陳懷均

(中國葛洲壩水利水電集團(tuán)二公司,成都,610091)

1 工程概況

桐子林水電站頭道河溝堆渣場,位于壩區(qū)右岸下游約1.4km的頭道河溝內(nèi),自溝口向里約60m至1250m段為堆渣區(qū)。頭道河溝長年流水,作為堆渣區(qū),需對溝水進(jìn)行處理。該堆渣場溝水處理為電站附屬工程,屬小型引(排)水工程。

頭道河溝溝水處理工程由擋水壩、泄水洞和出口明渠等組成。擋水壩采用土石壩,最大高度14m,壩頂高程1024m,壩頂軸線長110m。引水隧洞洞長630m,過水?dāng)嗝?城門洞形)為5.5m×8m～6.2m(寬×高),進(jìn)口底板高程1011.00m,出口底板高程1001.60m,采用鋼筋混凝土襯砌,混凝土襯厚0.5m。出口明渠長110m,明渠底寬5.5m～20m。

引水隧洞由前段隧洞和后段明渠組成,最小開挖洞徑6.8m×7.35m,洞軸線方向為S61°E,沿線地形較為完整,無較大的沖溝切割。引水隧洞圍巖由三迭系白果灣群粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖夾中薄層粉砂巖、砂巖組成,洞段內(nèi)無較大的斷層通過,但構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,巖層產(chǎn)狀零亂,總體產(chǎn)狀N0～ 40°E/NW20°～65°,總體上與洞軸線呈較大角度相交。根據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL-93)的圍巖分類,洞段巖體主要為Ⅴ類圍巖,洞身段局部為Ⅳ類圍巖。

2 不良地質(zhì)洞段分析

引水隧洞進(jìn)水口位于右岸,進(jìn)口段樁號K0+0～K0+45m,基巖裸露,巖性為炭質(zhì)頁巖夾砂巖,弱風(fēng)化 ,巖層產(chǎn)狀為 :N0 ～ 30°E/NW60°,走向與坡面近于一致,巖層順坡傾斜,為順向坡。洞口表層分布有層厚2m～3m的細(xì)砂巖,其下為粉砂質(zhì)頁巖,巖性較弱,軟硬相間巖層會影響洞臉邊坡穩(wěn)定,采取鋼支撐措施。該段隧洞圍巖為風(fēng)化卸荷區(qū),且埋深小于35m,巖性以粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主,多呈散體結(jié)構(gòu),為Ⅴ類圍巖。

洞身段樁號K0+45m～K0+574m,該段隧洞圍巖以粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖為主,夾少量粉砂巖、砂巖,總體為軟巖類,層狀結(jié)構(gòu),巖層構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈,層間、層內(nèi)錯動帶常見,且多為軟弱面,巖體破碎、軟弱,圍巖自穩(wěn)能力差。大部分洞段圍巖具流變特性,施工時多次出現(xiàn)邊墻、底板塑性變形,總體上屬Ⅴ類圍巖,局部為Ⅳ類圍巖,成洞條件差。

泄水隧洞出口段樁號K0+574m～K0+630m,上覆巖體較薄,風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈,圍巖極不穩(wěn)定,成洞條件差,為Ⅴ類圍巖,必需超前支護(hù),全部加固襯砌。

3 引水隧洞管棚設(shè)計參數(shù)

3.1 管棚尺寸參數(shù)

引水隧洞管棚尺寸參數(shù)主要包括管棚的長度、鋼管直徑、鋼管壁厚及隧洞內(nèi)工作室的尺寸參數(shù)。

進(jìn)水口位于右岸,管棚的長度為45m,泄水隧洞出口段管棚長度為56m,管棚直徑為φ89mm,管棚壁厚為6mm,中間用同直徑的壁厚10mm～12mm鋼管車絲扣連接。

3.2 管棚位置參數(shù)

引水隧洞管棚中心位置距開挖線20cm～30cm,開孔位置偏差為±2cm。管棚傾角根據(jù)地質(zhì)情況及隧洞坡度確定,外插角為 0°至1°。環(huán)向間距根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、管棚管徑確定,進(jìn)口段樁號K0+0～K0+45m環(huán)向間距為25cm。泄水隧洞出口段K0+574m～K0+630m環(huán)向間距40cm。

3.3 管棚注漿參數(shù)

