn)行左側(cè)Ⅰ序孔的注漿，依此順序可快速、高效地完成管棚安裝，確保施工質(zhì)量。

4 管棚施工

4.1 控制要點

大管棚導(dǎo)向墻采用I16工字鋼拱架作為定向拱架，間距40cm，拱架之間用φ22鋼筋焊接連接，連接筋環(huán)向間距為1m。超前大管棚縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯開1m。沿著開挖輪廓線以1°～3°的外插角向開挖面前方打入管棚，形成對開挖面前方圍巖的預(yù)加固，大管棚施工技術(shù)要點詳見圖4、圖5。

圖4 大管棚超前支護(hù)施工示意(單位:cm)

圖5 孔口段上部細(xì)部圖(單位:cm)

4.2 施工方法

4.2.1 鉆孔

(1)鉆孔采用單管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，CM358A履帶式鉆機(jī)平臺的高度根據(jù)鉆機(jī)的可調(diào)控范圍以及鉆孔順序進(jìn)行確定，平臺位置相應(yīng)自上而下進(jìn)行逐步降低，以滿足鉆孔需要。

(2)管棚施工采用跟管方式施工，一次成型，施工順序為從左右兩側(cè)依次輪流施鉆。相鄰鋼管接頭至少錯開1m。

(3)鉆機(jī)開鉆時，應(yīng)低速低壓，待成孔10m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

(4)工藝要求：①鉆機(jī)就位時用全站儀、掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線和導(dǎo)向軸線相吻合；②鉆孔時經(jīng)常測量孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限應(yīng)及時糾正，至終孔仍然超限則應(yīng)封孔，原位重鉆。

4.2.2 孔口密封

采用6mm厚鋼板封閉管棚進(jìn)口，預(yù)留注漿孔及排氣孔，鋼板與管棚焊接牢固，注漿管采用閥接式，避免注漿時脫落。

4.2.3 加固注漿

注漿與鉆孔同步進(jìn)行，在Ⅰ-1#管棚安裝完成后，進(jìn)行Ⅰ-20#鉆孔施工的同時，進(jìn)行Ⅰ-1#孔注漿，依此順序施作，注漿前掌子面封閉噴混凝土強(qiáng)度必須達(dá)到100%。

(1)漿液配制：水泥漿采用臥式攪拌機(jī)拌和，采用水泥單液注漿。在注漿前通過試驗合理確定漿液配比、注漿壓力等注漿參數(shù)，漿液配比選擇要考慮巖石裂隙情況及漿液擴(kuò)散半徑。

(2)注漿施工：采用BW-250/50型注漿泵注漿。清孔后，按由下孔至上孔的順序施工，漿液按照先稀后濃、注漿量先大后小的程序注漿。

(3)注漿壓力控制：注漿壓力按分級升壓法控制，由注漿泵油壓控制調(diào)節(jié)。

(4)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：以鋼管內(nèi)注漿密實為準(zhǔn)，具體以現(xiàn)場試驗為準(zhǔn)。

5 管棚施工效果檢測

根據(jù)工藝試驗成果指導(dǎo)本工程大管棚施工，從現(xiàn)場實際施工情況看，管棚均達(dá)到預(yù)期加固目的。施工過程中，通過對頂拱位移、沉降及凈空水平收斂觀測(檢測結(jié)果見表1，點位移成果見圖6)，發(fā)現(xiàn)位移值并沒有隨時間增長而出現(xiàn)急驟增長現(xiàn)象，且整體逐漸趨于穩(wěn)定，施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

表1 檢測結(jié)果

圖6 CJ5-1-2點位移成果

6 結(jié)語

實踐證明，采用左右墻體間隔分序施工技術(shù)進(jìn)行大管棚施工，在較短時間內(nèi)順利完成了支洞進(jìn)口富水泥礫層淺埋段大管棚施工，克服了富水泥礫層淺埋隧洞大管棚施工卡鉆、鉆孔下沉、注漿串孔及堵管等施工難題，保證了大管棚超前支護(hù)的質(zhì)量，提高了隧洞施工的安全性，可以為類似不良地質(zhì)條件下的管棚施工提供參考。