管棚在湿陷性黄土隧洞渗水条件下的技术应用

管棚在湿陷性黄土隧洞渗水条件下的技术应用

郭智荣 李学良 邢帅

中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000

【摘要】对于有渗水现象的湿陷性黄土隧洞施工来说，如何防止洞室塌方、掉块及安全快速掘进是工作的首要任务，且“土隧洞”地质条件特殊，一旦发生渗水现象，围岩极其不问题，更易发生塌方事件，因而必须结合隧洞实际地质条件，做好抽排水设施布置及方案制定，同时利用超前管棚支护及封堵的形式，从根本上解决涌水的现象，规避施工风险，确保隧洞掘进工作顺利推进。

【关键词】 渗水湿陷性黄土隧洞 排水系统 封堵治理

1. 引言

山西中部引黄工程某项目，某隧洞段位于桩号2+799.71～7+228.00地段，长度约4.4km，隧洞进口底高程923.93m，出口底高程922.46m，隧洞断面型式均为马蹄形，隧洞尺寸R1=R2=2.8m。设计纵坡1/3000，为无压洞，洞顶以上围岩厚度6～204m，穿过的地层岩性为为上第三系上新统（N2）褐红色或棕红色低液限粘土夹卵石混合土层，围岩极不稳定，围岩不能自稳，变形破坏严重。围岩工程地质分类为Ⅴ类。且在工程施工过程中，隧洞出口施工至桩号6+510.11段时掌子面由原来的渗水、滴水变为掌子面及顶部出现线状流水，掌子面围岩为低液限粘土，含较多钙质结核，开挖支护施工时，不时有塌方、掉块现象，严重影响洗挖机正常掘进施工。

结合渗水的实际情况，项目采用“堵排结合 超前支护”的施工方法，确保围岩稳定，提高施工效率。

2. 隧洞内排水系统初步规划

1. 排水系统整体部署

2#隧洞为土质隧洞，施工时水流带泥沙流进集水井，长时间抽排泥水导致排水设备故障率高，需安排专人对抽水设施进行维护，最大限度保障排水系统运行，并根据出水量大小，确定抽排水设备及管路布置，每个集水井水泵按照一使用一备用一维修的原则配备。

2. 隧洞抽排水措施布置

2#隧洞进口段在洞内开始安装1趟φ140mm的钢管排水管路作为主排水管路，2趟DN63mmPE管作为备用排水管路及1趟3×150mm2＋1×90mm2绝缘铝芯导线的架设，形成排水专用供电线路，同时在掌子面附近集水坑内布置了2台15KW污水潜水泵和1台5.5KW内装式潜水电泵。为了防止停电对排水的影响，在2#隧洞进口洞口部位设置200KW交流同步发电机1台，作为备用电源与施工线路形成一套供电系统，以保证隧洞内的排水，同时在洞口设置流量计，对实际抽水量进行统计。

3. 超前管棚支护设施

为确保隧洞掘进安全进行，除制定必要的抽排水设施外，还必须结合实际制定切实可行的堵水方案，从根本上解决涌水问题，确保施工作业面稳定，项目初步制定了“超前管棚”方案用于堵水作业，同时，为确保管棚支护效能最大化，符合“湿陷性黄土隧洞”的施工要求，项目开展工艺性试验，并尝试超前管棚在60cm管棚间距，18-21管棚长度范围内施工的可行性，通过试验，收集和整理试验过程数据及参数，论证试验的成果，确定后续施工参数。

1. 工艺试验施工流程及施工情况

1. 施工流程图

流程图如下所示：

超前管棚施工工艺流程图

2. 具体施工流程

1. 导向墙和导向管施做

在已施做的扩大工作室前方沿隧洞前进方向安装2榀拱架（第1榀拱架半径200cm，第2榀拱架半径205cm），拱架间距1m；按照设计位置在2榀拱架圆弧段开设导向孔用于安装导向管（导向管采用φ140mm钢管，壁厚6mm，节长1.2m）；导向管安装完成后，采用C20喷射混凝土将管棚下缘至已立的2榀工字钢内缘部分全部喷填密实，形成导向墙。

