超前管棚施工在某隧洞洞库项目工程的应用

2022-09-15曾鹏广东水电二局股份有限公司

珠江水运 2022年16期

曾鹏广东水电二局股份有限公司

1.工程概况

广东省某隧洞洞库项目工程主轴线总长836.3m，毛洞开挖净跨3.68～18.58m，净高5.23～11.9m，建筑面积1100m，属大型洞室。主洞轴线有四种断面型式，其中毛洞2#口的断面位于洞库的静荷段（中部）,占有比例大约为洞长的60%，其毛断面开挖宽度为16.32m，高度为11.9m。隧洞洞库工程地质情况主要为辉绿岩脉为主，局部为少量的细粒花岗岩脉、石英岩脉。辉绿岩脉长度约50～300m，宽度0.5～3.0m，花岗岩脉、石英岩脉长度均小于50m，宽度0.1～1.0m。工程地质岩性为Ⅳ～Ⅴ级围岩为主，占67%，围岩节理裂隙发育，断层交替，切割严重，风化强烈，破碎且强度低、自稳性极差。隧洞内的地质断层，风化深度大、裂隙水发育，隧洞开挖过程中地下水沿节理裂隙渗进隧洞洞库中，造成岩脉经常坍塌，掘进施工时难度较大。

2.塌方成因

本工程2#口的断面扩挖至桩号P0+686～P0+676部位时，坑道拱顶出现较大范围内的塌方。坍塌物为呈流～塑状的黄泥浆，夹杂已浸水软化的辉绿岩块和大量直径30～100cm大小不等的孤石，现场目测坍塌口部有成股状的黄泥水流出，经量测坍塌物约2000m，根据坍塌堆积物岩性及方量推断，拱部已形成一定范围空腔。事后查明，施工段刚好处于与洞轴线相交角约84.23°宽约3.5m的大断层上，施工过程不易探明，该断层围岩切割严重，上地表属浅沟谷且围岩软弱且积水丰富。

3.支护措施

因塌方致使原隧洞完全塞堵交通中断，决定从2#口桩号P0+686单侧对前方塌方段进行扩挖支护处理。

（1）为确保扩挖支护施工安全，首先对桩号P0+686掌子面破碎围岩进行素喷C30砼7cm厚进行临时封闭；然后沿桩号P0+686拱部开挖轮廓线以上5cm位置施打单排Ф80@300、L=15m的超前管棚（外插角1～3°），注浆后对前面塌方部位进行超前支护（见图1、图2所示）。

图1 桩号P0+686～P0+673塌方支护示意图

图2 桩号P0+686塌方支护示意图

（2）由于该段围岩较差，为减轻光爆对周边围岩的扰动，确保扩挖施工安全，按照单炮进尺1.0m进行掘进，并严格控制单孔装药量，避免再次出现塌方。

（3）完成扩挖后，及时对扩挖暴露面进行素喷C30砼5cm厚进行临时封闭，并架立型钢拱架支护。

（4）完成掘扩1.0m后，沿桩号P0+685拱部开挖轮廓线以上5cm位置施打单排Ф42@200、L=6m注浆小导管（外插角1°～3°），并沿开挖轮廓线施打单排Ф32@200、L=6m超前锚杆（外插角1～3°），超前锚杆与小导管呈梅花型上、下交错布置（见图3所示）。

图3 桩号P0+685、P0+682塌方支护示意图

（5）掘扩支护至桩号P0+682时，再次沿拱部开挖轮廓线以上5cm位置施打单排Ф42@200、L=6m注浆小导管，并沿开挖轮廓线施打单排Ф32@200、L=6m超前锚杆，超前锚杆与小导管呈梅花型上、下交错布置（见附图3所示）。

（6）掘扩支护至桩号P0+680、P0+678时，沿拱部开挖轮廓线施打单排Ф32@200、L=6m超前锚杆进行超前支护（见图4所示）。

图4 桩号P0+680、P0+678塌方支护示意图

（7）由于坍塌物具有流动性，为确保安全，避免坍塌堆积物出现滑移而引起进一步塌方，采取如下开挖清运措施：按照坍塌物自然坡度，对坍塌堆积物裸露面进行临时支护：挂单层Ф8@200×200钢筋网；硬岩部位施打Ф22、L=5m锁固锚杆（并用于临时固定钢筋网）；喷射C25砼10cm厚。完成临时支护后，对坍塌堆积物底部进行开挖清运，清除底部烂泥后采用石渣临时回填处理（作为“压脚”和临时施工平台），提供型钢拱架施工工作面，及时架立钢拱架支护。

（8）根据现场坍塌量（约2000 m），推断塌方部位上方已形成一定范围空腔，为保证工程施工及使用安全，拟对拱顶空腔进行注浆处理，措施如下：

在塌方部位沿拱部预埋5～10条Ф150、L=15～20m注浆无缝钢管，钢管与拱部型封堵腔内积水引排处理。

施工工艺流程见图5。

图5 施工工艺流程图

4.施工方法及工艺

4.1 超前管棚施工

管棚加固机理：沿隧道拱部开挖轮廓线外环向打入一排无缝钢管，然后往无缝钢管内注入水泥浆，固结隧道拱顶上部的软弱围岩。为提高钢管的强度，再对钢管与孔壁之间的空隙注入水泥浆，让围岩与管棚固结，以隧道开挖时用钢拱架支护结构，达到一起形成棚状支护的结构。

