管棚法在Asahan一級(jí)水電站引水隧洞塌方處理中的應(yīng)用

吳基桁

(福建省閩之星水利水電工程檢測(cè)有限公司，福州 350000)

1 工程概況

印度尼西亞Asahan No.1水電站位于Asahan 河上游河段，距北蘇門達(dá)臘省會(huì)棉蘭市東南約130km。Asahan No.1水電站工程由已建的壩區(qū)建筑物(擋水、泄水、放水等建筑物)和新建引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、地面廠房和開關(guān)站等組成。電站以發(fā)電為主，設(shè)2臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量90MW，總裝機(jī)180MW。引水隧洞為鋼筋混凝土襯砌壓力隧洞，長(zhǎng)度6547.976m，斷面形式有標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形斷面、圓形斷面和圓形鋼襯斷面，其中樁號(hào)Sta0+576-Sta0+6317.476開挖斷面為直徑9m圓型斷面。項(xiàng)目所在地區(qū)的巖石為砂巖和凝灰?guī)r，這些巖石被視為古生代巖石，有些可能為中生代巖石，圍巖類型為Ⅱ-Ⅴ，項(xiàng)目在Toba湖的匯水區(qū)，氣候?qū)儆诔睗竦臒釒в炅謿夂颍涤炅控S富，年平均降雨量約為1700mm。引水隧洞開挖過程中，距2#支洞上游20m樁號(hào)Sta3+985-Sta4+004左側(cè)發(fā)生局部涌水塌方，發(fā)生塌方時(shí)范圍較小，由于時(shí)處雨季，塌方體滲水豐富形成涌水并有流沙，出現(xiàn)塌方冒頂。

2 加固方法選擇

隧洞施工時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)需要近接或穿越諸如橋梁基礎(chǔ)、建筑地基、鐵路保護(hù)區(qū)、軟巖、溶洞等區(qū)段，隧洞在穿過這些部位時(shí)改變了原有土體的應(yīng)力場(chǎng)，將造成應(yīng)力重新分布，不可避免地產(chǎn)生擾動(dòng)，有可能引起周圍土體的坍塌。地質(zhì)條件的千差萬別和施工環(huán)境的不確定性也使隧洞塌方加固處理沒有唯一確定的方法，需要具體問題具體分析[1]。敏感部位常用的隧洞塌方加固方法主要有袖閥管注漿，超前小導(dǎo)管，管幕法，管棚法，深孔注漿，旋噴加固，凍結(jié)法等，其技術(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 典型地層加固技術(shù)對(duì)比

各隧洞塌方處理方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇隧洞塌方處理方法時(shí)，除了考慮技術(shù)上的可行性外，還必須綜合考慮附近建筑的重要程度、現(xiàn)場(chǎng)約束條件，綜合評(píng)價(jià)對(duì)施工、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和效益等方面的影響。對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)高的工程，單一的隧洞塌方處理方法并不能滿足地上建筑物對(duì)地表變形的要求的，就需要組合使用兩種或多種隧洞塌方處理方法，使各種隧洞塌方處理方法發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足。本工程是由于圍巖地質(zhì)缺陷而引起坍塌，塌方區(qū)圍巖為Ⅴ類圍巖[2]。通過綜合考慮各方案的優(yōu)勢(shì)與缺陷以及結(jié)合本工程的實(shí)際，本工程決定采用管棚法進(jìn)行支護(hù)，典型管棚法支護(hù)斷面如圖1和圖2所示。

圖1 管棚法支護(hù)橫斷面圖

圖2 管棚法支護(hù)縱剖面圖

3 管棚施工工藝

管棚施工作業(yè)循環(huán)次數(shù)多，加固范圍較小，機(jī)動(dòng)靈活，打設(shè)較易，且很快形成超前支護(hù)體系，其具體施工流程為管棚孔位測(cè)量放樣→鉆孔→花管安裝→灌漿→分部開挖→鋼支撐安裝→噴混凝土及排水孔施工。

