管棚法在引水隧洞进口段平顶拱施工中的应用

第２７卷第６期　２００　８年１　２月　四川水力发电　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．６　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｅ．，２　０　０　８　管棚法在引水隧洞进口段平顶拱施工中的应用　王仁强，　袁摘坤　６ｌ１１３０）　（中国水利水电第七工程局有限公司三分局，四川成都要：软弱围岩平顶拱洞口施工难度较大，色尔古水电站引水隧洞进口段平顶拱进洞采用了大管棚与小导管联合超前支　护的方案，通过注浆将松散的围岩固结起来，利用大管棚支护洞口围岩，小导管支护每循环进尺，注浆体和管棚连成一个整　体而受力，在开挖轮廓线外形成了一个环向支撑体，有效的阻止了松动圈出现坍塌，达到了安全、快捷进洞的最终目的。　关键词：引水隧洞平顶拱；大管棚；小导管；安全；快捷；进洞施工；色尔古水电站　中图分类号：ＴＶ５２；Ｔｖ３７；ＴＶ５５４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－２１８４ｆ２００８）０６４）０５９４）３　１工程概况　色尔古水电站引水隧洞布置于黑水河右岸，　从右岸引水至赤不苏沟沟口上游左岸地下厂房发　电。进水口底板高程１　８４９．０　ｍ，进口断面为ｌ２　１１１　Ｘ　１２　ｍ的正方形，经１５　ｍ渐变段（方变圆）渐　变为衬砌后内径９．０　ｍ的圆形主洞，是引水隧洞　施工中的重点及难点。进水口上方高程１　８９５．７　施工准备　１、测量放线。　２、小导警加工、制作。　３、钢支撑加工、捌作．、　１、坡面浮土、悬石清理。　２、错囊施工。　３、锚杆、挂罔、喷混凝土施工。　ｊ同口边坡支护　１、洞口轮廓放线。　大管棚超前支护　２、钻孔、安装管棚。共计４９根＇　Ｌ＝ｌ　，问距４０ａ咀，注浆　ｍ处为２１３国道改线公路，路基开挖过程中发生　多次塌方。该部位边坡地势陡峭，上方为一条冲　沟，地层岩性为浅灰色薄层状炭质千枚岩，风化卸　洞口开挖　１、洞口轮廓放线，预留核心土。　２、每循环进尺ｎ细。　荷强烈，随机短小裂隙较发育，裂隙面普遍见锈　面、泥膜，岩体呈镶嵌．碎裂状结构，结构较松散，　钢支捧安装　边坡岩体易出现失稳及坍塌现象。为保证进水口　边坡稳定和施工安全，引水隧洞渐变段平顶拱进　洞施工以加强支护为主。　２进洞方案　洞身开挖　１、安装双｛；瑚工字钢支撵．钢筋　网。钢支撑与小导警焊接牢固，钢　支撑纵向连接筋焊接牢固。　２、喷射混凝土，支护完成。　１、测量放线．　２、钻孔、装药、爆破，一次掘进　不大于２ｍ。　１、测量放线。　由于洞口地质情况复杂，前期多次发生塌方，　为保证进洞施工安全、边坡稳定以及改线公路路　基稳定，经过方案比选，所选定的进洞方案为：边　初期支护　２、安装钢支撑、挂罔、系统锚杆。　３，喷射混凝土。　坡锚索、锚杆及挂网喷护先行施工，进洞采用大管　棚与超前小导管联合超前固结，双榀工字钢加工　成龙门架形式支撑，挂网喷射混凝土初期支护尽　快闭合成环，及时完成永久混凝土衬砌的方案，并　强调施工中各工序作业的质量，以保证支护效果。　进洞施工方案工艺流程见图１。　３大管棚参数确定　（１）进洞开挖浅埋情况下，围岩压力Ｐ可根　１、测量放线。　超前小导警支护　２、钻孔、安装超前注浆小导警　单捧Ｉ＝５ｍ，闻距４Ｏｒａｌ，注浆。　