大管棚进洞技术在涔天河水库扩建工程中的应用

李光传 杨志明

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程及项目概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省永州市江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游峡谷出口处，系潇水流域开发的第一梯级，下距江华县城12 km。该工程是具有灌溉、防洪、下游河道补水和发电，兼顾航运等综合利用的大型水利水电枢纽工程，水库正常蓄水位313.0m，防洪库容2.5亿m3，总库容15.1亿 m3，电站装机容量 200MW，为Ⅰ等大（I）型水利水电枢纽工程。枢纽工程由钢筋混凝土面板堆石坝、泄洪洞、放空洞、发电引水洞、电站厂房和灌溉渠首工程等主要建筑物组成。

左岸临时交通隧洞工程是为了解决涔天河枢纽施工期间，库区数万人对外出行问题，属于临建工程,施工后期进口部分改造为至左岸灌溉渠首交通入口，设计开挖拱半径6.9m，开挖最大洞高8.0 m、底宽12.5m。原设计进口处，掘进40m未见洞脸基岩出露（明挖近6万m3）；由于表土植被清除、顺层切脚和软化夹层影响，加之2013年8月15~19日的连日暴雨，造成围岩受泡富水饱和，仰坡地表多处产生裂缝，最终该交通洞进口洞脸EL315m以上边坡出现大面积滑坡、垮塌，致使施工进洞困难，该洞口被迫废弃，重新选择洞口进洞，既浪费建设成本，也影响了工期。结合新洞口的地形、地质条件，设计采纳交通铁路系统的成功经验，采用大管棚超前支护施工进洞。

2 超前大管棚支护进洞原理简介

大管棚超前支护主要是沿隧洞衬砌外缘一定距离打入一排纵向钢管作为灌浆管棚，通过钢管上的孔向围岩灌浆，利用浆液渗透作用填充围岩裂隙，使管棚与周边围岩固结紧密，并堵住岩体裂隙水，提高管棚的强度和刚度，从而提高围岩的整体承载能力，增大洞室围岩自稳能力。另外，在管棚进口端一般设有导向墙基础，另一端深入到隧洞围岩，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载，起到承载、扩散和传递开挖释放荷载的作用。

3 超前大管棚支护进洞措施

为保证顺利进洞和施工安全，本工程采用了超前大管棚支护进洞方式：首先在预进洞位置处测量放样，确保进洞洞顶部位基岩最小厚度（1～2）m，然后洞脸外侧槽挖两侧导向墙，导向墙长度为4m；导向墙开挖到位后浇筑混凝土至圆拱脚部位，半挖半填（利用土石渣料）形成圆拱内模，拱圈内布置结构钢筋、3榀I18钢拱架、导向管，然后浇筑混凝土，混凝土与内侧山体岩壁间不留缝隙。待顶拱混凝土达到设计强度75%以上，采用管棚钻机快速成孔，插入管棚支护钢管并灌浆，最后挖除明拱段预留岩体，进而进洞开挖施工，进洞后视围岩破碎情况和灌浆固结情况及时进行钢支撑等初期支护。

（1）导向墙及导向管施工。进洞前充分利用明拱段预留岩体阻滑，后期利用明拱段衬砌混凝土阻滑并“抬撑”管棚，同时兼做超前大管棚导向墙。在洞口管棚施工前，应先浇筑导向墙，导向墙采用C25钢筋混凝土浇筑，长（3～4）m，厚1m。导向墙在洞口衬砌外轮廓线以外施工，导向墙内预埋Φ144mm、δ=6mm、L=4m间距40 cm导向钢管，导向管的外插角为1°（偏角过小会侵入设计断面造成欠挖，偏角过大可能造成大超挖）,为准确控制导向管沿拱圈环向布设间距、位置及方向，现场要求用全站仪或精密水准仪进行管棚和导向墙位置的放样，采用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出导向孔口套管的平面位置，用激光导向仪设定孔口管的倾角，用前后差距法设定孔口管的外插角。导向管牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。

（2）管棚钢管制作。大管棚采用热轧无缝钢管Φ108mm、δ=6mm、L=30m，环向中至中间距 40 cm，管壁加工梅花状灌浆花孔，孔眼直径10mm，间距50 cm，前端管头加工成锥形方便送入，管锥头亦留有灌浆孔隙,以便灌浆加固岩体，其中大管棚尾部4.5m范围不钻孔，防止漏浆。管棚钢管由现场反铲直接送入或打入；钢管接长部位为现场焊接（相邻钢管的接头位置在环向相互错开）。

（3）钻孔。钻孔采用管棚钻机钻孔，钻孔直径130mm。为控制钻孔过长后，钻头自重下垂或与孤石钻进方向漂移，钻进过程应随时用测斜仪量测角度和钻进方向控制钻孔的偏斜度，确保不侵占设计断面也不偏离设计断面过大；为防止周边孔钻孔震动造成先成孔局部塌孔，原则上要打一孔装一管，钻孔方向一般由高孔位向低孔位隔孔分序进行。

（4）灌浆。 初拟水泥浆水灰比 1∶1（重量比），灌浆初压（0.5～1.0）MPa，终压（2.0～2.5）MPa（浆液扩散半径不小于0.5m），灌浆结束后采用砂浆封孔；全面灌浆前有必要对先灌孔进行灌浆试验，并根据试验的情况调整相应灌浆参数。灌浆采用孔口密封，灌浆顺序则由两侧对称自下而上逐孔灌浆；灌浆结束标准：灌浆压力持续升高，接近或达到灌浆预定压力时且无明显进浆量结束。一般地下水丰富时可掺用水玻璃；对吸浆量大的岩体宜用水泥砂浆灌注，节约材料并可提高增强钢管强度和刚度。灌浆情况见图1。

图1 洞内大管棚及灌浆情况

（5）洞内初期支护。大管棚超前支护后，洞内视具体开挖情况仍需做必要的洞内初期支护。本工程洞口段初期支护为系统锚杆梅花布置L=4m@1.5×1.5m+I18钢拱架 （间距 0.5m～1.0m， 连 接 钢 筋Φ25@1 000mm）+Φ8@200mm 钢筋网+喷护 0.2m厚C20混凝土+永久支护0.5m厚C25钢筋衬砌混凝土；除此，由于进口部位顶拱上部岩体较薄，为防止爆破松动，现场要求进洞后的首段5m范围内禁止爆破，采用破碎锤撬挖方式掘进。

图2为超前大管棚支护进洞施工流程图。

4 施工注意事项

（1）疏排地表水、引排地下水、导向墙及钻孔位置精度、灌浆都是制约大管棚超强支护进洞的关键因素；进洞开挖后，初期及时辅助支护也是大管棚支护成败的关键，尤其是在岩体破碎、裂隙发育部位。

图2 超前大管棚支护进洞施工流程图

（2）导向墙浇筑前宜在隧洞进口临空掌子面喷护一层素混凝土做止浆墙，防止压力灌浆时出现漏浆浪费。

（3）钻孔要求精度高，钻孔偏差直接影响硐室开挖的超欠挖情况，故而要求开孔位置和终孔位置的准确性和同轴度，以免管棚送入时受卡，若出现局部卡钻、塌孔，宜先灌浆再扫孔钻进。

（4）采用控制爆破技术，如果爆破后超前支护的顶部被掏空，将会大大削弱其超前支护的效果。因此，在爆破时，须控制药料、严禁超挖，以便使超前支护起到应有的作用。

（5）掌子面前方正面的坍塌往往会导致超前支护的失效。在选择开挖方法时，应尽量降低开挖高度，采用半断面正台阶法开挖，以保证掌子面的稳定。

5 结 语

超前支护措施在涔天河水库扩建工程左岸临时交通洞施工过程中效果显著，洞脸顶部开挖高度1 m，几乎不破坏植被及原状土，进洞过程中洞脸无变形，掘进顺利，大大缩短了进洞的工期，取得了显著的经济效益和社会效益,为涔天河水库扩建工程今后施工的泄洪洞、发电引水洞积累了成功经验，值得在类似工程中借鉴和推广。