管棚支护技术在大直径引水隧洞塌方处理工程中的应用

钟久安，苏刚锋，陈敏

（1.杭州华能大坝安全工程技术有限公司，杭州 310014；2.北京振冲工程股份有限公司，北京 100102；3.四川拓展建设工程有限公司，成都 610091）

1 工程概况

某电站引水隧洞西端开挖洞形为马蹄形，洞径13.4m，采用钻爆法分台阶进行开挖，上台阶断面高度9.1m。开工至今在经过断层带、软岩带时曾发生过多次塌方，其中最大规模的一次塌方为掌子面全断面塌方，塌方量总计约500m3。

此次塌方洞段岩性主要为绿泥石片岩夹绿泥石化大理岩及灰白色大理岩，掌子面左边偏上位置主要为绿泥石片岩，岩石较为破碎，且绿泥石片岩遇水易软化，强度大幅度降低。右边靠中间位置塌塌下一大石块（约30m3），经探孔探明大石块右后方仍然为塌腔体。

施工洞段为T1地层，目前隧洞埋深高度在1600m以上，受区域地质构造影响，地应力局部集中、岩层产状变化频繁、挤压变形较大，自稳时间短，导致工序作业在有限的自稳时间内难以完成。结合塌方发生过程及揭露的围岩条件综合分析认为，在复杂的地质构造环境与高地应力条件下，软岩自稳时间较短，是此次发生塌方的根本原因。

2 塌方体处理施工技术方案

本次塌方处理总体仍采取“稳定塌体松碴及封闭塌腔口与回填、管棚超前支护；分台阶开挖，短进尺弱爆破、开挖过程超前锚杆支护、拱架紧跟、挂网喷CF30混凝土”的综合施工措施。

本文主要介绍管棚超前支护施工技术方案，并对管棚施工注浆进行探讨。

2.1 管棚施工工艺流程

管棚施工具体工艺流程详见图1所示。

图1 管棚施工工艺流程图

2.2 管棚施工工艺

2.2.1 概述

此次塌方堆碴主要为块状体但易碎、局部存在破碎带，管棚成孔较困难。因此管棚设计仍考虑导管跟进方式。

跟管套管采用长1.5m、外径φ127mm无缝钢管（地质管材）通过管箍连接。φ127mm套管加工为注浆花管，其加工要求孔径φ12mm，间距1.0～1.5m，一周4孔，呈梅花形排列，套管最前端为7.0m长特种钢管靴，不需钻注浆花孔，尾端5.0m范围内也不需钻花管孔，作为止浆段。

管棚用钢管直径为φ89mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管，管棚钢管长度不短于18m，最长不大于23m（施工角度与机械限制），但必须伸入掌子面前方稳定围岩至少3m。

钢管连接采用对焊焊接并在焊接部位设置外管，以保证管棚强度。

φ89mm钢管设置成花管（同外套管），管棚间距0.3～0.4m、钻孔角度外插10～15°。管棚布置范围原则上在隧洞顶120°范围，根据塌体观察重点布置在右侧，但必须保证越过塌体影响范围1m以上。

为保证管棚强度与刚度，在φ89mm钢管内再布置3×φ25mm钢筋束。钢筋束通过对焊与点焊结合而形成一束穿入φ89mm管中。

注浆材料及配合比：管棚注浆采用纯水泥砂浆，先稀后浓原则。使用采用0.8∶1和0.5∶1两个比级灌注。水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，灌浆压力不大于0.5MPa。

2.1.2 管棚钻孔施工

管棚采用YG－70锚索钻机使用φ110mm冲击器带φ127mm偏心钻具成孔，当围岩破碎时跟管钻进。跟管采用外径φ127mm无缝钢管，1.5m一根通过外丝连接手连接。成孔后退出钻具安装管棚、放置钢筋束并注浆固结形成较为稳定加固体。

（1）施工准备

利用钢管搭设钢管架作业平台，平台高度5m，作业长度不小于10m，宽度11m，上部留出2～3m高作为处理空间。钢管横纵间距1.0m×1.0m。在平台上进行管棚施工。

（2）测量定位

分别用全站仪管棚加固范围（拱顶120°）内进行管棚位置放样，管棚间距0.3～0.4m（具体数量现场确定）。本次管棚孔位布置图详见图2。

（3）开孔

尽量按测量位置进行开孔，如果遇钢筋等将尽量切除，当无法实现时，可适当调整孔位。开孔前须固定好钻机并调整好孔轴线及角度，以保证管棚质量。

（4）钻进要求

钻孔精度是整个管棚施工质量控制核心之一，同时其钻孔顺序是保证钻孔质量与成孔质量的关键。为此要求根设计布孔图分序完成钻孔，并结合分序灌浆进行，以达到少跟套管而提高成孔质量与管棚施工速度。与此同时还必须重点注意以下事项：

图2 管棚施工各类孔布置示意图

① 为了便于安装钢管，钻头采用φ110mm冲击器带φ127mm偏心钻具成孔。钻孔前先检查钻机机械状况是否正常。

② 钻机开钻时，可低速低压，待成孔6m后，可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

③钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

④钻孔速度应保持匀速，特别是在松散堆渣层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。

⑤在第一榀和第二榀拱架之间开孔时，孔初期可用专门设计的φ130mm合金钻头进行切割。这种合金钻头可切割φ22mm螺纹钢、φ42mm小导管、8mm厚的钢板等。当钻孔深度达到0.5m后，受倾角控制，钢格栅、锚杆、注浆小导管已基本不再出现，此时改用潜孔锤钻进，压缩空气清孔。

