水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護施工方案分析

肖松飛

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350011)

?

水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護施工方案分析

肖松飛

(福建潤閩工程顧問有限公司，福州 350011)

水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護施工是水庫分層取水工程中十分重要的一部分，對水庫分層取水工程的建設、使用及維護有著重要的影響?；诖?，文章以莆田市東圳水庫分層取水工程為例，剖析水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護施工中存在的問題，并針對性地提出的改進策略。同時，結合工程施工實踐對隧洞管棚支護施工方法和施工步驟進行了深入探討，設計出合理的分層取水工程出水口隧洞管棚支護施工方案，以促進水庫分層取水工程的順利進行以及提高其工程質量，提高出水口隧道管棚支護施工的安全性。

水庫分層取水工程；出水口隧道；管棚支護施工；隧洞塌方；施工方案

0 引 言

對水庫分層取水工程的出水口隧道管棚支護施工方案的研究時脫離不開對其典型案例的分析。莆田市東圳水庫分層取水工程，由莆田市東圳水庫管理局投資建設。其在施工當中所出現的問題在水庫分層取水工程當中具有顯著的代表意義，因此，本文以此為例對其在施工當中所存在的問題進行分析，并探討在施工當中如何有效地解決其所存在的問題。莆田市東圳水庫分層取水工程其工程的復雜程度以及工程的建造難度在水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護施工方案當中有十分重要的借鑒和參考價值。另外，本文以東圳水庫出水口隧洞的施工進程為例，對施工方案進行研究和分析，不僅對水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護施工方案有更為深刻的了解與印象，對施工過程當中的施工重點及施工措施，也有更全面的認識。

1 工程概況

東圳水庫位于福建省莆田市城廂區常太鎮、木蘭溪支流延壽溪的中游，水庫大壩建于莆田市西北向約6km處的常太鎮松峰村，水庫分層取水工程為新建岸塔式進水口，進水口緊接引水隧洞，引水隧洞設計平面軸線總長1237.4m，其中：樁號D0+000.00～D0+010.00段為進水塔與隧洞的漸變段，開挖斷面由3.2m×3.4m(寬×高)矩形漸變為D=3.4m，平底寬3.0m的馬蹄形，圍巖類別為Ⅲ類；樁號D0+010.00～D1+150.00段開挖斷面為方圓馬蹄形，D=3.4m，平底寬3.0m，圍巖類別為Ⅱ～Ⅲ類；樁號D1+150.00～D1+237.47段為隧洞出口段，圍巖類別為Ⅴ類，洞頂覆蓋層風化深、巖體薄，推測洞室圍巖的穩定性差，隧洞開挖時需采取工字鋼格柵框架、加噴混凝土進行臨時支護，隧洞開挖開挖斷面為D=4.0m，平底寬4m的城門形，臨時支護后隧洞凈斷面不小于D0+010.00～D1+150.00段開挖斷面。由此，可以看出，東圳水庫項目具有較強的典型性，施工單位在對其出水口隧道管棚支護實施施工的過程中，要充分考慮到地形、地貌及工程性質。注重工程施工安全，提高施工質量。

2 水庫分層取水工程隧洞出口段施工過程所存在的問題

2.1 爆破進洞和開挖過程中的坍塌冒頂與冒水問題

莆田市東圳水庫分層取水工程隧洞洞室采用鉆爆法、光面爆破開挖。2013年4月3日，隧洞從出口工作面開始爆破進洞，4月23日，隧洞開挖至設計樁號D1+206.70斷面時，洞室圍巖地質出現變化，掌子面出露全風化巖土體、含水率高，施工單位采取沿洞頂鉆設超前錨桿支護再掘進的施工方法，開挖出渣后，洞頂和側壁出現塌方；4月24日，施工單位加密布置洞頂錨桿繼續開挖，并加大錨桿的長度，最長達6.0m，但由于出渣后未能及時安裝拱架支撐，洞室塌方進一步加劇，同時發現相應于開挖位置的洞頂地表出現塌陷變形，因洞頂塌陷還連帶引起施工道路路基塌方，塌方土體溜向隧洞頂；4月25日～27日，施工單位采取洞頂減載方案，在隧洞塌方相應的洞頂地表現澆一片鋼筋混凝土卸荷板，面積8.0m×9.0m，厚0.2m，原意通過卸荷板起“板凳原理”效應，將洞頂以上道路塌方產生的附加荷載傳遞給洞室兩側山體，以減輕洞室上部壓力，但由于洞室上部山體已形成“漏斗狀”塌落變形，且受到地下水作用，洞渣呈流塑狀向出洞口方向滑動，洞頂塌方至冒頂，洞頂混凝土卸荷板也變形滑落至洞室頂部附近，現場無法有效掘進，隧洞開挖暫停。此次塌方處理由于施工隊經驗不足，最終導致在施工當中出現了塌方冒頂的情況。

