管棚支护在水电站引水隧洞施工中的应用

黄世生

(福建省宁德市水利水电工程局, 福建 宁德 352100)



管棚支护在水电站引水隧洞施工中的应用

黄世生

(福建省宁德市水利水电工程局, 福建 宁德 352100)

在水电站引水隧洞施工过程中，当遇到不良地质情况时会增加隧道开挖难度，如果不及时采取相应的处理措施会导致隧洞出现坍塌。本文以实际工程为例，对管棚支护施工法的设计方案及管棚支护法的施工技术进行探讨，取得了良好的应用效果。

引水隧洞； 管棚支护； 处理效果

1 工程概况

蒲洋水电站是位于平溪干流梯级开发的第六级混合式开发水电站，枢纽主要有拦河坝、引水隧洞、升压开关站、厂房等主要建筑物构成。电站总装机容量为1.3万kW。该标段隧洞工程主要由进水口、引水隧洞、调压井、高压水道和2条施工支洞等构成。引水隧洞长度为3018.86m，引水隧洞开挖直径为4.6m；调压井为阻抗式，调压井总施工高度为52.1m，开挖直径为7.0 m；高压引水水道长度为172.6m，开挖直径为4.0～2.96m；导流隧洞的长度为157m，开挖尺寸为5.4m×6.4m城门型断面。

2 工程地质条件

导流洞所在地区沿线地形变化比较大，上部覆盖岩的厚度为30～50m，围岩岩性为含黑云母的花岗岩，围岩一般为弱风化。

引水隧洞沿线地形表现为起伏波状，隧洞上覆山岩体的厚度为60～180m，围岩岩性为含有黑云母的花岗岩，岩石坚硬、致密，沿线发育的大部分断层和隧洞线交角比较大，一般为60°～80°，F5、F6两条断层和隧洞线交角只有20°～30°，在一定程度上影响了隧洞的稳定性。压力隧洞围岩一般为弱—微风化，围岩完整性好，并且基本处于稳定状态。断层破碎带围岩为强风化，隧洞进水口、过冲沟和遇断层破碎带在开挖过程中出现坍塌和掉块的情况，并且有丰富的地下水。破碎带长度约为60m。

3 管棚架构设计

管棚架构如下图所示，管棚位于隧洞顶拱120°～150°之间，相邻管孔距离0.4m，孔深为12～18m。工程上借助地锚钻机或地质钻机，采用风动潜孔钻具形成管棚。钻孔内具有大量钢管群，形成方式有两种，向孔内压入钢管和边钻孔边压入管。同时通过插入钢筋和注入水泥浆来增加钢管的刚度。钢管常选用热轧无缝钢管，规格一般为φ80×8或φ114×10。工程上常通过岩体灌浆来凝结断层带散状物，灌浆孔规格为φ8×3，间距30cm，大大减少了断层带散状物喷出以及地下水的涌入。

为了保障管棚良好的支撑作用，工程开挖轮廓线外边顶拱固结厚度大于1m，保障相邻管棚间的搭接长度为1.5m。同时，管棚需要与工字钢(h=16cm)的支撑结构组成联合受力体，管棚钢支撑间距一般控制在两端1m、中间2m。管棚支撑结构中洞室的开挖需与管棚超前支护交替施工，在管棚保护下进行洞室钻爆开挖[1]。按照标准洞门型进行洞室开挖的主要目的是为了保障钢支撑结构始终处于良好的受力状态下。

管棚支撑架构图(单位：m)

4 管棚支护架构施工技术要点

4.1 开挖洞口和防护坡面

a.开挖洞口。工程借助CAT320反铲挖掘机采用从上至下的顺序开展洞口土方挖掘工作，边坡、仰坡需一次性到位。

b.防护坡面。工程上常通过挂钢筋网并喷混凝土的方式对坡面进行坡面防护。通常为了固定坡面，先在开挖面上喷1～2cm的C20混凝土。当该混凝土强度达到一定标准时，需在深入坡面约50cm处灌入φ22的砂浆锚筋，规格为1.5m×1.5m。支护正式开展挂网喷混凝土工程，钢筋网结合实际支护围岩面起伏状态，采用了φ8圆钢铺设，网格规格为20cm×20cm，钢筋网距离初喷的混凝土层超过3～5cm，钢筋保护层厚度大于3cm，整个钢筋网与锚杆之间采用多点牢固连接[2]。此外，钢筋网喷射厚度为10cm的C20混凝土。

4.2 导向管安装施工

导向孔一般选用预留方式。当完成支洞口的开挖工作后，工程施工人员需在距支洞开挖线100cm外浇灌厚100cm的C20混凝土，进行支洞锁口。在混凝土浇灌土墙前要安装好φ110的薄壁钢管作为导向管，该导向管安装需借助经纬仪进行准确定位，同时需要准确设计导向管角度与方位，并且导向管需深入洞脸坡面10cm。

