水库分层取水工程出口隧洞塌方处理及注浆管棚支护施工方案分析

肖松飞

(福建润闽工程顾问有限公司，福州 350011)



水库分层取水工程出口隧洞塌方处理及注浆管棚支护施工方案分析

肖松飞

(福建润闽工程顾问有限公司，福州 350011)

水库分层取水工程出水口隧洞管棚支护施工是水库分层取水工程中十分重要的一部分，对水库分层取水工程的建设、使用及维护有着重要的影响。基于此，文章以莆田市东圳水库分层取水工程为例，剖析水库分层取水工程出口隧洞塌方处理及注浆管棚支护施工中存在的问题，并针对性地提出的改进策略。同时，结合工程施工实践对隧洞管棚支护施工方法和施工步骤进行了深入探讨，设计出合理的分层取水工程出水口隧洞管棚支护施工方案，以促进水库分层取水工程的顺利进行以及提高其工程质量，提高出水口隧道管棚支护施工的安全性。

水库分层取水工程；出水口隧道；管棚支护施工；隧洞塌方；施工方案

0 引 言

对水库分层取水工程的出水口隧道管棚支护施工方案的研究时脱离不开对其典型案例的分析。莆田市东圳水库分层取水工程，由莆田市东圳水库管理局投资建设。其在施工当中所出现的问题在水库分层取水工程当中具有显著的代表意义，因此，本文以此为例对其在施工当中所存在的问题进行分析，并探讨在施工当中如何有效地解决其所存在的问题。莆田市东圳水库分层取水工程其工程的复杂程度以及工程的建造难度在水库分层取水工程出水口隧洞管棚支护施工方案当中有十分重要的借鉴和参考价值。另外，本文以东圳水库出水口隧洞的施工进程为例，对施工方案进行研究和分析，不仅对水库分层取水工程出水口隧洞管棚支护施工方案有更为深刻的了解与印象，对施工过程当中的施工重点及施工措施，也有更全面的认识。

1 工程概况

东圳水库位于福建省莆田市城厢区常太镇、木兰溪支流延寿溪的中游，水库大坝建于莆田市西北向约6km处的常太镇松峰村，水库分层取水工程为新建岸塔式进水口，进水口紧接引水隧洞，引水隧洞设计平面轴线总长1237.4m，其中：桩号D0+000.00～D0+010.00段为进水塔与隧洞的渐变段，开挖断面由3.2m×3.4m(宽×高)矩形渐变为D=3.4m，平底宽3.0m的马蹄形，围岩类别为Ⅲ类；桩号D0+010.00～D1+150.00段开挖断面为方圆马蹄形，D=3.4m，平底宽3.0m，围岩类别为Ⅱ～Ⅲ类；桩号D1+150.00～D1+237.47段为隧洞出口段，围岩类别为Ⅴ类，洞顶覆盖层风化深、岩体薄，推测洞室围岩的稳定性差，隧洞开挖时需采取工字钢格栅框架、加喷混凝土进行临时支护，隧洞开挖开挖断面为D=4.0m，平底宽4m的城门形，临时支护后隧洞净断面不小于D0+010.00～D1+150.00段开挖断面。由此，可以看出，东圳水库项目具有较强的典型性，施工单位在对其出水口隧道管棚支护实施施工的过程中，要充分考虑到地形、地貌及工程性质。注重工程施工安全，提高施工质量。