5月3日開始，施工單位采取“管棚法(未注漿法)支護”方案處理隧洞塌方，先回填土方將洞室上部已冒頂的漏斗空腔塞滿，而后從地表往下對隧洞拱圈外圍的土體作充填灌漿加固，然后從樁號D1+206.70斷面開始，以“管棚法”，即超前錨桿加鋼拱架支護進行隧洞開挖，但由于回填土方含水率高，從地表往下垂直灌漿加固效果較差，回填土體一趟松散，隧洞快挖仍無法有效掘進[1]；5月23日開始，施工單位根據現場條件、氣候因素、施工設備、技術資源以及施工班組的作業經驗與組織能力等，采取“明挖法”處理斷層塌方段，先明挖清楚洞頂已塌滑變形的土方，再沿設計位置澆筑鋼筋混凝土洞室，而后回填土方恢復洞頂地形，至6月25日，完成D1+206.70～D1+197.70段的塌方處理；7月1日開始，現場采用“管棚法(未注漿法)支護”繼續隧洞開挖，開挖揭露圍巖地質仍為全風化巖體，地下水豐富，且洞內出現間歇性強涌水，全風化巖土呈飽和狀，后經調查，為地表工廠向地下強排壓力水所致[2]。終于于7月9日，隧洞開挖至D1+185.70斷面時管棚鋼拱架再次坍塌，洞渣巖土成流塑狀，同時監測發現D1+197.70～D1+185.70段臨時鋼拱架支護結構出現整體下沉，沉降位移14～18cm，隧洞開挖被迫暫停。

2.2 進洞施工當中的污水污染以及地下水排放問題

通過對莆田市東圳水庫分層取水工程施工情況的分析可以看出，進洞施工過程中比較突出的問題主要還是污水污染以及地下水排放方面的問題。具體可以從以下工程事例中看出。2013年7月9日莆田市東圳水庫分層取水工程出現了一定的塌方。12日施工單位迅速組織召開專題會議，與會各方認真分析塌方原因：從坍塌土質情況看，塌方土體為流塑狀，且在洞挖過程中每天定時出現多次涌水，涌水時間長并帶有一股剌鼻的味道，涌水位置不集中，其涌水量大大超出設計地下水預計范圍。[3]通過業主、監理及施工單位對洞內涌水的位置及情況現場勘察后發現，洞頂上方右側有一紙箱廠的排污機井(井深32m，直徑0.8m)，該井距原洞軸線僅8.0m。由此，可以看出其排污的污水通過斷裂帶裂隙流至洞挖工作面是造成塌方的主要原因。

同時，排水問題在地下進洞施工當中十分普遍存在的問題 ，一方面在地下，由于空間狹小，以及水往低處流的規律[4]，在掌子面匯集了大量地下水，一方面由于工人長時間在地下洞室操作，身上接觸皮膚均出現不同程度的潰爛。因此地下水如何排放以及如何解決排放當中所存在的污染問題就成了困擾莆田市東圳水庫分層取水工程施工單位的重要問題[5]。

3 水庫分層取水工程出口段隧洞注漿管棚支護施工解決方案

認真分析和總結引起隧洞屢次發生塌方和處理失敗的原因，認為：

1)洞線右側上方紙箱廠機井高壓排水是引起隧洞工程地質條件惡化，造成臨時支護屢次失敗的主要原因。

2)在搶進度、努力處理洞內突發事件方面，施工單位的態度是主動的、積極的，其能根據自身施工組織能力，想方設法處理事變、爭取早日搶過斷層軟弱帶，但因對洞內地質變化引起的困難和風險判斷缺乏經驗，終造成屢次失敗。