图１　进洞施工方案工艺流程图　Ｐ：　Ａ　ｔａｍｐ［１＿ｅｘｐ（‘　　＋ｇｅｘｐ（一　口　）］　）　据泰沙基公式确定，即：　收稿日期：２００８－０８４）１　０ｌ＝０＋ｈ１ｔａｎ（４５。一　／２）　式中ｎ　为隧道开挖宽度的１／２；　为围岩容量，　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ—　王仁强等：管棚法在引水隧洞进Ｖ１段平顶拱施工中的应用　２００８年第６期　Ｎ／ｍ’；‘ｐ为内摩擦角，（。）；ｃ为粘聚力，Ｐａ；ｈ　为　洞室开挖高度，ｉｎ；Ｈ为洞室埋深，ｍ；）Ｌ为侧压力　系数，泰沙基取　＝１；ｑ为地面荷载，Ｎ／ｍ　。　埋深较大时，公式中的指数趋于零，即：Ｐ＝　（１）管棚形式。　地质工程师根据前期改线公路施工多次发生　塌方及进水Ｅｌ段锚索造孔返渣情况确定（引）０—　００５至（引）ｏ＋０１０段为Ｖ类围岩。进洞前第一　的值一般大于３０　ｍ时，根据泰沙基公式　７ｔａｎ￣ｐ　计算得到的围岩压力往往误差较大。考虑到施作　后的管棚对围岩压力的缓冲、吸收、分散等作用以　及通过管棚注浆对围岩的加固效果，通常实际围　岩压力Ｐ　仅为泰沙基公式计算值的４０％～　５０％，即Ｐ，　：（０．４～０．５）Ｐ。　查工程地质常见岩石物理力学性质指标表：　千枚岩重量－ｙ＝２６～２８　ｋＮ／ｍ　，取２７　ｋＮ／ｍ　；千　枚岩内摩擦角‘ｐ＝２６。一５４。，取４５。；千枚岩粘聚　力Ｃ≤１０　ｋＰａ，取１０　ｋＰａ；洞室半洞开挖高度ｈ，＝６　Ｉｎ；Ｈ＝３４　ｒｌｌ；容许应力［８］＝２４０　ＭＰａ。　Ⅱｌ＝０＋ｈ１ｔａｎ（４５。一　／２）　＝６＋１２ｔａｎ（４５。一４５。／２）＝１０．９７（ｍ）　由此得Ｐ＝　＝　ｔａｎ（ｇｌ　ｘ　ｔａｎ　４　３　＝０．２８６ｆＭＰａ）　Ｐ　＝０．４Ｐ＝０．１１４　４（ＭＰａ）　（２）钢管最不利受力段长度　：厶为工字钢　间距，０。８　ｍ，Ｌ２为每循环开挖进尺，ＩＴｔ。　Ｌ：Ｌ１＋Ｌ２：Ｌ１＋ｈ　ｔａｎ（４５。一　／２）＝１．６３（ｍ）　（３）单位宽度内荷载：　Ｐ　＝０．１　１４　４（ＭＰａ／ｍ）　最大弯矩值：　Ｐ，．　Ｍ～＝　＝０．１　１４　４×１．６３２／８：３８（ｋＮ・ｍ）　因此，单位宽度内钢管抗弯截面模量　＝　＝　焉－１５８（ｃｍ　阿满足要求。　（４）钢管的选取：①若选用‘ｐ１０８、壁厚６　ｍｍ　的钢管，每孔钢管抗弯截面模量　，＝４６．４６　ｅｍ　；　单位宽度内钢管数量ｎ＝１５８／４６．４６：３．４（孔／　ｍ），钢管问距３０　ｃｍ，造孑Ｌ有较大难度。②若选用　‘ｐ１０８、壁厚１０　ｍｉｌｌ的钢管，每孔钢管抗弯截面模　量　＝６９．１６　ｅｍ　；单位宽度内钢管数量ｎ＝１５８／　６９．１６＝２．２９（￣＇Ｌ／ｍ），钢管间距约为４４　ｃｍ，施工　中取４０　ｅｍ较为合理。　４进洞超前支护施工　■Ｉ　Ｓｉｅｈ￣ｎ讹　ｒ　Ｐｏｗｅｒ　环，在正方形进Ｉ２１顶部布置￣ｐ１０８大管棚４９根，大　管棚长度为１８　ｍ，管棚环向间距４０　ｅｍ，垂直洞口　中心外插角１。～３。。因大管棚较长，外插角度不　易控制，不能起到对洞内５　ｍ以后的超前支护作　用，且洞口为方形，洞内渐变为圆形，洞外大管棚　超前支护与圆形主洞开挖断面偏差较大，从第二　环开始，在顶拱１２０。范围内设置超前小导管支　护，超前小导管长度５　ｍ，　２，环向间距４０　ｃｍ，　与大管棚交错布置，垂直洞口中心外插角不大于　５。。　（２）管棚加工。　