2 水库分层取水工程隧洞出口段施工过程所存在的问题

2.1 爆破进洞和开挖过程中的坍塌冒顶与冒水问题

莆田市东圳水库分层取水工程隧洞洞室采用钻爆法、光面爆破开挖。2013年4月3日，隧洞从出口工作面开始爆破进洞，4月23日，隧洞开挖至设计桩号D1+206.70断面时，洞室围岩地质出现变化，掌子面出露全风化岩土体、含水率高，施工单位采取沿洞顶钻设超前锚杆支护再掘进的施工方法，开挖出渣后，洞顶和侧壁出现塌方；4月24日，施工单位加密布置洞顶锚杆继续开挖，并加大锚杆的长度，最长达6.0m，但由于出渣后未能及时安装拱架支撑，洞室塌方进一步加剧，同时发现相应于开挖位置的洞顶地表出现塌陷变形，因洞顶塌陷还连带引起施工道路路基塌方，塌方土体溜向隧洞顶；4月25日～27日，施工单位采取洞顶减载方案，在隧洞塌方相应的洞顶地表现浇一片钢筋混凝土卸荷板，面积8.0m×9.0m，厚0.2m，原意通过卸荷板起“板凳原理”效应，将洞顶以上道路塌方产生的附加荷载传递给洞室两侧山体，以减轻洞室上部压力，但由于洞室上部山体已形成“漏斗状”塌落变形，且受到地下水作用，洞渣呈流塑状向出洞口方向滑动，洞顶塌方至冒顶，洞顶混凝土卸荷板也变形滑落至洞室顶部附近，现场无法有效掘进，隧洞开挖暂停。此次塌方处理由于施工队经验不足，最终导致在施工当中出现了塌方冒顶的情况。

5月3日开始，施工单位采取“管棚法(未注浆法)支护”方案处理隧洞塌方，先回填土方将洞室上部已冒顶的漏斗空腔塞满，而后从地表往下对隧洞拱圈外围的土体作充填灌浆加固，然后从桩号D1+206.70断面开始，以“管棚法”，即超前锚杆加钢拱架支护进行隧洞开挖，但由于回填土方含水率高，从地表往下垂直灌浆加固效果较差，回填土体一趟松散，隧洞快挖仍无法有效掘进[1]；5月23日开始，施工单位根据现场条件、气候因素、施工设备、技术资源以及施工班组的作业经验与组织能力等，采取“明挖法”处理断层塌方段，先明挖清楚洞顶已塌滑变形的土方，再沿设计位置浇筑钢筋混凝土洞室，而后回填土方恢复洞顶地形，至6月25日，完成D1+206.70～D1+197.70段的塌方处理；7月1日开始，现场采用“管棚法(未注浆法)支护”继续隧洞开挖，开挖揭露围岩地质仍为全风化岩体，地下水丰富，且洞内出现间歇性强涌水，全风化岩土呈饱和状，后经调查，为地表工厂向地下强排压力水所致[2]。终于于7月9日，隧洞开挖至D1+185.70断面时管棚钢拱架再次坍塌，洞渣岩土成流塑状，同时监测发现D1+197.70～D1+185.70段临时钢拱架支护结构出现整体下沉，沉降位移14～18cm，隧洞开挖被迫暂停。

2.2 进洞施工当中的污水污染以及地下水排放问题

通过对莆田市东圳水库分层取水工程施工情况的分析可以看出，进洞施工过程中比较突出的问题主要还是污水污染以及地下水排放方面的问题。具体可以从以下工程事例中看出。2013年7月9日莆田市东圳水库分层取水工程出现了一定的塌方。12日施工单位迅速组织召开专题会议，与会各方认真分析塌方原因：从坍塌土质情况看，塌方土体为流塑状，且在洞挖过程中每天定时出现多次涌水，涌水时间长并带有一股剌鼻的味道，涌水位置不集中，其涌水量大大超出设计地下水预计范围。[3]通过业主、监理及施工单位对洞内涌水的位置及情况现场勘察后发现，洞顶上方右侧有一纸箱厂的排污机井(井深32m，直径0.8m)，该井距原洞轴线仅8.0m。由此，可以看出其排污的污水通过断裂带裂隙流至洞挖工作面是造成塌方的主要原因。

同时，排水问题在地下进洞施工当中十分普遍存在的问题 ，一方面在地下，由于空间狭小，以及水往低处流的规律[4]，在掌子面汇集了大量地下水，一方面由于工人长时间在地下洞室操作，身上接触皮肤均出现不同程度的溃烂。因此地下水如何排放以及如何解决排放当中所存在的污染问题就成了困扰莆田市东圳水库分层取水工程施工单位的重要问题[5]。

