管棚超前支護(hù)在金鉤掛水庫(kù)工程中的應(yīng)用

陳 燦

（永州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 永州 425000）

1 工程概況

金鉤掛水庫(kù)于2014 年動(dòng)工興建，是一座以灌溉為主，結(jié)合供水等綜合利用的小（Ⅰ）型水利工程。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高38.6 m，總庫(kù)容988.6 萬(wàn)m3。放空兼導(dǎo)流隧洞布置在大壩左岸山體內(nèi)，設(shè)計(jì)流量61.6 m3/s，設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面直徑4.3 m，設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝鎯?nèi)徑3.60 m，采用0.35 m 厚C25 鋼筋混凝土內(nèi)襯，全長(zhǎng)369.4 m，洞頂上部為殘坡積堆積含礫粘土覆蓋，最大厚度20 m 左右。隧洞進(jìn)口段15 m 左右及出口段28 m左右均為覆蓋層，厚度為1.0～10.0 m，進(jìn)出口巖石出露。洞身段基巖為白堊系砂礫巖，厚層狀，多呈弱～微風(fēng)化狀態(tài)，勘探可見(jiàn)巖石中巖溶現(xiàn)象發(fā)育，洞身段地質(zhì)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，成洞條件較好，屬于Ⅲ類(lèi)圍巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度25～30 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)f=4～6，彈性抗力系數(shù)k0=7～10 MPa/cm，圍巖抗風(fēng)化能力較差。主要工程地質(zhì)問(wèn)題：隧洞洞身工程區(qū)基巖為可溶性灰泥質(zhì)膠結(jié)白堊系砂礫巖，在地下水作用下，易溶蝕，巖石中溶蝕發(fā)育，存在巖溶充填物坍塌及巖溶涌水的可能。

考慮洞身為Ⅲ類(lèi)圍巖，成洞條件好，除隧洞進(jìn)口段進(jìn)行了掛網(wǎng)錨噴臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)外，其余段未設(shè)計(jì)臨時(shí)支護(hù)。隨著隧洞開(kāi)挖施工的進(jìn)行，樁號(hào)0+137～0+175、0+320～0+370 段洞身斷面出現(xiàn)飽和土、破碎帶夾泥地層，局部礫巖溶蝕嚴(yán)重，巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育，造成洞身塌方，嚴(yán)重影響施工安全和施工質(zhì)量。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)方及時(shí)增設(shè)了管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)處理方案，管棚超前支護(hù)后，效果很好，不但解決了隧洞塌方問(wèn)題，確保施工安全，也加快了掘進(jìn)速度，提高了施工效能。

2 管棚設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞坍塌部分位于洞頂，坍塌主要原因?yàn)椋涸诘叵蚂o水壓力作用下礫巖溶蝕嚴(yán)重、巖溶、節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)情況、塌方部位、成因，管棚布置采用半圓形布置，拱架采用Ⅰ12工字鋼拱架，每間隔1.0 m 設(shè)置1榀，局部地質(zhì)條件差段加密至每間隔0.5 m 設(shè)置1 榀，鋼拱架間設(shè)置Φ20 縱向連接鋼筋，間距1.0 m，兩邊側(cè)墻設(shè)置Φ22 系統(tǒng)錨桿，單根長(zhǎng)3.0 m，間距1.0 m，呈梅花形布置。設(shè)計(jì)采用小管棚，鋼管直徑Φ42 mm，管長(zhǎng)6.0 m，仰角取10°，水平搭接長(zhǎng)度1.0 m，環(huán)向間距20 cm。鋼管鉆注漿孔，注漿孔孔徑為10 mm，每間隔50 cm 鉆設(shè)2 個(gè)灌漿孔眼，呈梅花形布置，同時(shí)鋼管尾部留有不鉆孔的止?jié){段。注漿材料采用1∶1 水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。詳見(jiàn)圖1 和圖2。

圖1 管棚超前支護(hù)橫斷面圖

圖2 管棚超前支護(hù)縱斷面圖

3 管棚參數(shù)確定

為防止隧洞工程（地下工程）穿過(guò)破碎帶、松散帶、軟弱地層等不良地質(zhì)段開(kāi)挖施工時(shí)塌方、地表沉陷，設(shè)計(jì)單位都會(huì)設(shè)置錨噴、掛網(wǎng)、管棚等臨時(shí)支護(hù)措施，在這些臨時(shí)支護(hù)措施中，管棚超前支護(hù)技術(shù)是當(dāng)前解決隧洞施工中冒頂問(wèn)題最實(shí)用、最可靠的超前支護(hù)方法，不但可提高施工的安全性，而且加快了施工進(jìn)度，縮短了工期，減少了投資。因地形地質(zhì)等條件的限制，水利工程隧洞常常不可避免地要穿過(guò)Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)圍巖不良地質(zhì)段，因此，熟練掌握管棚超前支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)是非常必要的。管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)需要掌握管棚設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：鋼管直徑、長(zhǎng)度、間距、仰角、水平搭接長(zhǎng)度、鋼架間距、注漿參數(shù)等。