4.3 施工平台建设

为了便于钻机安装，施工平台需要采用枕木搭成井字台结构，搭建时要搭设牢固，避免钻进钻孔时出现平台搭建不均匀而下沉、位移及晃动等现象。

4.4 管棚钻孔施工

管棚支护工程质量好坏的关键在于钻孔施工是否高效完成，钻孔精度高低，孔壁是否光滑、不掉块、不塌陷都影响着管棚支护效果[3]。因此，钻孔前要结合施工场地进行现场调研分析，找出所有可能对钻孔质量产生影响的因素，并根据因素设计方案，确保钻孔质量。钻孔前要对钻机放置位置、钻杆方位角和倾角进行详细确认，确保导向管轴线和钻具轴线在同一位置。

钻孔过程中要结合地层对钻机的速率、压力进行动态调整，确保钻孔精度。同时要实时借助侧斜仪对钻孔偏斜度进行测量，及时调整偏斜程度，避免出现偏斜太厉害导致下钢管时钻孔精度、孔壁光滑度不达标，出现塌陷、掉块问题。

4.5 钢管顶入施工

钢管要严格按照管棚要求进行加工，通常首根钢管为锥型顶端。为了确保断面浆液均匀，需按间距布置一定量的孔距100mm、出浆孔径10mm的梅花形钢管。

当钻孔深度达到要求时退出钻杆，采用高压风枪进行清孔，将加工完成的钢管通过长8～10cm的丝扣内外紧密衔接在一起，依次逐根将钢管顶入孔内，相邻钢管丝扣部位需错开1.0m，整个断面丝扣和不超过50%。要严格依照钻机的立轴方向，确保孔口方向准确。钻孔与钢管的安装要同步进行，即钻一孔马上安装钢管同时灌浆。由于浆液凝固需要时间，故常选用间隔钻孔[4]。

4.6 向钢管内灌浆

注浆常在钻孔、钢管安装完成后马上开始。灌浆前需密封钢管与导向管间隙，避免浆液外流，同时在孔口开设气孔。灌浆时，常先低压、中流量进行注入，之后慢慢提升压力，减少流量。当压力达到最终压力时，持续注浆5min之后结束注浆。通常注浆采用由内到外、由上而下的顺序进行，即按照支洞顶部内排孔到外排孔，再到两侧墙孔，先上部孔，后下部孔施工。灌浆结束后24h可进行爆破，当出现以下情况时可判定灌浆结束。

a.灌浆压力满足最终设计值，灌浆量超过设计浆量90%。

b.灌浆压力没有到设计值，灌浆量已满足设计浆量。

c.灌浆压力超过灌浆终压80%时，发生跑浆现象等。

4.7 工程施工中发生的问题

工程开挖后发现，管棚灌浆前期的超前支护土层借助于胶体凝结成整体，其支护效果良好。但是施工中仍出现了以下几个问题：

a.因地质原因所钻孔会发生漏风、不排渣的情况，导致钻孔过程中常出现卡钻及钢管顶入不到位的问题。处理办法：放慢钻孔速度，多次进出，钻进10cm退出20cm，同时借助高压风持续吹动，放慢钻进速度，进一退二或退三，排渣正常后，添加钻杆[5]。

b.由于硬-可塑黏土黏性较强，采用风动冲击不能正常排渣。处理办法：黏土加水成泥浆排出。

c.钻孔中部分水平钻孔会弯曲朝向隧道设计断面。处理办法：增加上抬量，动态监测轴线与衬砌外缘夹角变化。

4.8 管棚施工质量分析

工程技术人员结合工程特殊的地质情况，借助管棚支护与钢拱架形成纵、横全方位的整体支护体系，极大程度防止围岩变形，确保支护结构与围岩同时受力，提升了“围岩-支护体系”的承载力。结合后期运行地表未出现明显的沉降变形情况，管棚支护结构的使用极大程度上确保了安全施工和该洞段后期的安全运行。

5 结 语

综上所述，该引水隧洞施工过程中，受地质条件影响，隧洞开挖过程中很容易出现塌方，会对施工进度造成影响。为了保证隧洞施工的顺利开展，该工程使用管棚超前支护的方法进行处理，有效解决了地质方面的问题，取得了良好的支护效果。

[1] 陈怀均.某引水隧洞管棚法施工技术的分析[J].四川水利，2011(3)：47-49.

[2] 钟久安，苏刚锋，陈敏.管棚支护技术在大直径引水隧洞塌方处理工程中的应用[J].地质装备，2015(3)：39-42.

[3] 邹本东，冀红伟，杜士斌.采用超前灌浆和超前管棚对接技术通过突水突砂地质灾害洞段[J].水利技术与管理，2008(5)：51-54.

[4] 李发扬.管棚支护在大发电站引水隧洞施工中的应用[J].四川水力发电，2006(5)：85-87.

[5] 孔祥政.科卡科多水电站引水隧洞灌浆加固方法[J].中国水能及电气化，2014(12)：15-18.

Application of pipe roof support in the construction of hydropower station diversion tunnel

HUANG Shisheng

(Fujian Ningde Water Conservancy and Hydropower Engineering Bureau, Ningde 352100, China)

In the process of hydropower station diversion tunnel construction, tunnel excavation difficulty can be increased when poor geological conditions are encountered. If corresponding solutions cannot adopted timely, tunnel collapse will be produced. In the paper, actual project is adopted as an example for discussing the design plan of pipe roof support construction method and construction technology with good application effect.

water diversion tunnel; pipe roof support; treatment effect

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.004

TV732

B

1005-4774(2016)12- 0013- 03