富水泥砾层浅埋隧洞大管棚施工技术

罗飞轮，熊 亮，刘曦龙

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

引绰济辽输水隧洞工程施工六标位于内蒙古自治区兴安盟突泉县境内，主体包含蛟流河倒虹吸和6#输水主洞第一段，6#输水主洞第一段为无压隧洞，长14.687km，开挖断面为圆拱直墙型，设5条开挖断面均为圆拱直墙型的施工支洞。

其中6-5#施工支洞开挖断面为7.2m×7.3m，长177.23m，支洞进口高程为310.6m，与主洞在桩号T93+987.25处相交，交汇处支洞底面高程为287.08m，进口段至交汇处纵坡降为13.13%。

1.1 地质条件

6-5#支洞进口底面高程310.5m～311m，地形平坦，覆盖层为砾质砂壤土及砂砾石，厚度约4.8m～5.5m；基岩为凝灰质砂岩、凝灰岩，全风化层岩芯多呈散体泥化物夹风化碎石，泥化物多呈软塑～可塑状，局部泥质与碎石胶结呈柱状，用手可轻易掰碎，风化碎石多呈棱角状，裂隙面呈黄褐色，全风化层分布厚度大于10m，钻孔15m深度内未揭穿该层。勘察期间地下水位埋深约2.1m～2.6m，隧洞自进洞点起，洞身均位于地下水位以下，地下水丰富，围岩均为Ⅴ类。

1.2 施工难点

由于地质条件差，加上工期紧，施工中存在涌水、突水、坍塌、遇水软化、成洞困难及安全风险高等施工难点：

(1)施工难度大：根据现场实际情况，明挖段开挖1.8m左右地下水出露，且地下水丰富，补给稳定，在不采取降水措施下，完全处于水下开挖，围岩以全风化凝灰岩为主，遇水软化，施工难度大。另支T#0+000桩号表土清理后，洞顶泥砾层覆盖仅有20cm左右，无法成洞。

(2)安全风险高：现场表土剥离后，出露为级配不良泥砾层，根据地质报告，支洞以凝灰岩为主，全洞段均为Ⅴ类围岩，且由于地下水丰富，施工中存在涌水、突水、坍塌的风险比较高，对施工人员的人身安全威胁较大，施工中安全控制是一大难点。

(3)施工工期紧：6-5#施工支洞的工期制约着支洞上下游主洞的施工工期，处在本标关键线路上。

2 施工方案的优选

针对富水泥砾状级配不良砾层地质条件，施工前，以隧洞两侧直墙起拱线下1m作为试验段进行工艺试验，通过分析安全、质量、进度、成本等因素，比较多种方案，最后确定采用左右墙体间隔分序进行大管棚施工的技术方案，该方案用时较短、难度较低、经济可行。

2.1 传统施工程序及存在的问题

传统施工工序：当井点降水后，即进行单循环大管棚施作，单根长30m，自右侧Ⅰ-1#孔起，按序进行施工，先钻孔后注浆法，见图1。因6-5#施工支洞覆盖层主要为泥砾状级配不良砾，现场实际施工时，Ⅰ-1#孔管棚施作完成进行Ⅰ-2#孔钻孔时，Ⅰ-2#孔管棚顶端与Ⅰ-1#孔位出现搭接情况，见图2。经分析原因，泥砾层自进式大管棚施工时，用棚管代替钻杆，其最前端导向钻头钻孔时将围岩内部泥砾料吹出，致使围岩内部形成空腔，导致高位孔管棚施工时，高压气体串孔，泥砾无法吹出。

图1 大管棚孔位布置示意(单位:cm)

图2 Ⅰ-1#孔与Ⅰ-2#孔搭接示意(单位:cm)

2.2 优化后的施工工序

优化施工工序：当井点降水后，首先进行Ⅰ-1#孔管棚安装，完成后进行Ⅰ-20#孔钻孔的同时，进行Ⅰ-1#孔注浆，依此顺序施工至全孔完成，施工顺序见图3。本优化方案中，高位孔进行钻孔和管棚安装时，相邻下部孔已加固注浆完成，未出现串孔和下沉现象，钻孔和管棚安装工序能够顺利进行，外插角度和注浆压力得到有效保障，且管棚安装和加固注浆两道工序可同时进行，有效减少了施工工序时间，加快了施工进度。