1）管徑的選擇

按管徑大小，管棚常分為大、中、小三種類(lèi)型管徑管棚，管徑按表1 擬定。若需注漿，則先在鋼管上鉆設(shè)梅花形注漿孔，每隔25～40 cm 鉆設(shè)1～2 個(gè)注漿孔，直徑10～16 mm。根據(jù)實(shí)際需要安裝橡皮環(huán)或逆止閥蓋，并在鋼管末端設(shè)置一段不設(shè)孔的止?jié){段。

表1 管棚管徑選擇表 mm

2）管棚鋼管環(huán)向間距的確定

環(huán)向鋼管在管棚中主要起四個(gè)方面的作用：一是承擔(dān)隧洞開(kāi)挖后臨空面上部荷載，防止圍巖坍塌；二是將上部荷載傳遞給管棚橫向支架鋼拱架；三是通過(guò)鋼管上的注漿孔向圍巖注入漿液，密實(shí)固結(jié)圍巖，改善圍巖物理力學(xué)性能；四是鋼管、圍巖、漿液三者互相作用，環(huán)繞隧道輪廓方向在圍巖中形成環(huán)狀的“承載體”，共同承受洞頂洞側(cè)外部荷載，極大地提高圍巖的整體性和穩(wěn)定性。鋼管環(huán)向布置的間距大小對(duì)支護(hù)效果具有直接影響作用，間距過(guò)大，管棚剛度可能不夠，易變形失穩(wěn)，導(dǎo)致沉降難以控制或失效，鋼管間圍巖易坍塌、掉落。鋼管間距過(guò)小，鋼管數(shù)量和鉆孔工作量增大，施工成本增加，施工效率降低。通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)條件、斷面尺寸、埋深等影響因素的總結(jié)和對(duì)比分析可知：地層性質(zhì)，地層壓力，地下靜水壓力，管棚設(shè)置部位（頂部、側(cè)部、底部）及拱架間距，鉆孔機(jī)具及隧道開(kāi)挖方式等是決定管棚鋼管環(huán)向間距的5 個(gè)主要因素。管棚鋼管環(huán)向間距經(jīng)驗(yàn)取值見(jiàn)表2。

表2 管棚鋼管環(huán)向間距選擇表 m

3）仰角（外插角）確定

仰角是管棚導(dǎo)向管方向與隧道縱向的夾角。仰角過(guò)大，管棚遠(yuǎn)端離開(kāi)挖邊界的距離變大，管棚有效支護(hù)長(zhǎng)度變短，管棚下方的三角形土體易坍塌，支護(hù)費(fèi)用增大。仰角過(guò)小，管棚遠(yuǎn)端離開(kāi)挖邊界的距離變小，鉆機(jī)在鉆進(jìn)時(shí)因重力作用會(huì)產(chǎn)生下垂，可能侵入隧道限界，極易造成管棚自身失穩(wěn)，影響后期施工安全。因此，仰角大小的選擇應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、鋼管長(zhǎng)度、鉆孔設(shè)備、管棚鉆機(jī)操作空間大小及鉆桿長(zhǎng)度等因素綜合考慮確定。一般情況下仰角常用取值為：小管棚取5°～15°，中管棚取2°～8°，大管棚取1°～3°。

4）鋼拱架

鋼拱架是管棚支護(hù)唯一的豎向支撐構(gòu)件，承受上部荷載并向基礎(chǔ)傳遞。鋼拱架一般采用工字鋼，或工字鋼與格柵鋼架間隔使用，應(yīng)根據(jù)隧道埋深、圍巖條件、塌方體的松散與開(kāi)挖難易程度及施工效果擬定鋼拱架工字鋼的規(guī)格、鋼拱架布置間距。工字鋼一般采用Ⅰ10及以上規(guī)格，每間隔0.5～1.0 m 設(shè)置一榀，不超過(guò)1.0 m，地層條件較差需加密。鋼拱架間設(shè)縱向連接筋，拱架與側(cè)向圍巖增設(shè)錨固筋，加強(qiáng)與周?chē)鷰r土的連接，以增強(qiáng)鋼拱架的整體性和剛度。

5）管棚布置形式

設(shè)置管棚的目的主要是利用管棚與隧洞開(kāi)挖輪廓外經(jīng)加固改善的圍巖組成的強(qiáng)大支承體系，承擔(dān)來(lái)自管棚外部的荷載，并利用鋼管上注漿孔向地層中注漿，對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)，改善軟弱圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，從而提高軟弱圍巖（地層）自穩(wěn)能力。根據(jù)地形地質(zhì)及荷載情況，管棚常布置成扇形、半圓形、門(mén)形等七種支護(hù)形式，詳見(jiàn)表3。

