管棚施工技术在隧洞塌方处理中的应用

第４期总第１８８期　浙江水利科技　Ｎｏ．４　Ｔ０ｔａｌ　Ｎｏ．１８８　２０１３年７月　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｈｙｄｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ　Ｊｕｌｙ　２０１３　管棚施工技术在隧洞塌方处理中的应用　王金英　（中国水利水电第五工程局有限公司，四川　成都６１００６６）　摘要：针对甘肃舟曲喜儿沟电站引水洞特大塌方事故中塌方量大、塌腔高、塌渣呈松散块状、地下水丰　富的实际情况，采用了中长管棚超前支护、注浆加固胶结塌方岩渣、开挖结合使用小导管的施工方法，取得了　成功。　关键词：管棚；隧洞；塌方处理；喜儿沟水电站　中图分类号：Ｕ４５５．４９　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８．７０１Ｘ（２０１３）０４—００６３—４０　渣已达２６　０００余立方米，但腔体仍未出露，腔体内地下渗　１工程概况　水量达１５～２０　ｍ３／ｈ。　喜儿沟水电站位于甘肃省舟曲县憨班乡的白龙江干流　２．２塌方特点　上，电站引水隧洞进水口位于白龙江右岸副坝上游，引水　（１）塌腔高。截止２０１２年６月１９日，按塌方长度　隧洞全长８　３９３．００　ｍ，施工标段桩号为３＋２００．００—８＋　３０．０　ｍ，宽度９．２　ｍ（洞径）计算，塌腔高度可达９４．２　ｍ，　４１３．６９　ｍ，长５　２１３．６９　ｍ，为有压隧洞，断面呈圆形，开挖　考虑洞两侧侧向垮塌，塌腔高度至少在７０．０　ｍ以上。　半径８．７０　９．２０　ｍ，隧洞底坡为５％ｏ，采用钢筋混凝土全断　（２）塌方渣体呈碎块状。由于塌方渣体中的黏土颗粒　面衬砌，衬砌后洞径７．５０　ｍ。　被持续不断的地下水带走，渣体胶结情况差，从现场掌子　本次大塌方位于引水洞２＃支洞上游主洞３＋６８０．００—　面堆渣及出渣料情况看，腔体内渣体呈５～６０　ｃｍ碎块状散　３＋６５０．００　ｍ洞段，附近发育有断裂构造，走向ＮＷ３０５。，　体结构。　倾向ＳＷ，倾角约７（】。。塌方洞段主要以碳质千枚岩为主，　（３）塌方腔体不断扩大。腔体内的岩体在地下水的浸　夹方解石条带及绢英千枚岩，其中炭质千枚岩遇水易风化　泡、冲刷下，不断塌落，渣体不断向上堆积，腔体不断　成碎屑、碎片状，抗风化能力差，属软岩；绢英千枚岩和　扩大。　方解石抗风化能力较强，属中硬岩。该洞段岩体较为破碎，　（４）腔体内可能存有高水头地下水。由于地下水流量　节理裂隙发育且地下水丰富，岩体自稳能力较差，岩体属　较大，且塌方腔体处于掩埋状态，腔体上部可能存在高水　头地下水。　Ｖ类围岩。　２．３塌方原因分析　２塌方情况、特点及原因分析　该洞段出现大塌方事故主要有以下几方面原因：　（１）地层构造运动影响。该洞段附近发育有断裂构造，　２．１　塌方经过　受区域断裂影响，引水洞线层间挤压断层、小褶皱较发育，　本次塌方洞段于２０１０年７月开挖支护完毕。自２０１１年　存在由炭质千枚岩、糜棱岩组成的破碎带，稳定性差、透　１２月２７日开始，３＋７１０．００～３＋６８０．００　ｍ洞段多次重复发　水性强。　生小规模塌方，报请业主、监理同意后，及时进行了支护　（２）岩体结构整体性差。该洞段岩体属Ｖ围岩，主要　处理。２０１２年４月２８日，３＋６８８．００～３＋６８５．４０　ｍ洞段支　以碳质干枚岩为主，岩体较为破碎，裂隙发育且地下水丰　护完毕后进行出渣时，３＋６８０．