大管棚采用￣ｐ１０８、壁厚１０　ｍｍ的无缝钢管加　工，节长分别为２　ｍ、３　ｍ。钢管上压浆孔孔径为　１２　ｍｍ，孔间距２０　ｅｍ，梅花型布置，相临两孔方向　交错４５。角，尾部５０　ｃｍ范围内不钻孔压浆孔，作　为止浆段。小导管采用‘ｐ４０钢管加工，每根长５　ｍ，导管管口位置设加强环，钢管末端５０　ｅｍ范围　内不钻出浆孔，其余部分管壁四周，钻‘ｐ８压浆　孔，间距１５　ｍｍ，梅花形布置，相临两孔方向交错　４５。角，管尖长２０　ｃｌ＇Ｉｉ，先用氧焊切出缺口，再加工　成尖端并进行焊接。钢支撑加工前，根据开挖断　面轮廓并结合渐变段设计图纸精确加工，确保钢　支撑紧贴岩面。进口正方形段钢支撑加工成龙门　架形式，两侧加斜撑。　（３）偏心跟管钻进。　根据进水口地质情况复杂，结构较松散，风化　卸荷强烈，不易成孔的特点，结合大管棚施工方　法，采用偏心跟管式管棚施工工艺。偏心跟管式　管棚施工工艺是指利用偏心钻旋转扩孔的原理，　结合气动冲击装置的优点，将钻具与管棚通过钻　杆等联为一体，再通过偏心钻头研磨、冲击、挤密　岩体成孔，用冲击器振动冲击管棚钢管，实现管棚　与成孔同步完成的施工技术。　现场采用ＹＤＪ一７０型锚固钻机，‘ｐ７３钻杆，　￣ｐ１０８、壁厚１０　ｍｍ套管，ＱＣＷ－８ｏ冲击器，　ＱＣＷｌＯ８偏心跟管潜孔锤钻具，‘ｐｌ１０套管靴，２２　ｍ　／ｒａｉｎ移动式空压机，风压控制在０．５—０．７５　ＭＰａ。钻进时，偏心锤头在套管靴前偏出，通过与　第２７卷总第１２５期　四川水力发电　２００８年ｌ２月　花键导向体内置嵌卡机构带动回转切削岩石，同　时锤头体利用冲击器的冲击功冲击破碎岩石，钻　出比套管靴外径大的钻孔，同时锤击套管靴，使连　接套管随钻孔加深同步跟进，达到保护已钻出的　钻孔孔壁的目的；当跟管到所需深度后或钻孔施　工完毕，偏心钻具收缩从套管内孑Ｌ中提出孔外。　跟管钻进负荷较大，对管靴、套管丝扣要求较　松动爆破，以保证边坡覆盖层及绕坝路基稳定。　下半洞开挖时注意拱脚位置不能超挖，以便为后　续安装的钢支撑提供稳定的基础，开挖面要与洞　轴中线垂直，这样做不仅可以保证钢支撑安装时　的垂直度，还可以使钢支撑与岩面紧贴。进洞施　工过程中应尽量减少对洞外边坡的破坏，洞外边　坡的稳定与进洞是否成功有着至关重要的作用。　高，应尽可能避免正向深孔跟进中套管被打断，将　损失降至最低跟进。考虑到水钻对地层稳定性的　影响，放弃了水钻成孔的施工方法。每钻进０。３　～０．５　ｍ应用强风吹孔排粉一次，以保持孔内清　洁。钻进结束或需更换中心钻具时，先将孔底残　渣吹尽，脱开中心钻具的回转动力，停止回转，缓　慢提升中心钻具至偏心钻头后背与套管靴前端接　触为止，用管钳卡持钻杆，作逆时针方向回转，同　时缓慢试提中心钻具，当中心钻具可顺利提升时，　表明偏心钻头已顺利收拢，这时，可以按照常规方　法提升中心钻具，直至全部提出中心钻具。　（４）浆液配置。　‘　①水泥浆的搅拌在高速搅拌机内进行，严格　按照施工配合比进行投料。水泥采用Ｐ０３２．５普　通硅酸盐水泥，水泥浆的浓度控制在０．８：１—１：１　（水灰比）。　②注浆压力：初始注浆压力为０．５～１．０　ＭＰａ，终孔注浆压力为２．０～３．０　ＭＰａ。浆液扩散　半径不小于０．５　ｉｎ。　③单管注浆量：　Ｑ＝７ｒ×ｒ２×Ｌ＋７ｒ×Ｒ２×Ｌ×叩×Ｏ／×卢　式中ｒ：为钢管半径；Ｌ为钢管长度；Ｒ。为浆液扩　散半径；　为地层孑Ｌ隙率；Ｏｔ为浆液有效填充率；　为浆液损耗系数。　④注浆结束条件：ａ．