引水隧洞管棚注漿壓力為 0.8MPa～1.2MPa,水泥普通硅酸鹽酸PO32.5MP,漿液配比按0.8∶1或1∶1配制,注漿量根據(jù)管棚管徑和管棚長度確定。注漿結(jié)束用M20砂漿填充,以增強(qiáng)鋼管的剛度和強(qiáng)度。

3.4 管棚施工精度

送管時采用管棚導(dǎo)向儀進(jìn)行鉆孔測斜,發(fā)現(xiàn)偏差及時調(diào)整鉆進(jìn)角度(進(jìn)孔角度)。

引水隧洞管棚打設(shè)傾角偏差根據(jù)管棚長度一般都能控制在±0.5°以內(nèi),外插角控制在 3‰以內(nèi),管棚長度誤差控制在±30cm以內(nèi)。

由于管棚施工過程中成管快,注漿能及時跟進(jìn),因此上覆地層沉降基本上為零沉降。

4 引水隧洞洞身段支撐施工

洞身段樁號K0+45m～K0+574m,以短進(jìn)尺、多循環(huán)為指導(dǎo)思想,全斷面開挖掘進(jìn),循環(huán)進(jìn)尺為1.5m;用 YTP-28氣腿鉆鉆孔,自制臺車作為鉆孔和裝藥平臺,側(cè)卸裝載機(jī)裝渣,5t自卸汽車運輸;采用中心掏槽、周邊光面爆破方法施工(鉆爆設(shè)計見圖1)。

圖1 鉆爆設(shè)計

對于Ⅳ～Ⅴ類巖石,隧洞開挖時根據(jù)實際揭露的地質(zhì)條件調(diào)整爆破參數(shù),對不良地質(zhì)地段采取短進(jìn)尺、密布孔、少藥量爆破。

鋼拱架襯砌,初擬每m布置一榀鋼拱架,若圍巖較差則適當(dāng)減小間距。洞室開挖放樣的同時,對上一循環(huán)開挖斷面進(jìn)行復(fù)核,發(fā)現(xiàn)欠挖時用紅油漆做好標(biāo)記并注明欠挖程序,下一循環(huán)開挖時,首先對欠挖進(jìn)行處理。

洞內(nèi)采用跟進(jìn)支護(hù),即出渣以后馬上進(jìn)行支護(hù)施工,然后再掘進(jìn)。對出現(xiàn)的不良地質(zhì)洞段,采取超前支護(hù)(即布置超前錨桿)。支護(hù)形式主要為鋼支撐、砂漿錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土相結(jié)合。

鋼支撐間設(shè)縱向連接筋,并噴混凝土填平。鋼支撐架立后盡快噴混凝土作業(yè),并將鋼支撐全部覆蓋,使鋼支撐與噴混凝土共同受力。噴射混凝土分層進(jìn)行,每層厚度5cm～6cm左右,先從拱腳或墻處向上噴射,以防止上部噴射料虛掩拱腳(墻腳)噴射不密實,造成強(qiáng)度不夠,拱腳(墻腳)失穩(wěn)。鋼支撐如圖2所示。

圖2 鋼支撐示意

5 隧洞采用管棚法施工

5.1 概述

在引水隧洞開挖過程中,經(jīng)常會遇到破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段,在這類地質(zhì)條件下開挖,如果不進(jìn)行超前預(yù)支護(hù),很容易發(fā)生坍塌事故,給項目部造成經(jīng)濟(jì)損失,增加工程成本,影響工程施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

當(dāng)引水隧洞施工需下穿已有線路或建筑物及河流、湖泊時,如果不進(jìn)行超前預(yù)支護(hù),很容易造成隧道上既有線路或建筑物的沉降,以及河流、湖泊的涌水而帶來的各種安全隱患。

對于引水隧洞施工過程中遇到上述情況,在早期隧道開挖時,主要采用插板法、小導(dǎo)管超前注漿法、淺層地表錨桿注漿加固法等進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。但這幾種支護(hù)工法都有一些不足,就是支護(hù)范圍和深度有限,加固強(qiáng)度不足,難以形成高強(qiáng)度支護(hù)整體,而且往往需要多個循環(huán)才能穿越需支護(hù)地層段。這樣,不僅造成現(xiàn)場窩工、停工等情況,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度,而且有時其安全性也難以保證。