4.1.1 施工工艺流程

施工准备→测量放样→开孔→跟管钻进→封孔→注浆→检查验收

4.1.2 施工机具及方法

1）施工机具：三臂钻、潜孔钻。

2）施工方法。

施工参数：钢管沿隧道拱顶部开挖轮廓线外5cm布置；钢管环向间距为30cm；外插角1～3°；管棚长度15 m，热轧无缝钢管Ф80mm、壁厚5 mm。注浆泵选用4.0MPa以上的液压注浆泵，注浆压力：1.0MPa；浆液采用P042.5级普通硅酸盐纯水泥浆、水灰比1∶1。

钻孔：①用三臂钻和潜孔钻的钻头直径Ф110 mm；②钻机钻孔时，先用低压力和低速度钻孔，钻孔进入1.0m后，根据地质情况来调整钻机的压力和速度；③根据钻孔时用测斜仪测定钻孔位置的情况判断其钻孔的成孔质量，然后及时调整钻孔位置；④做好钻机钻孔过程中的施工记录，并判断孔口岩屑的地质情况，为隧洞洞身开挖提供依据。

清孔和验孔：①用钻杆对钻好的孔进行扫孔，清除孔内的浮渣，防止堵孔以保证钻孔直径及钻孔深度达到要求；②钻孔过程中用测斜仪和经纬仪、经常量测钻孔的孔深，倾角及外插角。

安装钢管管棚：①在棚管四周钻Ф8的出浆孔，孔距30cm，呈梅花型布置，钢管尾部2m不钻孔作为止浆段；②用三臂钻或潜孔钻的冲击力及推力来安装钢管管棚，安装时三臂钻或潜孔钻要用低速度钢管顶进孔内。

钢管管棚注浆：①安装好钻有梅花孔布置的钢管后即对孔内注浆；②注浆浆液采用P042.5级普通硅酸盐纯水泥浆、水灰比采用1∶1，注浆压力：1.0MPa；③注浆泵选用4.0MPa以上的液压注浆机，将P042.5级普通硅酸盐纯水泥浆注入到钢管管棚内，初始压力为0.5mPa，结束时压力为1.0mPa，注浆时注浆压力持续15分钟后停止注浆；④注入钢管管棚内的注浆量需达到钻孔体积的1.5倍，如果注浆量没有达到1.0MPa压力要求时，须调整注浆浆液的浓度后再注浆，当注浆浆液充满钻孔周围岩体及钢管周围孔隙时，才能停止注浆。

钢管管棚施工质量控制：①钻孔前对钻孔进行编号，用测斜仪和经纬仪、计算和量测好钻孔的平面位置、倾角及外插角，钻孔插角控制在1°～3°；②施工钢管管棚时钢管不能钻入隧洞的开挖线内，俩相邻的管棚钢管不能相交；③钻孔过程中要经常测量钻孔孔位的倾斜度，有误差时要及时调正，如果无法调正要封掉钻孔，并在原钻孔位置重新钻孔；④如果在钻孔过程中碰到松散及破碎的地质情况时，在钻孔中可增加钢管套管护壁，以保证钻孔钻进及钢管顶进的施工。

4.2 超前小导管的施工

4.2.1 施工工艺流程（见图6）

图6 超前小导管施工工艺流程图

4.2.2 施工机具及方法

1）施工机具：气腿式手风钻。

2）施工方法。

施工参数：注浆压力：0.5～1.0MPa，注浆扩散半径为300mm，布设的超前小导管间距为200mm，超前小导管长度为6m，外插角为1～3°，注浆用的浆液采用P042.5级普通硅酸盐纯水泥浆、水灰比采用1∶1。

加工超前小导管：小导管采用Ф42mm的无缝钢管，管长6m；小导管上出浆孔的直径采用Ф6mm，孔距300mm，四周梅花状布设出浆孔；

布孔：沿设计开挖轮廓线进行布孔，风钻钻孔，孔径需较管径大20 mm以上，钻孔外插角应控制在3°；

安设超前小导管：将小导管插入钻好的孔，露出孔外200mm，然后把超前小导管用塑胶泥封堵；

注浆：①用有压水对安设好的超前小导管进行清洗，清除孔内的浮渣，防止堵管，然后在再注浆；②注浆顺序为自下往上向超前小导管内注浆，浆液由稀到浓，注意注浆压力不能超过1.0MPa，防止压裂安装好的超前小导管上工作面；③控制好注入超前小导管内的注浆量，当小导管管口的压力达到1.0MPa时停止注浆；④填写“管棚支护施工记录”。

5.围岩收敛稳定分析

塌方支护处理完成后，为了检测围岩的稳定性，在P0+680部位利用水准仪进行拱顶下沉量测，利用周边收敛仪进行围岩周边收敛量测，收敛位移量测是监控围岩变形的主要手段（见图7）。

图7 拱顶围岩收敛量测点位置示意图

图7中拱顶收敛监测点(中)兼作拱顶下沉监测点，假定拱顶只产生竖向位移,侧墙只发生水平位移。量测频率和时间在塌方支护处理完成后两天进行，开始时十天内对下沉及左右侧位移三测线以二天一次进行，后十五天内五天二次，一个月后，一般来说位移值已收敛，只有0.2mm/天以下的位移量，不再量测，量测变化曲线见图8～10所示。