管棚法在粉土質(zhì)砂層輸水隧洞中的應(yīng)用

梁晨曦

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

HST 輸水隧洞工程位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣境內(nèi)，是JK 輸水管線一期工程的第二個輸水隧洞，位于JK 輸水管線樁號17+359.693m～18+854.234 m 處, 工程的任務(wù)是向精河流域、奎屯河流域引水，以滿足沿途該流域生態(tài)、工業(yè)及生活等用水要求。

1 輸水隧洞工程地質(zhì)概況

HST 輸水隧洞段為低山區(qū)地貌，沖溝較發(fā)育。隧洞進(jìn)口段位于低山區(qū)一沖溝內(nèi)，沖溝呈“V”型深切山體，切深35 m～40 m，岸坡整體穩(wěn)定。洞身段(17+379～18+834)洞頂上覆巖體厚14 m～100 m，巖性主要為深灰色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀315°NE∠75°。隧洞出口段走向近南北向，洞頂上部分布微膠結(jié)粉土質(zhì)砂層，開挖探坑中可見挖掘機(jī)抓斗齒痕。

2 施工方案

2.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→洞臉噴砼→測量放線定位→開挖套拱基礎(chǔ)→套拱安裝→安裝導(dǎo)向管→立模板→噴射套拱砼→管棚施工→洞室施工。

2.2 進(jìn)洞施工前準(zhǔn)備工作

（1）根據(jù)設(shè)計提供控制樁建立導(dǎo)線網(wǎng)與水準(zhǔn)網(wǎng)，并在洞口附近埋設(shè)控制點（水準(zhǔn)點）。

（2）出口兩側(cè)設(shè)置排水溝，有效防止雨水對洞口的回灌。

（3）隧洞開口兩側(cè)堆砌麻包給予一定受力保持周邊穩(wěn)定，洞口上部至最近馬道間掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。

2.3 洞口套拱施工

HST 隧洞出口洞口套拱厚度0.6 m，長2 m。套拱內(nèi)按間距0.6 m設(shè)4 榀18 號工字鋼拱架，套拱采用C30 混凝土噴射成形，導(dǎo)向管兩端采取臨時封堵，以防進(jìn)漿，套拱施工總體布置見圖1。

圖1 套拱截面示意圖

2.3.1 施工工法

HST 隧洞出口套拱內(nèi)按間距0.6 m 設(shè)4 榀18 號工字鋼拱架，每段采用厚度16 mm 連接鋼板,φ25 普通錨栓連接，每個拱架連接板兩側(cè)設(shè)置兩根φ42 長3.5 m 注漿小導(dǎo)管作為鎖腳錨桿。導(dǎo)向管采用4 mmφ127 的無縫鋼管（φ20 鋼筋雙面焊），鋼管與I18 型鋼拱架進(jìn)行固定（焊接牢靠），由于粉土質(zhì)砂層較松散，為了保證管棚的拱形殼狀結(jié)構(gòu)形成，環(huán)向間距及外插角度盡可能縮小，且環(huán)向間距及外插角不大于30 cm 和1.5°。根據(jù)設(shè)計尺寸制作安裝套拱模板，套拱模板同壁面應(yīng)緊密接觸。噴護(hù)采用濕噴法從拱底兩側(cè)依次向拱頂進(jìn)行噴混凝土，每層噴射厚度控制在5 cm，完成后及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.3.2 技術(shù)要求

（1）噴混凝土材料采用合格的中粗砂、粒徑小于15 mm 的小石、42.5 普通硅酸鹽水泥，初凝時間不超過5 min，終凝時間不超過10 min，配合比經(jīng)現(xiàn)場工藝試驗確定。

（2）噴射混凝土施工前須將模板內(nèi)的粉塵雜物清理干凈，并報監(jiān)理單位驗收合格后開始下一道施工。噴射作業(yè)由套拱底部向拱頂進(jìn)行，噴頭垂直作業(yè)面，每層噴射厚度5 cm，間距保持0.6 m～1 m 并緩慢移動。待上一層混凝土終凝后開始噴下一層，若終凝后間隔1 h 以上且混凝土面有粉塵，應(yīng)清洗干凈方可繼續(xù)。

（3）噴混料應(yīng)隨拌隨用，嚴(yán)禁使用回彈料作為噴混料。遇突發(fā)情況如斷水、斷料時，將噴頭迅速移開，嚴(yán)禁用高壓風(fēng)沖擊尚未終凝的混凝土。作業(yè)結(jié)束后及時清理管內(nèi)漿液，待終凝2 h后及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（4）套拱噴射混凝土強(qiáng)度根據(jù)C30 混凝土試驗檢測報告，混凝土噴射完成48 h 后開始管棚鉆孔、進(jìn)洞開挖、支護(hù)等后續(xù)施工。

2.3.3 套拱施工安全措施

根據(jù)HST 隧洞出口段地質(zhì)的描述，出口段為粉土質(zhì)砂層，厚度11 m～35 m，開挖后上部覆蓋層易受降雨侵蝕沖刷及自應(yīng)力作用而造成塌方，對洞口套拱施工存在一定的安全隱患。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，采用堆砂麻包護(hù)坡的方式確保出口段套拱施工安全，套拱施工完成后在與開挖邊坡相鄰1 m 范圍內(nèi)的套拱外側(cè)噴C30 混凝土。

