管棚施工在隧洞塌方处理中的应用

慕鑫伟

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

在工程建设领域，安全永远是参建各方追求的最基本目标。但是，在实际施工过程中，由于人们对大自然了解的局限性，安全总是处于不可控状态，尤其是地下引水工程，其埋深较大，地质条件复杂，地下水丰富，在施工过程中，易出现塌方、突涌水、突泥等现象，如何从众多的解决方案中寻找一种最优方案，做到既不耽误工期又节省投资，具有潜在的理论研究价值。邓跃东[1]对高压旋喷桩处理隧洞塌方进行了研究，庞力[2]等介绍了在隧洞塌方中如何合理应用小导管和管棚，并详细阐述了灌浆试验程序。本文主要针对引水隧洞土洞段的塌方处理进行研究。

1 工程概况

山西省小浪底引黄工程引水隧洞土洞段，桩号为52+966～59+590，隧洞洞身断面为城门洞型，设计流量16.25m3/s，设计纵坡1/3000，洞内水深2.97m。隧洞主要通过地层为第四系上更新统坡洪积（）低液限黏土夹低液限粉土，局部夹砂卵石。洞顶土层厚度为8.5～25m，设计洞底高程位于湿陷下限附近，洞身多位于湿陷土层中，遇水易产生湿陷变形，且该层多具中等压缩性，易产生压缩变形。

2 塌方过程

在引水隧洞土洞段桩号59+338处，施工队伍已完成掌子面的开挖支护，准备进行下一循环施工时，拱顶部位突然发生冒顶坍塌，坍塌体掩盖住了整个掌子面，呈坡体状，向洞内滑塌长度约5m，坍塌物由黄土、建筑垃圾、矿渣等组成，坍塌方量约80m3。查看洞顶地表，掌子面上方为垃圾堆，高约5～6m，垃圾堆已经塌陷，呈现漏斗形的塌坑。

3 原因分析

根据工程地质条件和现场实际情况，分析总结隧洞塌方的主要原因，具体有以下三点：①根据上一循环开挖地质条件推断出该坍塌部位正好经过建筑弃渣区域，坍塌体为建筑垃圾，失去三向受力状态[3]，土质失稳并逐渐扩大，以致形成大的塌方冒顶。②由于连续多日下雨，雨水渗透地表，造成坍塌部位的工业垃圾体软化，自稳能力差，不能对未开挖土体形成有效的反推挤压作用。③本隧洞路线较长，地质勘探工作量大、难度大，勘测人员对该段隧洞岩体变化估计不足。

4 隧洞塌方段处理方案

隧洞塌方段处理的难点主要分为两大部分，一是如何安全有效地清理塌坑，防止发生进一步坍塌；二是如何快速有效地通过坍塌段，做到工期短投资少的双赢目标。经设计、监理、施工、业主四方研究讨论之后，形成以下处理意见。

4.1 塌坑处理

塌坑处理采用明挖法结合浇筑混凝土进行施工：首先清理该段地表垃圾，清理标高与原地表路面齐平，清理范围为隧洞边线外围3～4m，然后进行明挖，明挖至拱顶上50cm后，对明挖的基础进行型钢横向密排，密排后浇筑不小于2m的C25混凝土，待混凝土强度达到设计强度的70%以上后，开始清理洞内坍塌体。为确保现场施工人员安全，防止进一步坍塌，对掌子面裸露面喷射10cm厚混凝土。

4.2 管棚施工

该隧洞塌方段采用管棚施工，利用管棚注浆将拱顶范围内的渣体进行固结。在塌方掌子面拱部180°范围内设置Ф108管棚，管棚长度20m，壁厚6mm，节长3m。管棚与管棚之间中心环向间距30cm，外插角2°，采用丝扣连接，丝扣长10cm。管棚布置示意图见图1。

图1 管棚布置示意图

4.2.1 管棚施工方法

（1）管棚安装

①测量放样找出钻孔位置，并根据管棚直径和长度，采用潜孔钻钻进。

②将潜孔钻钻机固定在适当位置之后，安装管棚和潜孔钻钻头，管棚与钻头之间、管棚与管棚之间均采用丝扣连接，管棚与钻机之间则采用钎套连接。同时检查钻机上的风水管是否连接好，保证钻机工作过程中不漏气不漏水。

③在钻机钻进过程当中，降低钻进速度，本着多回转少冲击的原则不断钻进[4]，直到设计深度，钻进停止，然后从钻机连接套上卸下管棚，再将下一根管棚与钎套连接，如此循环连续工作。为了增大受力强度，安装管棚时应错开相邻管棚间的接头连接，错开长度为1m。

