超前管棚支护在中部引黄隧洞工程中的应用

2014-04-08王仁龙

山西水利科技 2014年1期

关键词：管棚隧洞钢管

王仁龙

（水利部山西水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

1 工程简述

山西省中部引黄工程包括取水工程和输水工程。取水工程为泵站工程，自保德天桥库区取水，引水隧洞工程等；输水工程为总干线、东干线、西干线及支线输水工程。输水线路总长384.5km。供水范围包括省内四市十六个县。

线路走向西干线接总干线向西南方向从石楼县东部山区穿过，设柳林生态园分水口及石楼县分水口，然后隧洞再向南，穿分水岭后进入隰县境内。

主要建筑物包括：取水口进水塔、引水隧洞、调压池、取水泵站、压力管道、出水池、干线及支线输水隧洞、倒虹吸、渡槽等建筑物。

隧洞为工程的主要组成部分，隧洞工程的正常施工关系到中部引黄工程的全面建设，本文主要针对隧洞工程不良地质地段超前管棚支护进行论述。

2 地质情况说明

山西省中部引黄工程施工总干线全部及西干线大部分地段地震动峰值加速度值0.05g，地震动反映谱特征周期值0.45s，地震基本烈度6度。西干线末段的隰县段及东干、东干交汾灵支线、汾孝介支线地震动峰值加速度值0.10～0.15g，地震动反映谱特征周期值为0.40～0.45s，地震基本烈度为7度。

西干线引水隧洞从吕梁山南麓穿过，沿线地形起伏较大，河流及冲沟发育。沿线主要河流有南川河、暖泉河、东石羊河、龙交河、屈产河及城川河等，均为黄河体系；较大的冲沟主要有韩尾沟、老羊头沟、炭窑沟、岔沟、干河沟、前岔沟、玛垴沟、小沟、寺沟、凤渠沟、土道沟、成家沟、罗义沟、土木沟、马山沟、高崖沟、豹子沟、神道沟、神桃沟等。

隧洞沿线穿过地层从老到新有：太古界吕梁山群古老变质岩；震旦亚界长城系石英砂岩；古生界寒武系及奥陶系灰岩、白云岩及泥灰岩；石灰系，二叠系及中生界三叠系砂页岩；新生界上第三系、第四系松散层等。

隧洞基本与离石大断裂平行，岩体中断裂及褶皱构造发育。岩层总体上走向为NE～NW向，倾向为NE～SW向，倾角多为平缓，局部较陡，受褶皱及断裂构造影响，局部发生变化。

隧洞沿线地下水主要有：太古界吕梁山群变质岩类裂隙水、寒武奥陶系碳酸岩类裂隙岩溶水、石炭系和三叠系砂岩裂隙水与松散岩类孔隙水四种类型。

3 不良地质情况及处理措施

山西省中部引黄隧洞工程不良地质情况存在多种情况，主要有部分支洞和主洞为Ⅳ、Ⅴ类围岩，地质不确定性因素较多，稳定性差，开挖过程中洞顶易坍塌。

部分洞段岩溶地下水位位于洞顶以上。隧洞开挖时可能出现涌水或突水现象。

部分洞段埋深较大，在地应力作用下，围岩易产生变形等。

3.1 预防围岩坍塌失稳措施

预防围岩坍塌失稳主要有超前地质勘探、选择合理的施工程序和方法、超前支护等。

超前勘探预先探明断层破碎带及涌水地段的位置和规模，判断该段岩性、产状、岩层的性质和厚度、节理裂隙、断层以及岩体的结构；通过对钻孔内水压力的量测或抽水试验，探测各段水文地质情况，包括涌水量和水压力等。

预防围岩坍塌失稳，应遵循“早预报、预加固、防排水、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则。

当断层带、节理发育段围岩较为破碎时，超前支护主要采取超前锚杆、超前小导管预注浆或超前管棚法，在超前支护的保护下，分块、分层、分区域开挖，预防围岩坍塌。

3.2 地下涌水特点及处理

对地下水活动较严重的洞段，由于隧洞本身具有封闭的特点，当大量地下水涌入隧洞时，则隧洞可能会在极短的时间内被淹，造成人员和设备的损失，须采取措施。处理方式一般采用排、堵、截、引等综合考虑。

3.3 岩爆的形成及预防

岩爆多发生在隧洞埋深较大、岩体完整、干燥和质地坚硬的岩层。岩爆处理为加强岩爆区支护，如挂网喷锚支护、混凝土衬砌、喷钢纤维混凝土等。调整围岩应力状态，如松动爆破法、超前钻孔预爆法、喷射高压水冲洗法等，达到预先释放能量，预防岩爆发生。

3.4 塌方的产生及处理

隧洞施工过程中遇到断层、破碎带等，开挖后出现应力释放，承压块、松散结构、颗粒间无胶结或胶结差、小褶皱、岩层软硬相间体及施工方法不当等，易产生坍塌或滑塌现象，称为塌方。