图3 调整后施工顺序示意(单位:cm)

3 管棚制作与安装

3.1 管棚加工制作

管棚主要采用无缝钢管(φ108mm，壁厚6mm)进行制作，根据钻机设备选型，选择管棚的单节长度为1.5m、3m两种，采用丝扣连接。在连接时，需要按照实际情况的不同，做好每个断面接头数量的控制。制作时，管棚内侧设置3根φ22螺纹钢组成钢筋束，钢筋束的连接既要考虑管棚内径大小，也要保证φ25mm注浆管正常安装，钢筋束安装应与管棚内壁焊接牢固，保证管棚加工制作质量。

3.2 管棚安装

富水泥砾状级配不良砾层大管棚施工，钻孔及管棚安装角度等控制难度大，受地质条件限制，泥砾状围岩自稳能力较差，易塌孔，且在安装过程中，受钻杆或管棚自重影响易出现卡钻现象。在大管棚安装时，应采用左右间隔分序法进行连续施工，左侧Ⅰ序孔钻孔完成后，进行右侧Ⅱ序孔钻孔的同时进行左侧Ⅰ序孔的注浆，依此顺序可快速、高效地完成管棚安装，确保施工质量。

4 管棚施工

4.1 控制要点

大管棚导向墙采用I16工字钢拱架作为定向拱架，间距40cm，拱架之间用φ22钢筋焊接连接，连接筋环向间距为1m。超前大管棚纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少须错开1m。沿着开挖轮廓线以1°～3°的外插角向开挖面前方打入管棚，形成对开挖面前方围岩的预加固，大管棚施工技术要点详见图4、图5。

图4 大管棚超前支护施工示意(单位:cm)

图5 孔口段上部细部图(单位:cm)

4.2 施工方法

4.2.1 钻孔

(1)钻孔采用单管回转钻进工艺，CM358A履带式钻机平台的高度根据钻机的可调控范围以及钻孔顺序进行确定，平台位置相应自上而下进行逐步降低，以满足钻孔需要。

(2)管棚施工采用跟管方式施工，一次成型，施工顺序为从左右两侧依次轮流施钻。相邻钢管接头至少错开1m。

(3)钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

(4)工艺要求：①钻机就位时用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线和导向轴线相吻合；②钻孔时经常测量孔的斜度，发现误差超限应及时纠正，至终孔仍然超限则应封孔，原位重钻。

4.2.2 孔口密封

采用6mm厚钢板封闭管棚进口，预留注浆孔及排气孔，钢板与管棚焊接牢固，注浆管采用阀接式，避免注浆时脱落。

4.2.3 加固注浆

注浆与钻孔同步进行，在Ⅰ-1#管棚安装完成后，进行Ⅰ-20#钻孔施工的同时，进行Ⅰ-1#孔注浆，依此顺序施作，注浆前掌子面封闭喷混凝土强度必须达到100%。

(1)浆液配制：水泥浆采用卧式搅拌机拌和，采用水泥单液注浆。在注浆前通过试验合理确定浆液配比、注浆压力等注浆参数，浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径。

(2)注浆施工：采用BW-250/50型注浆泵注浆。清孔后，按由下孔至上孔的顺序施工，浆液按照先稀后浓、注浆量先大后小的程序注浆。

(3)注浆压力控制：注浆压力按分级升压法控制，由注浆泵油压控制调节。

(4)结束标准：以钢管内注浆密实为准，具体以现场试验为准。

5 管棚施工效果检测

根据工艺试验成果指导本工程大管棚施工，从现场实际施工情况看，管棚均达到预期加固目的。施工过程中，通过对顶拱位移、沉降及净空水平收敛观测(检测结果见表1，点位移成果见图6)，发现位移值并没有随时间增长而出现急骤增长现象，且整体逐渐趋于稳定，施工质量满足设计要求。

表1 检测结果

图6 CJ5-1-2点位移成果

6 结语

实践证明，采用左右墙体间隔分序施工技术进行大管棚施工，在较短时间内顺利完成了支洞进口富水泥砾层浅埋段大管棚施工，克服了富水泥砾层浅埋隧洞大管棚施工卡钻、钻孔下沉、注浆串孔及堵管等施工难题，保证了大管棚超前支护的质量，提高了隧洞施工的安全性，可以为类似不良地质条件下的管棚施工提供参考。