3.1 孔位測(cè)量放樣

測(cè)量放樣是非常關(guān)鍵的一步，對(duì)控制點(diǎn)的放樣必須十分精準(zhǔn)，應(yīng)極力避免各種誤差的產(chǎn)生。采用先進(jìn)的 Leica TCR-702 Auto全站儀按設(shè)計(jì)圖紙精確放出孔位，用紅油漆對(duì)孔位進(jìn)行標(biāo)識(shí)。并通過專用導(dǎo)向儀精確控制管棚鋼管鋪設(shè)的軌跡線，確保管棚鋼管按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)。

3.2 鉆孔

在掌子面前搭設(shè)鋼管排架成鉆孔操作平臺(tái)，采用潛孔鉆機(jī)鉆φ90mm孔，鉆機(jī)平臺(tái)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，鉆孔順序按由中心高孔位向兩側(cè)低孔位進(jìn)行，平臺(tái)位置相應(yīng)自上而下進(jìn)行逐步降低，以滿足鉆孔需要。

為充分發(fā)揮棚管的作用，提高鉆孔速度和效率，管棚鉆孔仰角控制在1°-3°，如圖1和2所示，角度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓，待成孔10m后根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。鉆進(jìn)過程中經(jīng)常測(cè)定其位置，同時(shí)認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程孔口巖屑收集、判斷并做好記錄，為下步洞身開挖提供地質(zhì)資料參考。

3.3 花管安裝

管棚鋼管采用長(zhǎng)24m(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，打入堅(jiān)硬巖層2-3m)，外徑76mm，壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，事先加工成花管，鋼管接頭采用絲扣連接,絲扣長(zhǎng)10cm，節(jié)長(zhǎng)3m，環(huán)向布置間距為50cm。

裝管時(shí)利用鉆機(jī)低速前進(jìn)對(duì)準(zhǔn)鋼管端部，嚴(yán)格做好角度控制，避免偏離設(shè)計(jì)孔位，人工配合鉆機(jī)低速頂進(jìn)鋼管。鋼管內(nèi)壁安設(shè)好灌漿管和回漿管。鋼管及其附屬管道安裝完畢后，把掌子面與鋼管相鄰面進(jìn)行噴混凝土封閉，防止鋼管注漿時(shí)巖面縫隙跑漿，保證灌漿質(zhì)量。

3.4 灌漿

灌漿前將管棚鋼管口用鋼板焊接 ,鋼板上預(yù)留進(jìn)、回漿孔并安裝閘閥、壓力表，與進(jìn)漿管、回漿管相連。灌漿順序采用由下往上，左右對(duì)稱進(jìn)行，先灌注奇數(shù)孔后灌注偶數(shù)孔。

灌漿水泥采用TYPE I型普通硅酸鹽水泥。灌漿用水為2#支洞水箱處山澗溪水。制漿設(shè)備采用ZJ-400A制漿機(jī)。灌漿設(shè)備采用SGB6-10灌漿泵。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配比配料，稱量誤差應(yīng)<5%。水泥及水玻璃采用重量稱量法，水使用水表計(jì)量。攪拌時(shí)間≥1min。漿液溫度應(yīng)保持在5℃-40℃。采用0.5∶1-1∶1水灰比，水玻璃摻量為5%?；虿粨剿Ａ?視孔內(nèi)滲水情況而定)。如采用純水泥漿灌漿時(shí)地下滲水中有水泥漿，則改為摻水玻璃的水泥漿。

灌漿壓力是注漿能量的來源，是控制灌漿質(zhì)量的重要因素。使用較高的壓力能使?jié){液更好地壓入覆蓋層松散體空隙，并利于漿液中水分盡快、盡量地析出，結(jié)石充填飽滿、密實(shí)。灌漿壓力初步選擇0.5-1.0MPa，終壓2.0MPa,具體根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。每孔的干料限量為3T/孔或不吸漿時(shí)結(jié)束。利用水泥漿液的流動(dòng)性和圍巖的裂縫或孔隙，使注入的水泥漿液能與土體進(jìn)行黏合而形成一種類似混凝土的固結(jié)體來加固軟弱地層。