3 水库分层取水工程出口段隧洞注浆管棚支护施工解决方案

认真分析和总结引起隧洞屡次发生塌方和处理失败的原因，认为：

1)洞线右侧上方纸箱厂机井高压排水是引起隧洞工程地质条件恶化，造成临时支护屡次失败的主要原因。

2)在抢进度、努力处理洞内突发事件方面，施工单位的态度是主动的、积极的，其能根据自身施工组织能力，想方设法处理事变、争取早日抢过断层软弱带，但因对洞内地质变化引起的困难和风险判断缺乏经验，终造成屡次失败。

根据上述问题及现场的情况，塌方的处理解决应是相辅相成的，必须考虑地下水对洞身的影响，经多方探讨，提出采用注浆管棚法进行施工，即“管棚+注浆+钢拱架+锚杆定位+钢筋网+喷射C30混凝土” 支护的方式，以供各方研究是否可行。此方案的主要出发点是考虑施工进度、安全生产和技术成熟程度的同时，尽快使洞身入岩。本工程利用注浆管棚法有以下优势：①充分利用管棚工作机理，以钢管作为超前支护，钢管结合钢拱架起到简支梁作用，确保开挖过程安全通过；②在钢管内注入水泥浆，通过注浆将围岩孔隙和破碎的岩块结成一定强度的整体，除提高围岩自身强度和稳定外，还可以有效阻止隧洞地下水和污水的对掌子面的影响；③本工程中地下水和污水可以通过事先打设的排水管统一接引流到地面上PVC排水管内。

3.1 注浆管棚法施工

工程最终确定的临时支护方案采用“管棚+注浆+钢拱架+锚杆定位+钢筋网+喷射C30混凝土” 支护的方式，具体见图1、图2。

图1 管棚支护横断面

图2 管棚支护纵断面

施工过程 ：

3.1.1 施工准备

钢管采用热扎无缝钢管Φ100×5mm和Φ50mm×4mm，施打前将钢管进行钻孔加工，钻成花管，用于排水和注浆用。Φ50mm钢管钻孔Φ6，孔间距30cm，梅花型布置，管外露部分不加工；Φ100mm钢管钻孔Φ10，孔间距30cm，梅花型布置。钢拱架由16a工字钢、连接钢板焊接成型，在洞外加工场预制。注浆水泥采用42.5R早强型水泥。

3.1.2 管棚施工

由于管棚的超前支护作用,管棚支护前，先在断层带交接面外紧靠安装两榀钢拱架，而后在拱架上方以30°左右仰角钻设一排Φ100×5mm排水管，钢管长5.0～7.0m，拱顶均匀布设5根，作为注浆后顶拱土体的排水用，随后沿拱架外缘，以8°～12°仰角钻设Φ50mm钢管作为超前锚杆，共布设2排，管中心距约150mm，超前杆钢管长7m，头部削尖。初期钻入岩长5.5m，并预留约1.5m长外露作为超前杆后座支撑，后续随着洞挖掘进、前排继续安装钢拱架支撑承载。超前锚杆安装后，即开始注水泥浆，沿管内以0.2～0.4MPa压力灌注水泥浆，在洞室拱顶及侧壁岩土体内形成水泥结土圈，在水泥土体达到一定强度后(约3～5d)，以“人工为主，机械为辅”方法进行断层带隧洞开挖。

3.1.3 开挖及支护施工

管棚注浆施工完成3～5d后，利用工作面正坡倾斜的特点，先行开挖两侧墙脚，掘进50cm～80cm，钢拱架随后及时跟进，架立第一榀钢拱架支架，并将拱架与超前杆钢管有接触的位置进行焊接，而后再进行洞身开挖，开挖50～80cm后，再架立钢拱架支护，周而复始，当开挖至超前锚杆头0.5m时，开始钻设第二段锚杆，随后采了与第一段相同的施工方法进行隧洞开挖，安装临时支护拱架，再开挖、再安装拱架，周而复始，直至穿过断层带。

同时开挖过程中由于洞顶和侧墙进行注浆，隧洞内的地下水和污水用软管通过事先打设的排水管统一接引流到地面上PVC排水管内。

3.1.4 安装钢拱架

钢拱架材料采用16a工字钢,结点的连接板用Φ.Avczx16的螺丝连接牢固。钢拱架必须尽可能多的与管棚和系统锚杆相焊接，地基泡烂承载力不够时，可在拱架底脚采用16#槽钢做为垫脚。钢拱架的纵向间距控制在0.5m,每榀钢拱架两侧侧墙与底脚处各设3根Φ22定位锚筋，并与每榀拱架焊接在一起。安装钢拱架时拱架紧贴洞室开挖面，若局部有空隙用石块楔紧。

