管棚超前支護在金鉤掛水庫工程中的應用

陳 燦

（永州市水利水電勘測設計院，湖南 永州 425000）

1 工程概況

金鉤掛水庫于2014 年動工興建，是一座以灌溉為主，結合供水等綜合利用的小（Ⅰ）型水利工程。水庫大壩為均質土壩，最大壩高38.6 m，總庫容988.6 萬m3。放空兼導流隧洞布置在大壩左岸山體內，設計流量61.6 m3/s，設計開挖斷面直徑4.3 m，設計過水斷面內徑3.60 m，采用0.35 m 厚C25 鋼筋混凝土內襯，全長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～微風化狀態，勘探可見巖石中巖溶現象發育，洞身段地質構造較為簡單，成洞條件較好，屬于Ⅲ類圍巖，巖石飽和抗壓強度25～30 MPa，堅固性系數f=4～6，彈性抗力系數k0=7～10 MPa/cm，圍巖抗風化能力較差。主要工程地質問題：隧洞洞身工程區基巖為可溶性灰泥質膠結白堊系砂礫巖，在地下水作用下，易溶蝕，巖石中溶蝕發育，存在巖溶充填物坍塌及巖溶涌水的可能。

考慮洞身為Ⅲ類圍巖，成洞條件好，除隧洞進口段進行了掛網錨噴臨時支護設計外，其余段未設計臨時支護。隨著隧洞開挖施工的進行，樁號0+137～0+175、0+320～0+370 段洞身斷面出現飽和土、破碎帶夾泥地層，局部礫巖溶蝕嚴重，巖溶、節理裂隙發育，造成洞身塌方，嚴重影響施工安全和施工質量。針對上述問題，設計方及時增設了管棚超前支護設計處理方案，管棚超前支護后，效果很好，不但解決了隧洞塌方問題，確保施工安全，也加快了掘進速度，提高了施工效能。

2 管棚設計

導流洞坍塌部分位于洞頂，坍塌主要原因為：在地下靜水壓力作用下礫巖溶蝕嚴重、巖溶、節理裂隙發育。根據地質情況、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 設置1榀，局部地質條件差段加密至每間隔0.5 m 設置1 榀，鋼拱架間設置Φ20 縱向連接鋼筋，間距1.0 m，兩邊側墻設置Φ22 系統錨桿，單根長3.0 m，間距1.0 m，呈梅花形布置。設計采用小管棚，鋼管直徑Φ42 mm，管長6.0 m，仰角取10°，水平搭接長度1.0 m，環向間距20 cm。鋼管鉆注漿孔，注漿孔孔徑為10 mm，每間隔50 cm 鉆設2 個灌漿孔眼，呈梅花形布置，同時鋼管尾部留有不鉆孔的止漿段。注漿材料采用1∶1 水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。詳見圖1 和圖2。

圖1 管棚超前支護橫斷面圖

圖2 管棚超前支護縱斷面圖

3 管棚參數確定

為防止隧洞工程（地下工程）穿過破碎帶、松散帶、軟弱地層等不良地質段開挖施工時塌方、地表沉陷，設計單位都會設置錨噴、掛網、管棚等臨時支護措施，在這些臨時支護措施中，管棚超前支護技術是當前解決隧洞施工中冒頂問題最實用、最可靠的超前支護方法，不但可提高施工的安全性，而且加快了施工進度，縮短了工期，減少了投資。因地形地質等條件的限制，水利工程隧洞常常不可避免地要穿過Ⅳ類、Ⅴ類圍巖不良地質段，因此，熟練掌握管棚超前支護技術的設計是非常必要的。管棚超前支護設計重點需要掌握管棚設計參數，設計參數主要包括：鋼管直徑、長度、間距、仰角、水平搭接長度、鋼架間距、注漿參數等。

1）管徑的選擇

按管徑大小，管棚常分為大、中、小三種類型管徑管棚，管徑按表1 擬定。若需注漿，則先在鋼管上鉆設梅花形注漿孔，每隔25～40 cm 鉆設1～2 個注漿孔，直徑10～16 mm。根據實際需要安裝橡皮環或逆止閥蓋，并在鋼管末端設置一段不設孔的止漿段。

表1 管棚管徑選擇表 mm

2）管棚鋼管環向間距的確定

環向鋼管在管棚中主要起四個方面的作用：一是承擔隧洞開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；三是通過鋼管上的注漿孔向圍巖注入漿液，密實固結圍巖，改善圍巖物理力學性能；四是鋼管、圍巖、漿液三者互相作用，環繞隧道輪廓方向在圍巖中形成環狀的“承載體”，共同承受洞頂洞側外部荷載，極大地提高圍巖的整體性和穩定性。鋼管環向布置的間距大小對支護效果具有直接影響作用，間距過大，管棚剛度可能不夠，易變形失穩，導致沉降難以控制或失效，鋼管間圍巖易坍塌、掉落。鋼管間距過小，鋼管數量和鉆孔工作量增大，施工成本增加，施工效率降低。通過對工程地質條件、斷面尺寸、埋深等影響因素的總結和對比分析可知：地層性質，地層壓力，地下靜水壓力，管棚設置部位（頂部、側部、底部）及拱架間距，鉆孔機具及隧道開挖方式等是決定管棚鋼管環向間距的5 個主要因素。管棚鋼管環向間距經驗取值見表2。