００　ｍ上游突然发生大规模塌　富，遇水长期浸泡易于软化崩解，岩体自稳能力差。　方，塌方长度３Ｏ．００　ｍ左右，塌腔体被掩埋，塌腔高度不明　（３）地下水丰富。该洞段节理裂隙发育，沿节理裂隙　确，有大量地下水持续渗出；５月１８日出渣到６　０００　ｍ时，　大量渗出地下水，造成碳质千枚岩遇水软化、崩解变形。　塌腔逐渐出露，混凝土拱圈跟进到３＋６８０．００　ｍ；在随后的　（４）开挖完成后暴露时间过长。该洞段于２０１０年７月　出渣过程中，腔体内渣体不断随渗流塌落，并再次将腔体　完成开挖支护，直到２０１１年ｌ２月，近１．５　ａ内，由于各种　掩埋；６月２日渗水逐渐加大，腔体内有渣体塌落的声响，　原因一直未能进行永久混凝土衬砌，直至造成围岩失稳、　直到６月１２日洞渣不断往下滑塌。出渣至６月１９日，已出　垮塌。　收稿日期：２０１２—１２—１９　３塌方处理方案的制定　作者简介：王金英（１９６８一），女，高级工程师，大学本科，　主要从事施工技术和管理工作。　对于该洞段塌方事故的处理，鉴于此次塌方事故的特　殊性及可能存在的重大安全隐患，专门派地下工程、混凝　・６３　・　王金英：管棚施工技术在隧洞塌方处理中的应用　土等相关专业专家与业主、　设计、监理共同商讨确定了塌　方处理方案。　５　管棚设计计算　５．１洞顶围岩压力计算　该塌方段开挖洞径Ｄ＝９．１０　ｍ，塌方段埋深按日＝　３．１立即停止出渣　到２０１２年６月１９日，出渣２６　０００余立方米后，塌腔仍　被渣体完全掩埋。由于塌腔内可能存在高水头地下水，如　７０．００　ｍ计，管棚采用扇形布置，施工中，钢管的计算模型　果继续向前出渣，将打破空腔内高位水头地下水、渣体与　洞内渣体构成的平衡稳定状态，造成大量的高水头地下水、　渣体从腔体内瞬间涌出，给洞内出渣人员、设备及其他施　工人员带来生命、财产损失。同类事故在某同类隧洞施工　中已经发生过…。　３．２方案比较　对于该次塌方的处理，选择超前小导管和超前管棚２　种施工方案。　３．２．１超前小导管方案　超前小导管方案具有循环快、成本低、操作简单等优　点，但要求小导管前部的未开挖渣体支点具有一定的自稳　支撑能力，并且由于小导管直径较小，注浆加固周围渣体　的范围小，承受上部渣体的压力不能过大。　３．２．２超前管棚方案　超前管棚方案具有施工循环较长、成本较高、操作难　度大，需要专业钻具及专业施工队伍的缺点，但超前管棚　长度较长、直径较大，注浆加固长度、范围都比较大，前　部未开挖渣体支点经注浆加固后具有一定的自稳支撑能力，　承受上部压力能力也比较强。　３．３处理方案确定　通过专家组充分探讨、协商，本次塌方处理必须在确　保安全的前提下进行。鉴于本次塌方体呈块状散体结构，　稳定性差；塌腔内高度达７０　ｍ以上，腔体内存在高位水　头，超前支护体必须能承受上部很高的承载压力，因此最　终采用超前管棚方案进行塌方处理。　４超前管棚支护施工原理　超前管棚施工基本工作原理：采用专用钻孔机具按照　设计次序在设计开挖轮廓线外，按较小的间距钻孔，将管　体周围钻有孔洞的大直径钢管依７欠打入前方堆积渣体内，　然后按照设计次序、设计压力依次灌注水泥浆，水泥浆通　过钢管周围的孑Ｌ洞压入周围渣体内，从而固结钢管周围渣　体。环向密集布置的沿洞轴线方向的钢管在钢拱架和前方　经注浆加固的未开挖渣体２个支点的共同支撑下，为下一　步渣体开挖提供了安全保证；钢管周围渣体经过注浆固结　后，在钢管周围沿设计开挖轮廓线形成了１个筒状环向壳　体固结拱圈。