3.1.5 喷护施工

当隧洞每段管棚开挖及支护完成后,即喷21cm厚的C30混凝土封闭洞身岩面,同时作为钢拱架的覆盖保护厚度。喷射C30混凝土前，先将钢筋网的规格为Φ6@200mm焊接于拱架上。随后喷射C30混凝土，以覆盖钢筋网保护层厚度≥50mm为准。

3.2 对施工质量进行监管和监督

通过质量保证体系的有效运行，实现本工程质量目标[6]。实行质量管理标准化，执行质量承包责任制，将工程项目的各项管理工作和执行办法订成规章制度并作为经理部每个施工技术员的考核标准，做到职责分明。

建立质量反馈系统，确保质量检验信息传递及时、顺畅，并与监理、质监等部门的质量监督体系联接，及时掌握本工程项目的质量动态，提高质量管理效能。

加强施工技术管理，严把原材料质量关。开工前认真阅读图纸，做好现场有关资料的复核工作。

4 施工效果和经验总结

采用“管棚+注浆+钢拱架+锚杆定位+钢筋网+喷射C30混凝土”进行临时支护处理后，出口段隧洞的开挖成形质量得到保证，整体外观质量较好，施工期监测钢拱架只有少量的沉降，但在规范允许范围内。在后期1年半的隧洞爆破开挖和衬砌施工过程中临时支护均未发生较大的变形和沉降，整个施工期间管棚支架系统稳定满足要求。

管棚法在施工过程中的一些经验总结：

1)要尊重科学，管棚法支护是一种比较早也是比较成熟的隧洞塌方处理施工技术，在处理塌方过程中不能心存侥幸心理，偷工减料。

2)选择有经验的班组是隧洞塌方处理能否成功的一个首要条件，本工程前期一个班组由于处理经验不足，在同样处理管棚法时，认识不足，最终导致失败。

3)在处理隧洞塌方时必要时需24h三班倒连续作业，时间过长土洞段地下水汇集在掌子面将土方浸泡而形成流塑状泥土。

4)钢拱架支护需慢慢进占，配合洞身开挖钢拱架一榀一榀地向前安装支撑，间距不可过大，以免拱顶超前锚杆变形。

5 结 语

水库分层取水工程出水口隧洞管棚支护施工方案的有效性评价，要结合施工实践进行检验，方案不仅要满足项目质量及施工规范的要求。同时，要保障施工安全，降低施工成本。通过对莆田市东圳水库分层取水工程出口隧洞塌方处理及注浆管棚支护施工方案的研究也可以看出，在施工实践中，不仅要考虑施工环境、技术、团队等方面的因素，还要考虑施工的经济性及效益性。加强管棚施工的全程化监控，不仅可以有效提高施工效率，还能有效保障工程施工人员的生命安全。总之，制定合适的施工方案，对于提高工程施工质量、保障施工安全具有非常重要的价值。

[1]李国权.抽水蓄能电站地下工程施工技术[D].南京：河海大学,2006.

[2]易立.输水隧洞工程锚喷设计技术研究及应用[D].南京：河海大学,2006.

[3]马建,孙守增,赵文义,王磊,马勇,刘辉,张伟伟,陈红燕,陈磊,魏雅雯,叶飞.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].北京：中国公路学报,2015(05):1-65.

[4]石少帅.深长隧道充填型致灾构造渗透失稳突涌水机理与风险控制及工程应用[D].济南：山东大学,2014.

[5]王仁龙.超前管棚支护在中部引黄隧洞工程中的应用[J].山西水利科技,2014(01):8-9，14.

[6]徐升.葫芦坝水电站引水隧洞的支护方法与施工技术[D].北京：中国地质大学,2008.

2016-09-03

肖松飞(1981-)，男，福建莆田人，工程师，从事工程监理方面工作。

1007-7596(2016)09-0109-04

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