单孔结束条件：注浆压力达　到注浆终孔压力２．０　ＭＰａ，单孔注浆量达到设计注浆　量的８０％以上。ｂ．每环结束条件：所有注浆孔均符　合单孑Ｌ注浆结束条件，无漏注浆的情况发生。　５进洞开挖　（１）工艺流程。进洞开挖沿中心线分上、下　半洞并预留核心土进行开挖，开挖按图２中①、　②、③、④的顺序进行，工字钢安装按图２中Ｉ、　Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的顺序进行，开挖时根据围岩情况选择　合适的施工工艺，风化岩层采用挖掘机、风镐进行　开挖，尽量不爆破；如果开挖困难时可采用小药量　””・・　・　　｝・　｝・・・・・・・・・　￣ｏｏｏｏｏｏ　●Ｃ　　＿１．　………●　：●、　　’　３Ⅱ　●　：　钢ｊ　●　量　●　：　②　●　钢支　＼　预　、　留　核　、、＿旦　心　土　２５，Ｌ　量　⑧　⑧　、钢支撑　④　＿＿＿＿＿锁脚｛＿＿＿　＿●　——　　图２进涮开挖支护工艺流程图　（２）爆破方式。进水口围岩较为破碎，（引）　０—００５至（引）０＋０１０段采用中间楔形掏槽，周　边光面毫秒微差有序起爆，循环进尺０．８　ｍ。炮　孔数目通过经验类比法确定。炮孔布置根据围岩　特点合理选择光爆孔间距及光爆孔的最小抵抗　线，崩落孔交错均匀布置，光爆孔与崩落孔孔底在　同一垂直面上，掏槽孑Ｌ加深。　６洞脸衬砌　进洞５　ｍ后即进行洞脸混凝土衬砌，渐变段　全线贯通后立即进行永久混凝土衬砌的施工，施　工方法为满堂脚手架配合普通钢模板浇筑，按照　先底板，后边顶拱的顺序进行施工。　７注意事项　（１）进洞施工过程中应尽量减少对洞外边坡　的破坏，洞外边坡的稳定与进洞是否成功有着至　关重要的作用。　（２）大管棚与超前小导管的安装角度及注浆　效果将直接影响支护成功与否，相临两环超前小　导管搭接长度不应小于２　ｍ。　（３）钢支撑与大管棚、超前小导管必须焊接　牢固，形成整体受力结构是方案实施过程中控制　（下转第６７页）　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　ＰｏｗｅｒⅢ　彭永铭等：高强度土石方开挖施工组织研究　２００８年第６期　“三准”制度进行爆破作业。通过各种途径，保证　了开挖质量和安全。　（３）工作面及设备的合理调度；　（４）科学的爆破方案是质量和安全的重要保　同时，ｃ４标高度重视土石方开挖成本管理，　证。质量和安全满足要求，能够有效的促进生产　“通过优化技术方案，减少超、欠挖，是开挖施工　进度，提高强度。　工程成本控制的关键。”因此，在施工过程中，根　据不同部位的开挖特点，测量人员严格控制开挖　作者简介：　彭永铭（１９６３一），男，重庆涪陵人，一分局副分局长，糯扎渡施工局　边线，爆破施工前爆破人贝一定做现场爆破试验，　一工区常务副主任，高级工程师，从事水利水电工程施工　通过试验和计算，将理论和实际相结合，确保了开　技术及管理工作；　挖部位的爆破质量，从而降低了工程施工成本。　曹辉（１９６９－），男，四川仁寿人，糯扎渡施工局局长助理兼工程　４　结语　管理部主任，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术及　奉上程能够实施高强度开挖的主要原因为：　管理工作；　（１）配置足够的、性能良好的并与之相互匹　魏宏（１９８ｏ．），男，山西大同人，助理工程师，从事水利水电工程　施工技术及管理工作；　配的设备是关键；　彭欣（１９８１－），女，陕西汉中人，助理工程师，学士，从事水利水　（２）其次，要努力创造各种条件，提高设备的　电工程施工技术及管理工作．　