从而分别在隧洞塌方洞段的纵向、环向形成　了１个具有一定支撑强度的梁结构和拱结构，形成的纵向　和环向结构共同作用，能有效提高超前支护体的整体承载　力和自稳能力，这样就能有效保证隧洞塌方渣体的顺利开　挖支护工作。　・６４・　可以简化成图１。由于埋深较大，渣体呈散体结构，围岩压　力按太沙基公式确定【　。　卜－—　Ｌ・Ｌ—上Ｌ・　——　图１　管棚钢管强度计算简图　Ｐ＝（７ａ１一ｃ）／（２ｔａｎｇ，）　ａ１＝ａ＋ｈｉｔａｎ（４５￣一ｇ，／２）　式中：Ｐ为围岩压力，ＭＰａ；ｙ为围岩重力密度，ｋＮ／ｍ３；Ｃ　为粘聚力，ＭＰａ；　为侧压力系数，太沙基公式取Ａ＝１；　为内　摩擦角，。；ａ为隧洞开挖宽度的１／２；ｈ　为洞室开挖高度，ｍ。　当围岩顶部埋深大于３０．００　ｍ时，按太沙基公式计算的　围岩压力误差较大。考虑到施工后的管棚对围岩压力的缓　冲、吸收、分散等作用以及通过管棚注浆对围岩的加固效　果，通常实际围岩压力仅为太沙基公式计算值的４０％～　５０％，即Ｐ＿＿（０．４—０．５）Ｐ。　根据工程岩体分级标准＿４Ｊ，塌方洞段岩体基本质量级别　为Ｖ级，７＜２２　５００　Ｎ／ｍ３、５６＜２７。、Ｃ＜０．２　ＭＰａ，渣体松方　系数按１．４，取ｙ＝２２　５００．０／１．４＝１６　０７１．０　Ｎ／ｍ３；取内摩擦　角≯＝２７。；由于渣体呈散体块砖结构，粘聚力很小，取ｃ＝　０；　＝ｌ；ａ＝Ｄ／２＝４．５５　ｍ；ｈｌ＝９．１０　ｍ；洞顶埋渣厚度Ｈ＝　７０．００　ｍ，钢管容许应力［　］＝２４０　ＭＰａ。　ａ１＝ａ＋ｈ１ｔａｎ（４５￣一４＇／２）＝４．５５＋９．１ｔａｎ（４５—２７／２）＝　１０．１３　Ｐ＝（７ａ１一ｃ）／（　ｔａｎｇ，）＝（１６　０７１×１０．１３—０）／（１　Ｘ　ｔａｎ２７）　＝３１９　５１１　Ｐａ：０．３２　ＭＰａ　只＝０．５Ｐ＝０．１６　ＭＰａ　５．２钢管最不受力段长度计算　Ｌ＝Ｌｌ＋　式中：　为钢拱架间距，ｍ；Ｌ２为开挖单循环进尺，　ｎｌ。取钢拱架间距Ｌ１＝０．５　ｉｎ，单循环进尺控制在０．５～０．８　Ｉｎ，最大不超过０．９　Ｉｌｌ，计算取　＝０．９　ｎｌ，则￡＝０．５＋０．９　＝１．４　ｍ　王金英：管棚施工技术在隧洞塌方处理中的应用　５．３单位宽度内荷载计算　加＝Ｐｉ＝０．１６　ＮＰａ／ｍ　６．２管棚施工参数选取　（１）管棚外偏角：尽量选取最小外偏角度，这与现场　作业条件及钻孔设备有关，根据现场察看，最小钻孔外偏　最大弯矩值肘一＝ｗＬ　／８＝０．１６×ｌＯ６×１．４２／８＝３９　２００　Ⅳ・ｍ＝３９．２　ｋＮ・ｍ　５．４单位宽度内钢管抗弯截面模量计算　＝　一／［　］＝（３９．２　Ｘ　ｌＯ３）／（２４０　Ｘ　ｌＯ６）＝１．６３３　Ｘ　１０一ｍ３：１６３．３　ｃｍ３　５．５钢管规格选取　根据管棚常用钢管规格相关参数进行比选，即可选到　合理的钢管规格参数。　（１）外径　１０８　ｒａｉｎ，壁厚６　ＩｒｌｌＴｌ的钢管抗弯截面模量　舷＝４６．４６　ｃｍ３，单位宽度内所需钢管数量为ｎ＝１６３．３／　４６．４６＝３．５１根／ｍ，钢管间距２８　ｃｍ，间距偏小。　（２）外径　１０８　ｍｍ，壁厚８　ｍｍ的钢管抗弯截面模量　耽＝５８．５５ｅｒａ３，单位宽度内所需钢管数量为ｎ＝１６３．３／　５８．５５＝２．７９根／ｍ，钢管间距３６．０　ｃｍ。　（３）外径　１０８　ｎｌｎｌ，壁厚１０　ｎｌｍ的钢管抗弯截面模量　耽＝６９．１６　ｃｍ］，单位宽度内所需钢管数量为ｎ＝１６３．３／　６９．１６＝２．３６根／ｍ，钢管间距４２　ｃｍ。　（４）外径　１２７　ｒｒ．ｍ，壁厚１０　ｎ＇ｌｍ的钢管抗弯截面模量　耽＝９９．７７　ｃｍ３，单位宽度内所需钢管数量为ｎ＝１６３．３／　９９．７７＝１．