根據上述問題及現場的情況，塌方的處理解決應是相輔相成的，必須考慮地下水對洞身的影響，經多方探討，提出采用注漿管棚法進行施工，即“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網+噴射C30混凝土” 支護的方式，以供各方研究是否可行。此方案的主要出發點是考慮施工進度、安全生產和技術成熟程度的同時，盡快使洞身入巖。本工程利用注漿管棚法有以下優勢：①充分利用管棚工作機理，以鋼管作為超前支護，鋼管結合鋼拱架起到簡支梁作用，確保開挖過程安全通過；②在鋼管內注入水泥漿，通過注漿將圍巖孔隙和破碎的巖塊結成一定強度的整體，除提高圍巖自身強度和穩定外，還可以有效阻止隧洞地下水和污水的對掌子面的影響；③本工程中地下水和污水可以通過事先打設的排水管統一接引流到地面上PVC排水管內。

3.1 注漿管棚法施工

工程最終確定的臨時支護方案采用“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網+噴射C30混凝土” 支護的方式，具體見圖1、圖2。

圖1 管棚支護橫斷面

圖2 管棚支護縱斷面

施工過程 ：

3.1.1 施工準備

鋼管采用熱扎無縫鋼管Φ100×5mm和Φ50mm×4mm，施打前將鋼管進行鉆孔加工，鉆成花管，用于排水和注漿用。Φ50mm鋼管鉆孔Φ6，孔間距30cm，梅花型布置，管外露部分不加工；Φ100mm鋼管鉆孔Φ10，孔間距30cm，梅花型布置。鋼拱架由16a工字鋼、連接鋼板焊接成型，在洞外加工場預制。注漿水泥采用42.5R早強型水泥。

3.1.2 管棚施工

由于管棚的超前支護作用,管棚支護前，先在斷層帶交接面外緊靠安裝兩榀鋼拱架，而后在拱架上方以30°左右仰角鉆設一排Φ100×5mm排水管，鋼管長5.0～7.0m，拱頂均勻布設5根，作為注漿后頂拱土體的排水用，隨后沿拱架外緣，以8°～12°仰角鉆設Φ50mm鋼管作為超前錨桿，共布設2排，管中心距約150mm，超前桿鋼管長7m，頭部削尖。初期鉆入巖長5.5m，并預留約1.5m長外露作為超前桿后座支撐，后續隨著洞挖掘進、前排繼續安裝鋼拱架支撐承載。超前錨桿安裝后，即開始注水泥漿，沿管內以0.2～0.4MPa壓力灌注水泥漿，在洞室拱頂及側壁巖土體內形成水泥結土圈，在水泥土體達到一定強度后(約3～5d)，以“人工為主，機械為輔”方法進行斷層帶隧洞開挖。

3.1.3 開挖及支護施工

管棚注漿施工完成3～5d后，利用工作面正坡傾斜的特點，先行開挖兩側墻腳，掘進50cm～80cm，鋼拱架隨后及時跟進，架立第一榀鋼拱架支架，并將拱架與超前桿鋼管有接觸的位置進行焊接，而后再進行洞身開挖，開挖50～80cm后，再架立鋼拱架支護，周而復始，當開挖至超前錨桿頭0.5m時，開始鉆設第二段錨桿，隨后采了與第一段相同的施工方法進行隧洞開挖，安裝臨時支護拱架，再開挖、再安裝拱架，周而復始，直至穿過斷層帶。

同時開挖過程中由于洞頂和側墻進行注漿，隧洞內的地下水和污水用軟管通過事先打設的排水管統一接引流到地面上PVC排水管內。

3.1.4 安裝鋼拱架

鋼拱架材料采用16a工字鋼,結點的連接板用Φ.Avczx16的螺絲連接牢固。鋼拱架必須盡可能多的與管棚和系統錨桿相焊接，地基泡爛承載力不夠時，可在拱架底腳采用16#槽鋼做為墊腳。鋼拱架的縱向間距控制在0.5m,每榀鋼拱架兩側側墻與底腳處各設3根Φ22定位錨筋，并與每榀拱架焊接在一起。安裝鋼拱架時拱架緊貼洞室開挖面，若局部有空隙用石塊楔緊。