（责任编辑：李燕辉）　效率，如后勤保障、出渣通道、合理的爆破粒径等；　（上接第４５页）　笔者在文中仅以火烧寨沟人工砂石加工系统　率可达４％以上。利用离心机使污泥中的固、液分离　废水处理为工程原型，因此，在设备选型方面难免　时，离心力场可达到重力场的１　０００倍以上，单机处　有一定的局限性。例如在污泥浓缩阶段除文中介　理量大、基建和占地少、操作简单、自动化程度高，而　绍的外，还有平流沉砂池、曝气沉砂池、加速澄清　且可不投入或少投入絮凝剂，但动力费用较高。　池、水力循环澄清池、脉冲澄清池、悬浮澄清池等，　火烧寨沟人工砂石加工系统借鉴了以往工程　其工作原理和结构也不尽相同，因此，需要我们不　的成功经验，鉴于板箱式压滤机诞生早，经过多年　断的对新工艺、新方法进行尝试和探究，以总结出　的运行，设备成熟可靠，运行成本较低，因此选用　砂石加工系统废水处理投资少、效果好的方案，这　ＸＭＺ６３０／２０００　Ｘ　１５００板箱式压滤机，主要负责　才是人工砂石加工系统废水处理工艺与设备选型　ＭＧＳ－３００高效快速澄清器处理后的高浓度淤泥。　的最终目的。　该设备压滤面积为５６０～１　１８０　ｍ　，单台污泥脱水　能力为２０～３０　ｔ／ｈ，故配置２台。实际运行过程　作者简介：　刘伟（１９７７．），男，河南信阳人，助理工程师，从事水电工程人工　中，出水浓度ＳＳ≤２００　ｍｇ／Ｌ，完全满足砂石系统　砂石骨料技术研究工作；　生产用水的要求，取得了良好的效果。　涂明刚（１９８１．），男，四川内江人，助理工程师，从事水电工程人工　６结语　砂石骨料技术研究工作．　（责任编辑：李燕辉）　．．・●・．．．‘・●・．．．．＇●・．．．．・●・．．．．・●・．．－．・●・．　－．－Ｉ・．＿．．・●・．．．．・●・．＿．＿－Ｉ＿．．－．・●・．．．．・●・．．‘．１Ｉ・．．＿‘・●・．．．‘・●・．．．．・●．．＿．．・●・．－．．・●・．．　．．・●●＿…・●●＿…・●‘…－・●’．．．．●●‘．…’　●●，…．●●‘．…●●。…‘●●’‘…’●’…。●●’…。●●’…＿・●‘…．・●’‘．＿．・●‘－ｆ　（上接第６ｌ页）　进洞施工创造条件，并有效的保证了绕坝公路路　的关键。　基的稳定，达到了安全、快捷进洞的最终目的。　８总结与体会　本方案经业主、设计、监理、施工单位四方研　薄覆盖层、软弱围岩在目前施工中较为多见，　讨论证，最终成功实施，达到了良好的效果，也为　平顶拱洞口施工难度较大，采用大管棚与小导管　其他类似工程提供了一个较好的参考例子。　联合超前支护的方案进洞，通过注浆将松散的围　岩固结起来，利用大管棚支护洞口围岩，每循环进　作者简介：　王仁强（１９７４－），男，四川彭州人，项目总工程师，工程师，学士，从　尺采用小导管支护，注浆体和管棚连成整体，在开　事水电工程施工技术及管理工作；　挖轮廓线外形成一个环向支撑体，有效的阻止松　袁坤（１９８ｏ一），男，湖北枣阳人，色尔古项目部工程技术部主任，　动圈出现坍塌，为渐变段洞身安全、方形洞口顺利　助理工程师，从事水电工程施工技术及管理工作．　（责任编辑：李燕辉）　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ■