超前管棚施工在某隧洞洞庫項目工程的應(yīng)用

曾鵬 廣東水電二局股份有限公司

1.工程概況

廣東省某隧洞洞庫項目工程主軸線總長836.3m，毛洞開挖凈跨3.68～18.58m，凈高5.23～11.9m，建筑面積1100m，屬大型洞室。主洞軸線有四種斷面型式，其中毛洞2#口的斷面位于洞庫的靜荷段（中部）,占有比例大約為洞長的60%，其毛斷面開挖寬度為16.32m，高度為11.9m。隧洞洞庫工程地質(zhì)情況主要為輝綠巖脈為主，局部為少量的細?；◢弾r脈、石英巖脈。輝綠巖脈長度約50～300m，寬度0.5～3.0m，花崗巖脈、石英巖脈長度均小于50m，寬度0.1～1.0m。工程地質(zhì)巖性為Ⅳ～Ⅴ級圍巖為主，占67%，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層交替，切割嚴重，風(fēng)化強烈，破碎且強度低、自穩(wěn)性極差。隧洞內(nèi)的地質(zhì)斷層，風(fēng)化深度大、裂隙水發(fā)育，隧洞開挖過程中地下水沿節(jié)理裂隙滲進隧洞洞庫中，造成巖脈經(jīng)常坍塌，掘進施工時難度較大。

2.塌方成因

本工程2#口的斷面擴挖至樁號P0+686～P0+676部位時，坑道拱頂出現(xiàn)較大范圍內(nèi)的塌方。坍塌物為呈流～塑狀的黃泥漿，夾雜已浸水軟化的輝綠巖塊和大量直徑30～100cm大小不等的孤石，現(xiàn)場目測坍塌口部有成股狀的黃泥水流出，經(jīng)量測坍塌物約2000m，根據(jù)坍塌堆積物巖性及方量推斷，拱部已形成一定范圍空腔。事后查明，施工段剛好處于與洞軸線相交角約84.23°寬約3.5m的大斷層上，施工過程不易探明，該斷層圍巖切割嚴重，上地表屬淺溝谷且圍巖軟弱且積水豐富。

3.支護措施

因塌方致使原隧洞完全塞堵交通中斷，決定從2#口樁號P0+686單側(cè)對前方塌方段進行擴挖支護處理。

（1）為確保擴挖支護施工安全，首先對樁號P0+686掌子面破碎圍巖進行素噴C30砼7cm厚進行臨時封閉；然后沿樁號P0+686拱部開挖輪廓線以上5cm位置施打單排Ф80@300、L=15m的超前管棚（外插角1～3°），注漿后對前面塌方部位進行超前支護（見圖1、圖2所示）。

圖1 樁號P0+686～P0+673塌方支護示意圖

圖2 樁號P0+686塌方支護示意圖

（2）由于該段圍巖較差，為減輕光爆對周邊圍巖的擾動，確保擴挖施工安全，按照單炮進尺1.0m進行掘進，并嚴格控制單孔裝藥量，避免再次出現(xiàn)塌方。

（3）完成擴挖后，及時對擴挖暴露面進行素噴C30砼5cm厚進行臨時封閉，并架立型鋼拱架支護。

（4）完成掘擴1.0m后，沿樁號P0+685拱部開挖輪廓線以上5cm位置施打單排Ф42@200、L=6m注漿小導(dǎo)管（外插角1°～3°），并沿開挖輪廓線施打單排Ф32@200、L=6m超前錨桿（外插角1～3°），超前錨桿與小導(dǎo)管呈梅花型上、下交錯布置（見圖3所示）。

圖3 樁號P0+685、P0+682塌方支護示意圖

（5）掘擴支護至樁號P0+682時，再次沿拱部開挖輪廓線以上5cm位置施打單排Ф42@200、L=6m注漿小導(dǎo)管，并沿開挖輪廓線施打單排Ф32@200、L=6m超前錨桿，超前錨桿與小導(dǎo)管呈梅花型上、下交錯布置（見附圖3所示）。

（6）掘擴支護至樁號P0+680、P0+678時，沿拱部開挖輪廓線施打單排Ф32@200、L=6m超前錨桿進行超前支護（見圖4所示）。

圖4 樁號P0+680、P0+678塌方支護示意圖

（7）由于坍塌物具有流動性，為確保安全，避免坍塌堆積物出現(xiàn)滑移而引起進一步塌方，采取如下開挖清運措施：按照坍塌物自然坡度，對坍塌堆積物裸露面進行臨時支護：掛單層Ф8@200×200鋼筋網(wǎng)；硬巖部位施打Ф22、L=5m鎖固錨桿（并用于臨時固定鋼筋網(wǎng)）；噴射C25砼10cm厚。完成臨時支護后，對坍塌堆積物底部進行開挖清運，清除底部爛泥后采用石渣臨時回填處理（作為“壓腳”和臨時施工平臺），提供型鋼拱架施工工作面，及時架立鋼拱架支護。

（8）根據(jù)現(xiàn)場坍塌量（約2000 m），推斷塌方部位上方已形成一定范圍空腔，為保證工程施工及使用安全，擬對拱頂空腔進行注漿處理，措施如下：

在塌方部位沿拱部預(yù)埋5～10條Ф150、L=15～20m注漿無縫鋼管，鋼管與拱部型封堵腔內(nèi)積水引排處理。

施工工藝流程見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

4.施工方法及工藝

4.1 超前管棚施工

管棚加固機理：沿隧道拱部開挖輪廓線外環(huán)向打入一排無縫鋼管，然后往無縫鋼管內(nèi)注入水泥漿，固結(jié)隧道拱頂上部的軟弱圍巖。為提高鋼管的強度，再對鋼管與孔壁之間的空隙注入水泥漿，讓圍巖與管棚固結(jié)，以隧道開挖時用鋼拱架支護結(jié)構(gòu)，達到一起形成棚狀支護的結(jié)構(gòu)。

4.1.1 施工工藝流程

施工準備→測量放樣→開孔→跟管鉆進→封孔→注漿→檢查驗收

4.1.2 施工機具及方法

1）施工機具：三臂鉆、潛孔鉆。

2）施工方法。

施工參數(shù)：鋼管沿隧道拱頂部開挖輪廓線外5cm布置；鋼管環(huán)向間距為30cm；外插角1～3°；管棚長度15 m，熱軋無縫鋼管Ф80mm、壁厚5 mm。注漿泵選用4.0MPa以上的液壓注漿泵，注漿壓力：1.0MPa；漿液采用P042.5級普通硅酸鹽純水泥漿、水灰比1∶1。

鉆孔：①用三臂鉆和潛孔鉆的鉆頭直徑Ф110 mm；②鉆機鉆孔時，先用低壓力和低速度鉆孔，鉆孔進入1.0m后，根據(jù)地質(zhì)情況來調(diào)整鉆機的壓力和速度；③根據(jù)鉆孔時用測斜儀測定鉆孔位置的情況判斷其鉆孔的成孔質(zhì)量，然后及時調(diào)整鉆孔位置；④做好鉆機鉆孔過程中的施工記錄，并判斷孔口巖屑的地質(zhì)情況，為隧洞洞身開挖提供依據(jù)。

清孔和驗孔：①用鉆桿對鉆好的孔進行掃孔，清除孔內(nèi)的浮渣，防止堵孔以保證鉆孔直徑及鉆孔深度達到要求；②鉆孔過程中用測斜儀和經(jīng)緯儀、經(jīng)常量測鉆孔的孔深，傾角及外插角。

安裝鋼管管棚：①在棚管四周鉆Ф8的出漿孔，孔距30cm，呈梅花型布置，鋼管尾部2m不鉆孔作為止?jié){段；②用三臂鉆或潛孔鉆的沖擊力及推力來安裝鋼管管棚，安裝時三臂鉆或潛孔鉆要用低速度鋼管頂進孔內(nèi)。

鋼管管棚注漿：①安裝好鉆有梅花孔布置的鋼管后即對孔內(nèi)注漿；②注漿漿液采用P042.5級普通硅酸鹽純水泥漿、水灰比采用1∶1，注漿壓力：1.0MPa；③注漿泵選用4.0MPa以上的液壓注漿機，將P042.5級普通硅酸鹽純水泥漿注入到鋼管管棚內(nèi)，初始壓力為0.5mPa，結(jié)束時壓力為1.0mPa，注漿時注漿壓力持續(xù)15分鐘后停止注漿；④注入鋼管管棚內(nèi)的注漿量需達到鉆孔體積的1.5倍，如果注漿量沒有達到1.0MPa壓力要求時，須調(diào)整注漿漿液的濃度后再注漿，當注漿漿液充滿鉆孔周圍巖體及鋼管周圍孔隙時，才能停止注漿。