④当拱顶180°范围内管棚安装完成后，及时将管棚管内的渣土用风水枪吹洗干净。操作过程中，为防止对掌子面土体造成扰动而导致坍塌，必要时在管棚管附近及掌子面喷射混凝土。

（2）管棚注浆

①通过对工程地质及现场实际情况分析，该塌方段采用一次全钻孔注浆法。浆液扩散半径不小于0.5m，采用水泥水玻璃双液浆，水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃的体积比是1∶0.6，注浆初压为0.5～1MPa，终压为2MPa。达到注浆终压后，持压15min后停止注浆，以保证管内浆液饱满密实。

②开挖前于掌子面处做超前探孔，检验注浆密实度。如果出现注浆效果不理想的部位，及时做超前小导管并对其注浆，以固结松散体。

（3）开挖支护

①采用上下台阶法开挖（人工配合机械），每循环开挖进尺不得大于60cm。

②开挖后对开挖面进行喷射混凝土，喷射厚度5cm，然后架立I16型钢拱架，钢架预留变形量10cm；铺挂单层Ф8钢筋网片，网格间距15cm；Ф25连接筋环向间距0.5m，每条拱腿底部及顶部各设2根3m长的Ф42锁脚锚管。钢拱架支护完成后迅速喷射C20混凝土至设计厚度。

③待上台阶支护长度达到4.2m后，下台阶左右错开开挖逐榀跟进，并及时架设I16型钢水平底梁封闭成环，底板浇筑25cm厚的C25混凝土。开挖支护顺利穿越塌方体之后，可再根据现场地质围岩情况调整开挖方法。

④穿过塌方体之后，对已通过洞段部分加强变形监测[5]。

4.2.2 施工注意事项

（1）管棚与管棚之间采用丝扣连接，在逐节顶入的施工过程中，要保证管棚管间的连接强度。

（2）管棚安装过程中，要做到按设计位置施工，必须准确控制钻机立轴方向，以保证孔口的孔向正确。钻进过程中应采用测斜仪量测管棚钻进的偏斜度，发现偏斜度超过设计要求，及时纠正。

（3）管棚注浆前，必须进行注浆试验，确定注浆压力和注浆范围，以设计为基础，试验为成果进行施工，达到技术上的可行、效果上的可靠。

（4）管棚注浆过程中，要时刻保持高度注意力，一方面要及时检查孔口、邻孔及较薄部位有无冒浆、漏浆、串浆现象，如果有，应立即停止注浆，堵塞串浆孔；另一方面要及时检查注浆压力表，如果发生压力突然升高的异常现象，可能发生堵管，应立即停机检查，排除故障。

（5）在规定的时间内注完配制的浆液，既能保证浆液的特性，又免于造成浪费。

5 结论

（1）隧洞工程施工难度大，在开挖过程中如遇到岩性软弱地层、地质构造复杂、地下水丰富等不良地质洞段时，必须对地质进行补充勘探，加强超前支护防止隧洞坍塌。

（2）在不良地质洞段施工时，要确保一次支护及时跟进，尽量减少围岩裸露时间，并加强围岩变形监测，避免事故发生。

（3）根据地质条件和实际情况，合理布置注浆孔位置，并依照注浆试验严格控制注浆程序[6]。该土洞塌方段工程在注双液浆前后，透水率发生很明显的变化，有大变小，说明注浆效果良好。

（4）采用管棚注水泥水玻璃双液浆处理土洞塌方工程，对整个塌方体形成整体支护结构，将土层松散围岩体固结成体，既达到护拱的目的，又起到加固围岩承载力的作用，很好地保证了工程的质量安全。

[1]邓跃东.不良地质洞段输水隧洞塌方处理及后续施工方案[J].山西水利科技，2015（2）：40-42.

[2]庞 力，施召云.超前小导管和管棚在隧洞塌方处理中的应用[J].施工技术，2011，40（ 增刊）：372-373.

[3]孙长庆，宋宝生.汇泽园水电站引水隧洞塌方处理方案[J].水科学与工程技术，2010（3）：67-68.

[4]罗建兴.自进式锚杆在隧洞塌方处理中的应用[J].甘肃水利水电科技，2011，47（2）：54-58.

[5]顾新刚.华安水电站扩建工程引水隧洞塌方处理技术[J].水电与新能源，2015（ 4）：9-15.

[6]董 锋，候瑜京.隧洞塌方处理及管棚法施工[J].岩土工程界2004，7（ 7）：59-61.