2.4 管棚施工

管棚采取大管棚超前支護(hù)，每段大管棚長12 m，搭接長度3 m，最后一段大管棚入巖應(yīng)不小于3 m，其長度根據(jù)現(xiàn)場實際巖土分界面進(jìn)行調(diào)整[1]，超前管棚施工圖見圖2。

圖2 超前管棚施工工藝布置圖

2.4.1 管棚施工工藝流程及方法

待套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計及規(guī)范強(qiáng)度后開始管棚施工，管棚施工工藝流程見圖3。

圖3 管棚施工工藝流程圖

2.4.2 施工方法

（1）鉆孔施工：首先選擇穩(wěn)定的基礎(chǔ)進(jìn)行腳手架搭設(shè)，腳手架連接要牢固、穩(wěn)定，防止在鉆進(jìn)過程中由于擺動造成空位偏差影響整體質(zhì)量效果。鉆孔由1 臺履帶式M351 鉆機(jī)由頂部孔位向兩側(cè)開鉆，鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線方向平行，距孔口距離小于4 m，鉆機(jī)位置采用全站儀測定。鉆孔時嚴(yán)格控制風(fēng)量，采用無沖擊勻速進(jìn)尺，速排塵方式進(jìn)行，風(fēng)壓控制在不大于3 MPa 范圍內(nèi)。

（2）管棚施工：管棚采用8 mmφ108 mm 的熱軋無縫鋼花管，加工成4 m 與6 m 兩種長度，絲扣長度15 cm，同一斷面接頭數(shù)量不得超過總鋼管數(shù)的50%[2]。其中奇數(shù)號孔采用鋼花管，進(jìn)行打孔處理，布孔采用梅花型，孔徑10 mm，排距200 mm，每排2 個孔，尾部100 cm 不處理作為止?jié){段。奇數(shù)號管棚由3 根4 m 花管組成，偶數(shù)號孔由2 根6 m 長鋼管組成。每段大管棚之間搭接長度3 m，在進(jìn)洞7 m 處開始搭設(shè)第二段大管棚，依管棚3 m 搭接長度向洞內(nèi)類推下一節(jié)管棚搭設(shè)位置；每段管棚含40 根鋼管，管棚管順延導(dǎo)向管安裝。

（3）注漿：本工程在現(xiàn)場出口段洞口核心土位置采用高壓潛孔鉆鉆設(shè)6 個試驗孔（孔深4 m），安裝A108 鋼花管進(jìn)行了注漿試驗，并在每處花管周邊取6 個點，測漿液壓入砂層厚度，取一組砂層不出現(xiàn)鼓包的臨界壓力為管棚注漿參數(shù)，最終確定水泥漿液水灰比1.3∶1，注漿壓力0.5 MPa。漿液拌制按配比進(jìn)行下料，經(jīng)濾網(wǎng)過濾后進(jìn)入注漿泵內(nèi)。

本工程選用全孔式一次注漿完畢，注漿順序從套拱頂部對稱向下進(jìn)行。注漿過程中密切檢查壓力變化,以砂層不出現(xiàn)鼓包為壓力控制原則。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計注漿終壓且穩(wěn)定時間達(dá)到5 min 以上時結(jié)束注漿，注漿結(jié)束后及時關(guān)閉止?jié){閥，直至漿液完全凝固，最后用M30 水泥砂漿將花管及鋼管緊密填充[3]。若遇突發(fā)情況及時處理使其盡早恢復(fù)，遇到特殊問題如冒漿、漏漿時，根據(jù)情況采用低壓、濃漿、限流、間歇灌注等方式進(jìn)行處理。

2.5 洞室開挖

管棚施工完成后，注漿漿液待凝時間至少6 h，然后開始洞室開挖。因隧洞出口上部為粉土質(zhì)砂層，自穩(wěn)能力極差，隧洞開挖采用超短臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖，每循環(huán)進(jìn)尺不超過60 cm，每循環(huán)開挖完畢后及時速噴一道C30 混凝土后盡早完成支護(hù)（掛網(wǎng)噴護(hù)+I18 型鋼拱架+錨桿），支護(hù)完成且驗收合格后方可進(jìn)行下一循環(huán)開挖施工，具體順序見圖4。

圖4 洞室分部開挖示意圖

3 結(jié)語

粉土質(zhì)砂層洞室開挖后極不穩(wěn)定，易發(fā)生坍塌冒頂情況，若處理不當(dāng)會造成極大的人員財產(chǎn)損失。本工程利用超前管棚形成拱形殼狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼支撐等聯(lián)合支護(hù)體系向周邊施加徑向力，有效阻止因洞室開挖引起應(yīng)力重分布和洞室周邊松動[4]。

目前該項目已順利完成，通過長期收斂變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析此段變形量不足1 mm，變形速率趨近于零，施工過程中也未發(fā)生安全質(zhì)量隱患事故。由此可見超前管棚在粉土質(zhì)砂層施工中取得了良好的效果。