６４根／ｍ，钢管间距６１　ｃｍ，间距明显偏大，不　合理。　从以上几组数据看，选用外径　１０８　ｍｍ，壁厚８　ＩＩｉｎｌ和　外径　１０８　ｎ＇ｌｌｎ，壁厚１０　ｍｉｌｌ的钢管均可以，考虑到小间距　更有利于支护结构的安全稳定，施工中选用了直径　１０８　ｉｎｌｌｌ，壁厚８　ｍｍ的钢管，间距３５　ｃｍ。　６塌方处理施工　６．１塌方段支护处理结构　隧洞塌方段管棚布置及支护衬砌结构见图２。　图２塌方段管棚布置及支护衬砌结构断面图　角可控制在１０。以内。　（２）管棚长度：鉴于顶部塌方堆积体结构松散，如果　管棚过长，管棚底部偏离隧洞设计开挖轮廓过大，通过管　棚注浆时，可能影响设计开挖轮廓周围的渣体胶结效果。　预计本次塌方长度３０　ｉｎ，按１次通过考虑，管棚长度最少　３５．００　ｍ，外偏角按１０。考虑，管棚底部偏离设计开挖轮廓　距离ｒ＝３５ｓｉｎ１０。＝６．０７　Ｉｎ，通过管棚注浆难于保证这一厚　度的渣体很好地胶结。如果２次管棚通过，每次通过长度　１５．００　ｍ，考虑搭接长度３．００　ｉｎ，管棚长度１８．００　ｉｎ，管棚底　部偏离设计开挖轮廓距离３．１０　Ｉｌｌ，根据经验，通过管棚注　浆可以保证这一厚度的渣体较好地胶结，因此取管棚长度　Ｌ＝１８．００　ｒｎ。　（３）管棚布置范围、间距：根据顶部塌方情况，管棚　布置在顶拱圆心角１５０。范围；管棚间距３５　ｃｍ（见图２）。　（４）管棚外部端头支撑：采用Ｉ１８工字钢制成的钢拱架　支撑，间距５０　ｃｍ。　（５）管棚注浆孔布置：每隔３０　ｃｍ梅花形布置，孔径　１０～１６　ｅｍ，孔口段１　ｉｒｌ不设注浆孔。　（６）灌注浆液：采用０．５：１的水泥浆。　（７）注浆压力：考虑到渣体空隙较大，灌注压力太大，　浆液可能流出渣体外部，灌浆压力逐渐由小增大，一序孑Ｌ　采用“少灌多复”的方法，灌浆压力选用０．３～０．５　ＭＰａ；　二序孔灌浆压力选用０．５～０．６　ＭＰａ；三序孑Ｌ灌浆压力选用　０．６～０．８　ｌＶｌＰａ。　（８）灌浆结束标准：在上述设计灌浆压力下，当注入　率不大于０．４　Ｌ／ｍｉｎ时，延续灌注３０　ｍｉｎ，即可终止灌浆。　（９）钻孔设备选取：选用ＹＸＺ一７０Ａ型液压锚固钻机钻　孔，钻孔直径１１０～２３０　ｍｍ，钻孔深度３５～１００　ｍ，钻孔角　度范围０～３６０。，重量１　３４５　ｋｇ，电动机功率１８．５　ｋＷ。　（１０）钻具选取：选用　１０８三件套偏心钻具。扩孔时　钻头直径　１１８　ｍｍ，收拢时钻头直径西８５　ｍｍ。　６．３管棚施工　（１）封闭掌子面塌方堆积体：采用Ｃ２０喷混凝土封闭　掌子面塌渣塌渣堆积体，防止表面塌渣继续风化；防止管　棚注浆浆液从渣体渗出。　（２）管棚钻孔测量放样：根据管棚设计参数，采用全　站仪进行管棚孔位测量放样工作，孔位精度控制在±３　ｃｍ。　（３）钻孔跟管：钻孔采用Ｙ）（Ｚ一７０Ａ型液压锚固钻机，　钻具采用　１０８三件套偏心钻具。钻机就位施钻前，必须精　确核定钻机位置，反复调整，确保钻机钻杆轴线方向与设　计一致。钻具钻进时偏心扩孑Ｌ套向外旋出，钻头直径　１１８　Ｈｕｎ，钻孔直径　１２０～１２５　ｍｍ；管棚按１．５　ｍ一节，套在钻　杆外部、钻具后边同时跟进，管棚钢管随着钻具钻进采用　丝扣逐节连接；管棚跟管钻进到设计深度（１８　ｍ）后，钻　具小心地反转，偏心扩孔套旋回，钻头直径收拢至　８５　ｍｌｎ，钻杆、钻具从管棚钢管内退出，并将钻杆逐节拆除，　・　６５　・　王金英：管棚施工技术在隧洞塌方处理中的应用　最后将偏心钻具系统从管棚钢管中取出。　（４）注浆：管棚钢管施工完毕，采用钻机来回扫孔，　清除管棚内浮渣，再采用高压风将管棚内岩渣吹出钢管外。　