管棚工法是采用專用鉆機(jī)將鋼管沿隧道開挖輪廓線外一節(jié)一節(jié)地打入需支護(hù)地層中的預(yù)定位置,然后進(jìn)行注漿,通過漿液在圍巖中的擴(kuò)散,形成一個類似鋼筋混凝土的拱形帷幕,從而達(dá)到支護(hù)開挖線外側(cè)圍巖的作用。隨著施工技術(shù)的不斷改進(jìn),管棚工法得到了普遍的利用,特別是在導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)等技術(shù)及多種新的施工工藝引入后,管棚施工的精度、打設(shè)長度、沉降控制及施工工效有了長足的發(fā)展。

5.2 管棚法施工原理

5.2.1 利用簡支梁作用的原理。由于管棚的直徑大、剛度大,同時又是較密排布置,當(dāng)鋼管兩端支撐梁的剛度達(dá)到足夠大后,開挖引起的變形量非常小,這時候管棚就相當(dāng)于一道簡支梁,阻隔隧道開挖時釋放應(yīng)力對圍巖的作用。

5.2.2 利用水泥漿液的流動性和圍巖的裂縫或孔隙,使注入的水泥漿液能與土體進(jìn)行粘合而形成一種類似混凝土的固結(jié)體,從而起到加固圍巖土體的功能,對于含水較小的地層還能起到一定的止水效果。

5.3 管棚法施工的作用

5.3.1 提高圍巖土體強(qiáng)度,提高開挖線拱部土體承載力,加固隧洞圍巖,確保隧道施工安全。在隧洞穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段時,管棚的這種作用比較明顯。

5.3.2 控制地表沉降。在隧洞穿越線路、下穿已有建筑物、構(gòu)筑物等時,管棚的作用主要就是控制地表沉降,防止已有線路、建筑物和構(gòu)筑物因隧道開挖而遭到破壞,確保已有線路、建筑物和構(gòu)筑物的安全,保證隧洞開挖的順利進(jìn)行。

5.4 管棚法的優(yōu)點

管棚法與前期超前預(yù)支護(hù)工法相比,具有明顯的優(yōu)點,主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)管棚法所采用的鋼管具有較高的鋼性強(qiáng)度,而且管徑相對較大,能夠承載較大上部負(fù)荷;

(2)管棚法的注漿可以使?jié){液在管棚鋼管周圍沿著土體縫隙進(jìn)行擴(kuò)散,不僅能起到加固土體的作用,而且還能起到一定的止水效果;

(3)管棚法打設(shè)的鋼管長度較大。目前施作管棚長度可以達(dá)到100m以上,這樣可以大大地減少預(yù)支護(hù)循環(huán)次數(shù),加快施工進(jìn)度;

(4)管棚法能夠通過專用導(dǎo)向儀精確控制管棚鋼管鋪設(shè)的軌跡線,確保管棚鋼管按設(shè)計要求鋪設(shè),有利于控制隧道施工時的開挖量,減少施工成本;

(5)最新技術(shù)可以在軟弱地層中高精度一次性打設(shè)數(shù)百米的管棚;

(6)管棚法因為采用大功率的水平定向鉆機(jī),施工效率比較高,大幅度地減少隧道開挖過程中的輔助時間,提高施工效率。

6 結(jié)語

管棚工法是隧洞開挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制圍巖變形的一種預(yù)支護(hù)手段,其主要原理是在隧道開挖之前,沿著隧道開挖輪廓線外的設(shè)定部位水平鋪設(shè)鋼管,并可以通過鋼管向圍巖注漿,對管棚周圍的圍巖進(jìn)行加固,使管棚成為隧道后續(xù)開挖的防護(hù)傘(棚),達(dá)到安全施工的目的。

管棚法在隧洞施工中用于極破碎地層、坍方體、巖堆等地區(qū),是一種行之有效的施工方法。隧洞開挖的方法應(yīng)在保證安全和質(zhì)量的前提下,根據(jù)圍巖類別、斷面尺寸、支護(hù)方式、工期要求、施工機(jī)械化程度和施工技術(shù)水平等因素選定。所以在隧洞開挖中采用管棚法施工,對安全順利施工,縮短建設(shè)工期有著現(xiàn)實意義。

〔1〕袁光裕主編.水利水電施工.北京:中國水利水電出版社,1995.

〔2〕付元初等.水利水電工程施工手冊(第3卷).北京:中國電力出版社.2005.5.