表3 管棚布置形式表

4 管棚施工

管棚施工工藝復(fù)雜，所需施工機(jī)械龐雜，施工過(guò)程中要嚴(yán)格控制鉆孔及注漿質(zhì)量。

4.1 管棚鉆機(jī)

管棚鋼管安裝前應(yīng)先進(jìn)行鉆孔，管棚鋼管安裝質(zhì)量取決于鉆孔質(zhì)量。鉆孔越長(zhǎng)，鉆孔彎曲量（偏移量）也越大。由于管棚仰角比較小（1°～15°），管棚鉆進(jìn)為近水平鉆，對(duì)鉆孔方向（空間位置）的精度要求很高，終孔一旦出現(xiàn)孔斜或超出設(shè)計(jì)允許偏差，后果非常嚴(yán)重，因此，管棚鉆機(jī)是管棚法施工技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備，鉆機(jī)選型務(wù)必要慎重。首先要盡可能選擇破碎能力強(qiáng)、沖擊力高、扭矩大的鉆機(jī)。其次鉆機(jī)就位安裝前，要檢查鉆機(jī)平臺(tái)是否位于堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上，否則要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，以確保平臺(tái)落在實(shí)地上。第三連接要牢固、穩(wěn)定，防止在鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)偏移、搖擺、彎曲等現(xiàn)象，影響鉆孔質(zhì)量。

4.2 鉆機(jī)鉆孔施工

管棚成孔常用的施工方法有夯管法、頂管法、鉆孔法。鉆孔法是目前最常用的成孔方法。管棚鉆孔一般情況下可分兩序（可設(shè)奇數(shù)號(hào)管棚為Ⅰ序孔，偶數(shù)號(hào)管棚為Ⅱ序孔）施工，隔孔鉆設(shè)，先鉆設(shè)注漿孔眼的一序孔，利用注漿孔眼排水，排完水后注漿，再鉆設(shè)無(wú)孔鋼管的二序。在鉆孔過(guò)程中可以利用導(dǎo)向管控制管棚方向、測(cè)斜儀量測(cè)鉆孔的偏斜度，及時(shí)糾正鉆孔偏差，確保鉆孔的準(zhǔn)確性。

4.3 注 漿

注漿是管棚施工的重要環(huán)節(jié)、關(guān)鍵工序之一。注漿的主要目的是利用漿液充填圍巖中空隙、裂隙、孔洞，對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)處理，增強(qiáng)圍巖的承載力及防滲能力。管棚注漿應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況選用合適的漿液、壓力和流量。注漿壓力過(guò)小則無(wú)法注進(jìn)，壓力過(guò)大則造成圍巖崩裂、外鼓。注漿程序：先低壓、中流量注入，后逐漸升高壓力，逐漸減少注漿流量；當(dāng)壓力升至終壓時(shí)，繼續(xù)灌注5 min，再結(jié)束注漿。注漿壓力一般取0.5～1.0 MPa，最大可達(dá)3.0 MPa，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)狀況調(diào)整注漿壓力。

注漿材料要求：①可灌漿性好，②流動(dòng)性好，③漿液與圍巖膠結(jié)力強(qiáng)，④注漿后固結(jié)體具有較強(qiáng)的抗?jié)B性、穩(wěn)定性及耐久性。目前管棚注漿主要采用純水泥漿液、水泥-水玻璃雙液漿及水玻璃漿液三種漿液作為注漿材料。單管注漿量計(jì)算公式為：

式中 L——鋼管總長(zhǎng)（m）；

r——鋼管半徑（m）；

R——漿液擴(kuò)散半徑（m）；

η——隧道地層孔隙率；

α——漿液損耗系數(shù)；

β——漿液有效填充系數(shù)。在注漿前由試驗(yàn)確定漿液配比、注漿壓力等注漿參數(shù)。

5 建 議

1）地下水是影響圍巖穩(wěn)定和安全的關(guān)鍵因素之一，在設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)充分重視，切實(shí)做好排水設(shè)計(jì)并落實(shí)施工排水措施。

2）Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)圍巖隧洞開(kāi)挖應(yīng)遵循先支護(hù)，后開(kāi)挖，短進(jìn)尺，弱爆破，早封閉，強(qiáng)支護(hù)的原則，處理好一段，再進(jìn)行下一段。

3）嚴(yán)格控制導(dǎo)管外插角與鉆桿的位置、鉆進(jìn)方向，確保孔位不發(fā)生偏斜。

4）注漿要連續(xù)進(jìn)行，防止因漿液凝固出現(xiàn)注漿不滿(mǎn)。