3.5 分部開挖

管棚施工完畢后方可進(jìn)行洞室開挖。開挖將按照“管超前、短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤監(jiān)測(cè)”的原則進(jìn)行。如圖1和圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的順序分部、分層、開挖，開挖循環(huán)進(jìn)尺1.0-1.2m。

上部開挖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)采用小臺(tái)階預(yù)留核心土的開挖方法：在掌子面的設(shè)計(jì)開挖線周邊挖出60cm深、60-80cm厚度的空槽，架設(shè)鋼支撐作簡(jiǎn)單的支撐固定后再挖除妨礙人工挖掘作業(yè)的部分核心土，繼續(xù)向前挖槽架設(shè)一榀鋼支撐并作簡(jiǎn)單的支撐固定。架設(shè)2榀后進(jìn)行環(huán)向系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土施工，同時(shí)布置系統(tǒng)排水。

下部開挖(Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ)分為二步，第一步兩側(cè)掏挖、延長(zhǎng)鋼支撐，第二步再挖除核心土，而后進(jìn)行錨桿、注漿以及掛網(wǎng)、噴混凝土支護(hù)和系統(tǒng)排水布置。

在掘進(jìn)過程中右側(cè)(水流向)和左側(cè)下部局部仍需爆破，爆破采用密孔、多分段、少藥量，減少單響藥量，循環(huán)進(jìn)尺控制不超過1.2m，以降低爆破震動(dòng)，控制爆破對(duì)坍塌體產(chǎn)生不利影響。

3.6 鋼支撐安裝

在開挖過程中鋼支撐必須及時(shí)跟進(jìn)，隨開挖分段、分部安裝，鋼支撐采用H150型鋼加工形成拱圈，視圍巖情況按榀/0.5-0.8m設(shè)置。

鋼支撐在洞外按設(shè)計(jì)加工成型，分部開挖后及時(shí)進(jìn)行安裝，與定位錨筋焊接；同時(shí)各鋼支撐間設(shè)縱向連接筋，并用工字鋼(榀/0.5m)可靠焊接聯(lián)接。鋼支撐拱腳垂直隧洞中線，為保證鋼支撐置于穩(wěn)固的地基上，鋼支撐基礎(chǔ)采用墊板，特別松散時(shí)采取混凝土基礎(chǔ)、增加鎖腳錨桿等加固措施。

3.7 噴混凝土及排水孔施工

鋼支撐安裝后即噴C20混凝土10cm進(jìn)行支護(hù)，排水孔隨開挖施工，孔口用鋼管或PVC管插管，排水孔可以降低巖體的孔隙水壓力，降低了水壓力對(duì)掛網(wǎng)噴混凝土層的破壞，其技術(shù)與作用與文獻(xiàn)類似，這里不再贅述[3]。

4 管棚加固機(jī)理

管棚加固主要是為了形成梁拱效果、通過打設(shè)錨桿和花管等形成加固效果，拱梁結(jié)構(gòu)在大壩橋梁當(dāng)中得到了廣泛運(yùn)用。通過利用鋼管縱向成梁、橫向成拱，形成一剛度較大的拱梁結(jié)構(gòu)，將隧洞上部圍巖壓力徑向傳遞到底部堅(jiān)固基礎(chǔ)[4]。通過注漿孔注入漿液，加固了花管附近的土體，改善了土體的物理力學(xué)性質(zhì)。

5 結(jié) 語

將管棚法應(yīng)用在印度尼西亞Asahan一級(jí)水電站引水隧洞工程中，使得工程順利開展，同時(shí)大大提高了施工的安全性。實(shí)踐證明采用管棚法是比較穩(wěn)妥有效的方法。