管棚法在Asahan一级水电站引水隧洞塌方处理中的应用

2021-05-24吴基桁

黑龙江水利科技 2021年4期

吴基桁

(福建省闽之星水利水电工程检测有限公司，福州 350000)

1 工程概况

印度尼西亚Asahan No.1水电站位于Asahan 河上游河段，距北苏门达腊省会棉兰市东南约130km。Asahan No.1水电站工程由已建的坝区建筑物(挡水、泄水、放水等建筑物)和新建引水隧洞、调压井、压力钢管、地面厂房和开关站等组成。电站以发电为主，设2台机组，单机容量90MW，总装机180MW。引水隧洞为钢筋混凝土衬砌压力隧洞，长度6547.976m，断面形式有标准马蹄形断面、圆形断面和圆形钢衬断面，其中桩号Sta0+576-Sta0+6317.476开挖断面为直径9m圆型断面。项目所在地区的岩石为砂岩和凝灰岩，这些岩石被视为古生代岩石，有些可能为中生代岩石，围岩类型为Ⅱ-Ⅴ，项目在Toba湖的汇水区，气候属于潮湿的热带雨林气候，降雨量丰富，年平均降雨量约为1700mm。引水隧洞开挖过程中，距2#支洞上游20m桩号Sta3+985-Sta4+004左侧发生局部涌水塌方，发生塌方时范围较小，由于时处雨季，塌方体渗水丰富形成涌水并有流沙，出现塌方冒顶。

2 加固方法选择

隧洞施工时，常常会出现需要近接或穿越诸如桥梁基础、建筑地基、铁路保护区、软岩、溶洞等区段，隧洞在穿过这些部位时改变了原有土体的应力场，将造成应力重新分布，不可避免地产生扰动，有可能引起周围土体的坍塌。地质条件的千差万别和施工环境的不确定性也使隧洞塌方加固处理没有唯一确定的方法，需要具体问题具体分析[1]。敏感部位常用的隧洞塌方加固方法主要有袖阀管注浆，超前小导管，管幕法，管棚法，深孔注浆，旋喷加固，冻结法等，其技术对比如表1所示。

表1 典型地层加固技术对比

各隧洞塌方处理方法均有优缺点，在选择隧洞塌方处理方法时，除了考虑技术上的可行性外，还必须综合考虑附近建筑的重要程度、现场约束条件，综合评价对施工、经济、环保和效益等方面的影响。对于安全风险高的工程，单一的隧洞塌方处理方法并不能满足地上建筑物对地表变形的要求的，就需要组合使用两种或多种隧洞塌方处理方法，使各种隧洞塌方处理方法发挥自己的优势，弥补对方的不足。本工程是由于围岩地质缺陷而引起坍塌，塌方区围岩为Ⅴ类围岩[2]。通过综合考虑各方案的优势与缺陷以及结合本工程的实际，本工程决定采用管棚法进行支护，典型管棚法支护断面如图1和图2所示。

图1 管棚法支护横断面图

图2 管棚法支护纵剖面图

3 管棚施工工艺

管棚施工作业循环次数多，加固范围较小，机动灵活，打设较易，且很快形成超前支护体系，其具体施工流程为管棚孔位测量放样→钻孔→花管安装→灌浆→分部开挖→钢支撑安装→喷混凝土及排水孔施工。

3.1 孔位测量放样

测量放样是非常关键的一步，对控制点的放样必须十分精准，应极力避免各种误差的产生。采用先进的 Leica TCR-702 Auto全站仪按设计图纸精确放出孔位，用红油漆对孔位进行标识。并通过专用导向仪精确控制管棚钢管铺设的轨迹线，确保管棚钢管按设计要求铺设。

3.2 钻孔

在掌子面前搭设钢管排架成钻孔操作平台，采用潜孔钻机钻φ90mm孔，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，钻孔顺序按由中心高孔位向两侧低孔位进行，平台位置相应自上而下进行逐步降低，以满足钻孔需要。

为充分发挥棚管的作用，提高钻孔速度和效率，管棚钻孔仰角控制在1°-3°，如图1和2所示，角度根据现场实际情况进行调整。

钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后根据地质情况逐渐调整钻速及风压。钻进过程中经常测定其位置，同时认真作好钻进过程孔口岩屑收集、判断并做好记录，为下步洞身开挖提供地质资料参考。

3.3 花管安装

管棚钢管采用长24m(根据现场地质情况进行相应调整，打入坚硬岩层2-3m)，外径76mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，事先加工成花管，钢管接头采用丝扣连接,丝扣长10cm，节长3m，环向布置间距为50cm。

装管时利用钻机低速前进对准钢管端部，严格做好角度控制，避免偏离设计孔位，人工配合钻机低速顶进钢管。钢管内壁安设好灌浆管和回浆管。钢管及其附属管道安装完毕后，把掌子面与钢管相邻面进行喷混凝土封闭，防止钢管注浆时岩面缝隙跑浆，保证灌浆质量。

3.4 灌浆

灌浆前将管棚钢管口用钢板焊接 ,钢板上预留进、回浆孔并安装闸阀、压力表，与进浆管、回浆管相连。灌浆顺序采用由下往上，左右对称进行，先灌注奇数孔后灌注偶数孔。

灌浆水泥采用TYPE I型普通硅酸盐水泥。灌浆用水为2#支洞水箱处山涧溪水。制浆设备采用ZJ-400A制浆机。灌浆设备采用SGB6-10灌浆泵。严格按设计配比配料，称量误差应<5%。水泥及水玻璃采用重量称量法，水使用水表计量。搅拌时间≥1min。浆液温度应保持在5℃-40℃。采用0.5∶1-1∶1水灰比，水玻璃掺量为5%。或不掺水玻璃(视孔内渗水情况而定)。如采用纯水泥浆灌浆时地下渗水中有水泥浆，则改为掺水玻璃的水泥浆。

灌浆压力是注浆能量的来源，是控制灌浆质量的重要因素。使用较高的压力能使浆液更好地压入覆盖层松散体空隙，并利于浆液中水分尽快、尽量地析出，结石充填饱满、密实。灌浆压力初步选择0.5-1.0MPa，终压2.0MPa,具体根据实际情况调整。每孔的干料限量为3T/孔或不吸浆时结束。利用水泥浆液的流动性和围岩的裂缝或孔隙，使注入的水泥浆液能与土体进行黏合而形成一种类似混凝土的固结体来加固软弱地层。

3.5 分部开挖

管棚施工完毕后方可进行洞室开挖。开挖将按照“管超前、短进尺、弱爆破、多循环、早封闭、强支护、勤监测”的原则进行。如图1和图2所示，根据现场实际情况采取按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ的顺序分部、分层、开挖，开挖循环进尺1.0-1.2m。

上部开挖(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)采用小台阶预留核心土的开挖方法：在掌子面的设计开挖线周边挖出60cm深、60-80cm厚度的空槽，架设钢支撑作简单的支撑固定后再挖除妨碍人工挖掘作业的部分核心土，继续向前挖槽架设一榀钢支撑并作简单的支撑固定。架设2榀后进行环向系统锚杆、挂网、喷混凝土施工，同时布置系统排水。

下部开挖(Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ)分为二步，第一步两侧掏挖、延长钢支撑，第二步再挖除核心土，而后进行锚杆、注浆以及挂网、喷混凝土支护和系统排水布置。

在掘进过程中右侧(水流向)和左侧下部局部仍需爆破，爆破采用密孔、多分段、少药量，减少单响药量，循环进尺控制不超过1.2m，以降低爆破震动，控制爆破对坍塌体产生不利影响。