鋼管管棚施工質(zhì)量控制：①鉆孔前對鉆孔進行編號，用測斜儀和經(jīng)緯儀、計算和量測好鉆孔的平面位置、傾角及外插角，鉆孔插角控制在1°～3°；②施工鋼管管棚時鋼管不能鉆入隧洞的開挖線內(nèi)，倆相鄰的管棚鋼管不能相交；③鉆孔過程中要經(jīng)常測量鉆孔孔位的傾斜度，有誤差時要及時調(diào)正，如果無法調(diào)正要封掉鉆孔，并在原鉆孔位置重新鉆孔；④如果在鉆孔過程中碰到松散及破碎的地質(zhì)情況時，在鉆孔中可增加鋼管套管護壁，以保證鉆孔鉆進及鋼管頂進的施工。

4.2 超前小導(dǎo)管的施工

4.2.1 施工工藝流程（見圖6）

圖6 超前小導(dǎo)管施工工藝流程圖

4.2.2 施工機具及方法

1）施工機具：氣腿式手風(fēng)鉆。

2）施工方法。

施工參數(shù)：注漿壓力：0.5～1.0MPa，注漿擴散半徑為300mm，布設(shè)的超前小導(dǎo)管間距為200mm，超前小導(dǎo)管長度為6m，外插角為1～3°，注漿用的漿液采用P042.5級普通硅酸鹽純水泥漿、水灰比采用1∶1。

加工超前小導(dǎo)管：小導(dǎo)管采用Ф42mm的無縫鋼管，管長6m；小導(dǎo)管上出漿孔的直徑采用Ф6mm，孔距300mm，四周梅花狀布設(shè)出漿孔；

布孔：沿設(shè)計開挖輪廓線進行布孔，風(fēng)鉆鉆孔，孔徑需較管徑大20 mm以上，鉆孔外插角應(yīng)控制在3°；

安設(shè)超前小導(dǎo)管：將小導(dǎo)管插入鉆好的孔，露出孔外200mm，然后把超前小導(dǎo)管用塑膠泥封堵；

注漿：①用有壓水對安設(shè)好的超前小導(dǎo)管進行清洗，清除孔內(nèi)的浮渣，防止堵管，然后在再注漿；②注漿順序為自下往上向超前小導(dǎo)管內(nèi)注漿，漿液由稀到濃，注意注漿壓力不能超過1.0MPa，防止壓裂安裝好的超前小導(dǎo)管上工作面；③控制好注入超前小導(dǎo)管內(nèi)的注漿量，當小導(dǎo)管管口的壓力達到1.0MPa時停止注漿；④填寫“管棚支護施工記錄”。

5.圍巖收斂穩(wěn)定分析

塌方支護處理完成后，為了檢測圍巖的穩(wěn)定性，在P0+680部位利用水準儀進行拱頂下沉量測，利用周邊收斂儀進行圍巖周邊收斂 量測，收斂位移量測是監(jiān)控圍巖變形的主要手段（見圖7）。

圖7 拱頂圍巖收斂量測點位置示意圖

圖7中拱頂收斂監(jiān)測點(中)兼作拱頂下沉監(jiān)測點，假定拱頂只產(chǎn)生豎向位移,側(cè)墻只發(fā)生水平位移。量測頻率和時間在塌方支護處理完成后兩天進行，開始時十天內(nèi)對下沉及左右側(cè)位移三測線以二天一次進行，后十五天內(nèi)五天二次，一個月后，一般來說位移值已收斂，只有0.2mm/天以下的位移量，不再量測，量測變化曲線見圖8～10所示。

圖8

圖9

圖10

6.結(jié)束語

事實說明，運用超前管棚施工對軟弱斷層下的塌方支護處理是成功的，本洞庫工程塌方支護處理時間前后十五天，與其它塌方處理方法相比，不僅技術(shù)成熟而且安全可靠，為工程下一步的順利進行創(chuàng)造了條件。對于大跨度不良地質(zhì)的隧洞開挖，在塌方條件下超前管棚的支護有一定的借鑒作用。