管棚钢管孔口连接注浆管，按每序孑Ｌ的设计灌浆压力，注　入０．５：１的水泥浆。注入管棚钢管内的浆液通过钢管周围　的注浆孔充填扩散到渣体空隙中，使管壁周围一定范围内　松散渣体充分胶结。　（５）开挖支护：全部管棚注浆完毕２４　ｈ后即可开始进　行开挖作业，开挖采用反铲结合人工开挖，单循环进尺　５０～８０　ｅｍ，根据堆积渣体稳定情况，辅以钢支撑、超前小　导管超前支护。　参考文献：　［１］杨玉银，卢学文．某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及经验教　训【Ｊ］．工程爆破，２０１０，１６（３）：５２—５５．　８结语　实践证明，采用中长管棚处理高水头压力下隧洞特大　塌方是行之有效的手段，其中管棚跟管钻进成功是塌方处　理的前提，这是保证塌方处理过程中施工安全的首要条件；　注浆浆液对塌方堆积体的良好胶结效果是塌方处理成功的　关键，是保证塌方堆积渣体稳定，防止继续塌方的重要因　素，必须要重视注浆施工作业并保证施工质量。　７塌方处理效果　截止２０１２年１１月底，发生塌方的３＋６５０．００～３＋　６８０．００　ｍ洞段已经开挖支护完毕，塌方处理工作取得了成　功。从开挖后渣体出露情况看，渣体胶结良好，注浆效果　完全满足开挖需要，为塌方处理取得成功奠定了坚实的　基础。　［２］康世荣，陈东山．水利水电施工组织设计手册（２）施工技术　［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９０．　［３］李建军，谢应爽．隧道超前支护管棚工法设计与计算研究　［Ｊ］．公路交通技术，２００７（３）：１４０—１４２．　［４］水利部长江水利委员会长江科学院．ＧＢ　５０２１８－－９４工程岩体分　级标准［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００６．　（责任编辑姚小槐）　（上接第６２页）　验证，在内塘设计水位下，与３台水泵联合调度排泄洪水，　工程运行良好，各项目指标均达到了设计要求。　（５）沉井每天下沉５０～６０（３ｍ，大约３—４　ｄ后，当首层　沉井顶离地面高差３０～５０　ｃｍ时，则停止开挖下沉，并通过　（２）泵闸厂房及进出口岸墙沉降观测：２０１０年１２月，　工程竣工验收时，进行了第１次观测：主厂房均匀沉降　３　ｍｍ；进口岸墙中部最大沉降８　ｍｉｌｌ，岸墙与水闸边墩接缝　顶拉开６　１１１１１１（已及时修复）；出口岸墙中部最大沉降１０　ＩｌｌｌＴＩ。２０１２年ｌ２月，第２次观测：主厂房未见异常，已稳　定；进、出口岸墙沉降比第一次记录沉降３—５　ｉｒｌｉｎ。　仪器观测进行纠偏，使沉井处于平稳状态。　（６）沉井第２层井身在首层井身上制作。在混凝土达　到设计强度后，沉井整体下沉，纠偏方法同（１）～（４）。　（７）在沉井下沉到设计位置后，进行灌注桩桩头处理　及闸室底板钢筋制安和混凝土浇筑；纵向内隔墙与闸墩混　凝土结合浇筑。在闸室基础建筑物施工完毕后，拆除沉井　横向隔板，疏通进水池。　４结语　３后期建筑物运行效果观测　为了解顶管式水闸及泵闸厂房及岸墙基础加固处理后　的运行效果，２　ａ来进行了效果观测：　应用顶管式水闸及沉井基础技术，泵闸工程施工不须　破海堤、筑围堰，妥善解决了软基穿堤建筑物的施工难点，　同时，降低了工程造价，加快施工进度，确保主体工程施　工的顺利进行。具有一定的推广价值。　（责任编辑姚小槐）　（１）顶管式水闸通过２０１２年“海葵”台风暴雨袭击的　・６６・