3.1.5 噴護施工

當隧洞每段管棚開挖及支護完成后,即噴21cm厚的C30混凝土封閉洞身巖面,同時作為鋼拱架的覆蓋保護厚度。噴射C30混凝土前，先將鋼筋網的規格為Φ6@200mm焊接于拱架上。隨后噴射C30混凝土，以覆蓋鋼筋網保護層厚度≥50mm為準。

3.2 對施工質量進行監管和監督

通過質量保證體系的有效運行，實現本工程質量目標[6]。實行質量管理標準化，執行質量承包責任制，將工程項目的各項管理工作和執行辦法訂成規章制度并作為經理部每個施工技術員的考核標準，做到職責分明。

建立質量反饋系統，確保質量檢驗信息傳遞及時、順暢，并與監理、質監等部門的質量監督體系聯接，及時掌握本工程項目的質量動態，提高質量管理效能。

加強施工技術管理，嚴把原材料質量關。開工前認真閱讀圖紙，做好現場有關資料的復核工作。

4 施工效果和經驗總結

采用“管棚+注漿+鋼拱架+錨桿定位+鋼筋網+噴射C30混凝土”進行臨時支護處理后，出口段隧洞的開挖成形質量得到保證，整體外觀質量較好，施工期監測鋼拱架只有少量的沉降，但在規范允許范圍內。在后期1年半的隧洞爆破開挖和襯砌施工過程中臨時支護均未發生較大的變形和沉降，整個施工期間管棚支架系統穩定滿足要求。

管棚法在施工過程中的一些經驗總結：

1)要尊重科學，管棚法支護是一種比較早也是比較成熟的隧洞塌方處理施工技術，在處理塌方過程中不能心存僥幸心理，偷工減料。

2)選擇有經驗的班組是隧洞塌方處理能否成功的一個首要條件，本工程前期一個班組由于處理經驗不足，在同樣處理管棚法時，認識不足，最終導致失敗。

3)在處理隧洞塌方時必要時需24h三班倒連續作業，時間過長土洞段地下水匯集在掌子面將土方浸泡而形成流塑狀泥土。

4)鋼拱架支護需慢慢進占，配合洞身開挖鋼拱架一榀一榀地向前安裝支撐，間距不可過大，以免拱頂超前錨桿變形。

5 結 語

水庫分層取水工程出水口隧洞管棚支護施工方案的有效性評價，要結合施工實踐進行檢驗，方案不僅要滿足項目質量及施工規范的要求。同時，要保障施工安全，降低施工成本。通過對莆田市東圳水庫分層取水工程出口隧洞塌方處理及注漿管棚支護施工方案的研究也可以看出，在施工實踐中，不僅要考慮施工環境、技術、團隊等方面的因素，還要考慮施工的經濟性及效益性。加強管棚施工的全程化監控，不僅可以有效提高施工效率，還能有效保障工程施工人員的生命安全?？傊?，制定合適的施工方案，對于提高工程施工質量、保障施工安全具有非常重要的價值。

[1]李國權.抽水蓄能電站地下工程施工技術[D].南京：河海大學,2006.

[2]易立.輸水隧洞工程錨噴設計技術研究及應用[D].南京：河海大學,2006.

[3]馬建,孫守增,趙文義,王磊,馬勇,劉輝,張偉偉,陳紅燕,陳磊,魏雅雯,葉飛.中國隧道工程學術研究綜述·2015[J].北京：中國公路學報,2015(05):1-65.

[4]石少帥.深長隧道充填型致災構造滲透失穩突涌水機理與風險控制及工程應用[D].濟南：山東大學,2014.

[5]王仁龍.超前管棚支護在中部引黃隧洞工程中的應用[J].山西水利科技,2014(01):8-9，14.

[6]徐升.葫蘆壩水電站引水隧洞的支護方法與施工技術[D].北京：中國地質大學,2008.

2016-09-03

肖松飛(1981-)，男，福建莆田人，工程師，從事工程監理方面工作。

1007-7596(2016)09-0109-04

TV697

B