表2 管棚鋼管環向間距選擇表 m

3）仰角（外插角）確定

仰角是管棚導向管方向與隧道縱向的夾角。仰角過大，管棚遠端離開挖邊界的距離變大，管棚有效支護長度變短，管棚下方的三角形土體易坍塌，支護費用增大。仰角過小，管棚遠端離開挖邊界的距離變小，鉆機在鉆進時因重力作用會產生下垂，可能侵入隧道限界，極易造成管棚自身失穩，影響后期施工安全。因此，仰角大小的選擇應根據工程地質及水文地質條件、鋼管長度、鉆孔設備、管棚鉆機操作空間大小及鉆桿長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

鋼拱架是管棚支護唯一的豎向支撐構件，承受上部荷載并向基礎傳遞。鋼拱架一般采用工字鋼，或工字鋼與格柵鋼架間隔使用，應根據隧道埋深、圍巖條件、塌方體的松散與開挖難易程度及施工效果擬定鋼拱架工字鋼的規格、鋼拱架布置間距。工字鋼一般采用Ⅰ10及以上規格，每間隔0.5～1.0 m 設置一榀，不超過1.0 m，地層條件較差需加密。鋼拱架間設縱向連接筋，拱架與側向圍巖增設錨固筋，加強與周圍巖土的連接，以增強鋼拱架的整體性和剛度。

5）管棚布置形式

設置管棚的目的主要是利用管棚與隧洞開挖輪廓外經加固改善的圍巖組成的強大支承體系，承擔來自管棚外部的荷載，并利用鋼管上注漿孔向地層中注漿，對圍巖進行固結，改善軟弱圍巖的物理力學參數，從而提高軟弱圍巖（地層）自穩能力。根據地形地質及荷載情況，管棚常布置成扇形、半圓形、門形等七種支護形式，詳見表3。

表3 管棚布置形式表

4 管棚施工

管棚施工工藝復雜，所需施工機械龐雜，施工過程中要嚴格控制鉆孔及注漿質量。

4.1 管棚鉆機

管棚鋼管安裝前應先進行鉆孔，管棚鋼管安裝質量取決于鉆孔質量。鉆孔越長，鉆孔彎曲量（偏移量）也越大。由于管棚仰角比較小（1°～15°），管棚鉆進為近水平鉆，對鉆孔方向（空間位置）的精度要求很高，終孔一旦出現孔斜或超出設計允許偏差，后果非常嚴重，因此，管棚鉆機是管棚法施工技術中最關鍵的設備，鉆機選型務必要慎重。首先要盡可能選擇破碎能力強、沖擊力高、扭矩大的鉆機。其次鉆機就位安裝前，要檢查鉆機平臺是否位于堅實的基礎上，否則要對基礎進行加固處理，以確保平臺落在實地上。第三連接要牢固、穩定，防止在鉆孔過程中出現偏移、搖擺、彎曲等現象，影響鉆孔質量。

4.2 鉆機鉆孔施工

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（可設奇數號管棚為Ⅰ序孔，偶數號管棚為Ⅱ序孔）施工，隔孔鉆設，先鉆設注漿孔眼的一序孔，利用注漿孔眼排水，排完水后注漿，再鉆設無孔鋼管的二序。在鉆孔過程中可以利用導向管控制管棚方向、測斜儀量測鉆孔的偏斜度，及時糾正鉆孔偏差，確保鉆孔的準確性。

4.3 注 漿

注漿是管棚施工的重要環節、關鍵工序之一。注漿的主要目的是利用漿液充填圍巖中空隙、裂隙、孔洞，對圍巖進行固結處理，增強圍巖的承載力及防滲能力。管棚注漿應根據地質情況選用合適的漿液、壓力和流量。注漿壓力過小則無法注進，壓力過大則造成圍巖崩裂、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；當壓力升至終壓時，繼續灌注5 min，再結束注漿。注漿壓力一般取0.5～1.0 MPa，最大可達3.0 MPa，可根據現場地質狀況調整注漿壓力。

注漿材料要求：①可灌漿性好，②流動性好，③漿液與圍巖膠結力強，④注漿后固結體具有較強的抗滲性、穩定性及耐久性。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。單管注漿量計算公式為：

式中 L——鋼管總長（m）；

r——鋼管半徑（m）；

R——漿液擴散半徑（m）；

η——隧道地層孔隙率；

α——漿液損耗系數；

β——漿液有效填充系數。在注漿前由試驗確定漿液配比、注漿壓力等注漿參數。

5 建 議

1）地下水是影響圍巖穩定和安全的關鍵因素之一，在設計和施工中應充分重視，切實做好排水設計并落實施工排水措施。

2）Ⅳ類和Ⅴ類圍巖隧洞開挖應遵循先支護，后開挖，短進尺，弱爆破，早封閉，強支護的原則，處理好一段，再進行下一段。

3）嚴格控制導管外插角與鉆桿的位置、鉆進方向，確保孔位不發生偏斜。

4）注漿要連續進行，防止因漿液凝固出現注漿不滿。