⑥认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

（5）清孔与验孔

① 用地质岩心钻杆配合φ110mm或φ90mm硬质合金钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。

②用高压风从孔底向孔口清理钻渣。

③用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。

2.1.2 管棚与钢筋束安装

（1）采用φ127mm偏心钻具成孔后，及时将孔口段的跟管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端安装止浆阀，灌注水泥浆液，压力不超过0.5MPa。

（2）127mm跟管灌浆达到结束标准并达到70%强度后，采用150地质钻机扫孔，孔径为φ110mm，扫孔深入基岩深度不小于3m。

（3）安装管棚φ89mm钢管及钢筋束。管棚φ89mm钢管用1m长的φ93mm钢管搭接并满焊连接。钢筋束采用三根φ25mm钢筋焊接组成。人工配合起吊机下入孔内后，灌浆封孔。

2.1.3 管棚注浆

（1）注浆管的设置

注浆采用分段后退式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备出气管与进浆管，由阀门来控制开关，如下图所示。然后安装8.5mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面岩体与管棚间的孔隙，防止漏浆。关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。

图3 注浆管安装示意图

（2）管棚注浆过程控制

①管棚施工完成四根后开始注浆，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，同时对管口与孔口外侧进行密封处理。

②水泥砂浆浆液采用拌合机制浆，采用3SNS高压注浆泵将液浆注入管棚钢管内，注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理注浆参数，据以施工。

③注浆采用连续灌注，结束标准采用双控：第一，注入率小于1L／min持压10min后停止注浆；第二，压力必须达到0.3～0.5MPa。

④注浆结束后采用水泥砂浆置换管内浆液，并持续压力闭浆20min后关闭止浆阀门，增强管棚的刚度和强度。

⑤注浆过程应派专人负责，填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。

管棚注浆施工工艺流程图见图4。

图4 管棚注浆流程图

3 施工技术要点

根据本次管棚施工全过程，总结出以下几点施工技术要点。

（1）管棚钻孔时，需要固定牢靠钻机、测放准确孔位、测量准确孔向，最终保证管棚孔不交叉、管棚支护距离达到设计要求的目的。

（2）管棚施工处在塌方区，钻孔过程中为了避免卡钻、掉钻头、塌孔等孔内事故须采用跟管钻机工艺进行钻孔护壁成孔。此工艺的优点在于：①避免孔内事故；②跟管可作为管棚的外管，增加管棚刚度；③便于下入管棚钢管和注浆。

（3）钻孔过程中不宜采用水进行冲洗，因为此塌方洞段为绿泥石片岩段，现场采用孔口降尘、压力风冲洗钻孔。

（4）塌方段由于岩体破碎且孔隙率大，故在管棚注浆工序需要进行控制灌浆，可综合采用纯水泥浆、水泥砂浆、水泥－水玻璃双液浆进行灌注，同时在灌注过程中根据现场实际情况，采取间歇灌浆措施，不建议采用待凝。

4 施工质量与效果评定

完成管棚施工后，根据相关要求对塌腔体做灌后质量检查。检查孔布置原则为“在管棚钻孔施工过程中遇较大空腔体、破碎较为严重的异常部位与灌浆过程中注入浆量较大部位布置检查孔，检查方式为取芯”，最终确定布置4个检查孔。首先在管棚孔左－8#与左－9#中间布置一个检查孔（J－1，孔深13.6m），在管棚孔右－9#与右－10#中间布置一个检查孔（J－3，孔深22.5m），钻孔方向基本与管棚钻孔平行；在顶孔附近布置一个检查孔J－4（孔深22.0m，钻孔角度上仰4°）；在固结灌浆位置布置一个检查孔J－2（孔深13.4m，钻孔角度上仰45°）。检查孔具体孔位布置见图2所示。

最终取心检查结果为：钻孔采取的岩芯较破碎，多呈短柱状及碎块状，岩性为绿泥石片岩及少量深灰色大理岩，岩心局部夹水泥结石。

管棚验收为一综合验收过程，除了对灌浆资料按照灌浆要求进行验收外，对现场开挖前和开挖后均进行表观验收，但最重要的一点是必须保证开挖顺利通过塌方区。

5 结束语

本次管棚施工完毕后，采用“短进尺、小台阶、弱爆破”的掘进方式成功通过塌方区，整个开挖过程安全顺利，且开挖揭露出塌方区水泥胶结情况良好。

根据开挖中揭露的情况，注浆固结体与管棚的共同棚架护拱作用是确保开挖安全顺利，防止塌方继续发展的重要因素。因此在管棚施工中必须重视注浆对塌方腔体和松渣体的充填和固结作用。

在塌方松渣体和破碎岩体中，利用跟管钻进是确保管棚施工质量与精度的重要方法，同时也对管棚起到了加强的作用，跟管可只跟过松渣和破碎围岩段。

［1］水利水电工程施工手册编委会.水利水电工程施工手册第一卷地基与基础工程.北京：中国电力出版社，2004.

［2］DL／T 5148－2001，水工建筑物水泥灌浆技术规范［S］.

［3］夏可风.水工建筑物水泥灌浆与边坡支护技术.北京：中国水利水电出版社，2007.

［4］杨世伟，李德勇.锦屏一级水电站坝基无盖重固结灌浆施工工艺探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（7）.

［5］邹刚.锦屏二级水电站隧洞无盖重高压固结灌浆试验［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（5）.

［6］邝健政.岩土注浆理论与工程实例［M］.北京：科学出版社，2001.