塌方处理一般采用加固塌方围岩，及时支护结构，托住顶部，清除塌渣，随挖随喷射混凝土，同时配备临时支撑构件。

3.5 有害气体及预防

隧洞开挖过程产生的瓦斯、煤气、甲烷等为有害气体。预防有害气体主要有超前探测、排放、通风、防护及注浆止气等方法。

3.6 软岩地段施工处理

岩石及岩层遇水软化，具有容易变形、承载力差等特点。软岩地段一般采用疏通地表排水，堵塞地表裂缝、超前加固围岩、缩小开挖断面、进行有效支护等。

4 管棚的适用范围及结构要求

超前管棚支护适用于围岩破碎、自稳性差的洞口、支洞及主洞段。为了增加稳定性，超前管棚支护一般与钢拱架结合使用，使围岩稳定，避免塌方。

山西省中部引黄隧洞工程中洞口、支洞及主洞段存在不良地质地段，需要多种处理方式。目前只针对使用超前管棚支护方法进行论述。在超前管棚支护前，先在隧洞顶拱开挖区外按斜角15°钻孔，成孔后安装钢管棚。管棚采用φ89mm、壁厚5mm、长度8～10 m的钢制花管，钢管间距要求不大于1m，纵向两组管棚之间搭接长度不小于2m，钢管外露端与钢格栅拱架牢固焊接；然后通过钢制花管对围岩进行固结灌浆，使围岩形成稳定的顶拱。超前管棚支护后，从上而下进行开挖，边开挖边进行格栅拱架的分段安装，及时对暴露岩石进行喷混凝土保护。

5 管棚支护的实施

针对山西省中部引黄工程隧洞中特点，根据规程、规范的要求，对管棚支护使用的原材料进行严格检验，对施工设备加强维修保养，对施工方案进行精心审查，对工艺流程科学安排，严格施工过程监督管理，详细情况叙述如下。

5.1 原材料

超前管棚支护使用的钢管、钢筋、水泥、水、外加剂等，首先检验出厂合格证，然后取样试验，满足要求。

5.2 设备

在超前管棚支护施工前，对ZQS-100B潜孔钻进行维修和保养，对底座认真检查，正式开钻前做试验性钻孔。

5.3 注浆施工工艺流程

施工准备（机具检修、备料）——钢管原材料抽检——加工钢管（钻机就位）——钢管与钻机连接——钻孔（地质钻机）——钻孔达到设计深度（钻机移位）——管棚钻孔完成——安装灌浆管道——管道压力试验（配浆）——注浆——结束。

5.4 施工方案

1）钻孔。采用ZQS-100B型潜孔钻进行钻孔，钻孔就位，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。钻孔外插角2°～4°，钻孔仰角的确定根据钻孔深度及钻杆强度确定，施工时控制在2°～2.5°。过程中控制钻机下沉量及左右偏移量。控制钻孔平面位置，管棚不允许侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不相撞和立交。量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限时采用封孔重钻。对钻孔检查，慢速钻进，待导向部位或钻头进入岩层后，加速钻进。钻头粘贴黄土或停止钻进时，须将钻头提出孔外。钻孔作业分班连续进行，及时填写钻孔记录，交接班时提交注意事项并签字确认。

2）清孔验孔。钻孔深度达到设计标高后，对孔深、孔径进行检查，满足要求时清孔。清孔时采用高压风枪扫孔，清除杂物。

3）注浆顺序。从隧洞的拱顶对称向下进行，如遇漏浆或跑浆，则间隔一个孔或三个孔注浆，注浆结束后利用止浆阀保持孔内压力稳定，直至浆液完全凝固。

4）注浆。水泥加水玻璃现场拌制，浆液搅拌均匀，随拌随用。浆液配置过程中，现场人员监督，及时填写注浆原始记录、水泥用量、注浆时间、注浆压力和注浆量。水泥加水玻璃配合比为水泥：水：水玻璃=516kg：412kg：627kg。注浆设备进场后连接压力表，调试注浆机和注浆流量记录仪，做好试模，为注浆做好准备。注浆采用一次性注浆，注浆过程中压力为0.3MPa～0.5MPa，持续时间5min，然后关闭止浆阀，停止注浆，对完成注浆的钢管末段采用球阀封堵，编号备案。

5）注浆结束条件。单孔注浆压力达到设计终压后，浆液注入量已达到设计值的80%以上，施工段注浆全部结束后，所有的孔全部符合单孔结束条件时，可判断注浆结束。

6）注浆效果检验。每个孔的注浆压力，是否达到设计值；在注浆过程中漏浆、跑浆是否严重；注浆量保持并扩散均匀，分析是否满足设计要求。几个方面均达到要求的前提下，可认为注浆效果良好。