2. 掌子面封闭

首先对掌子面进行10cm厚C20混凝土喷射，用于封闭掌子面，防止钻进过程中钻机扰动引起掌子面塌方掉块，同时起到止浆作用，防止注浆时漏浆。

3. 钻机作业平台铺设

为方便控制钻孔角度，在掌子面后方设置尺寸调整为8m×3.8×2m作业平台；石渣就近从渣场倒运。作业平台须牢固稳定，以防止钻孔时钻机摆动、倾斜等而影响钻孔质量，端部适当留有斜坡，方便机械上下。

4. 管棚钻进施工

管棚钻进采用JK-590F履带式潜孔钻机逐个进行钻进，从拱部轴线范围分两部分进行，管棚每节长1.5m，采用公母丝扣连接，并在接缝处焊接牢固，防止受钻进冲击影响造成脱丝。钻机沿导向墙内导向管逐孔进行钻进，管棚采用直径108mm钢管（采用R780高强管、管靴采用高强材质），管棚端部1.5m范围内不设置注浆孔，作为止浆段。钻头采用同心合金钻头，管靴端部设置扩孔器（一次性消耗材料）。

5. 钢筋笼制安

钢筋笼采用3根Φ16钢筋及Φ42的固定环焊接连接，长度与管棚等长，固定环间距2m。管棚止浆阀安装前将钢筋笼安装进管棚内，以增加管棚刚度。

6. 止浆阀安装

在管口处采用止浆阀进行封闭，止浆阀与管棚之间采用焊接连接。

7. 洗孔

为了提高注浆效果，管棚注浆前先进行了裂隙冲洗，从拱顶向拱腰逐孔清洗，清洗时，被清洗管以下所有止浆阀打开，清洗压力控制在1-3MPa范围内，以将卵石间细沙冲出，当冲洗孔相邻的孔排出的水变清时停止冲洗，更换下一孔冲洗。

8. 管棚注浆

裂缝冲洗后严格按注浆施工规范要求逐级升压进行注浆，要求最高压力控制在7Mpa以内，根据第三循环试验总结，首灌采用2:1水灰比，终灌采用1:1的水灰比效果最佳。

9. 隧洞开挖

分序进行开挖，先从掌子面中心开始，向上按设计尺寸扩挖出拱顶，暂预留核心土，再开挖核心土两侧土体，开挖时边墙预留30cm人工修整；利用边墙围岩的短时间自稳性，立即进行挂网喷护10cm混凝土；为了方便挂网，在侧壁上沿隧洞进尺方向每米直立布置2根25螺纹钢用于网片挂设，25螺纹钢上部与管棚外露部位焊接，底部用渣土填挡，网片采用双层间距5cm网片；挂网后立即喷砼。

2. 阶段性试验分析总结

根据以上施工流程，项目现场进行了3-6循环施工试验，对钻孔、开挖、注浆进行总结分析，为正式施工提供理论支撑：

1. 钻孔分析

结合实际钻孔施工，部分钻孔记录表如下：

隧洞管棚部分钻孔记录表（第3循环）

隧洞管棚部分钻孔记录表（第4循环）

第3循环、第4循环：

在隧洞第3、4循环尝试施作了18-21m长度管棚，根据钻孔记录可以看出，第3循环达到18m以上的有2根，达到15m以上的6根；第4循环达到18m以上的有5根，达到15m以上的有7根。

原因分析：

根据钻孔记录及现场实际情况主要原因为：管棚在钻进过程中，遇到大粒径鹅卵石、孤石，钻机钻进时明显效率低、时间长，当达到极限时，管靴被击穿无法继续钻进。

结论：

受目前地质影响（大粒径卵石、孤石），管棚在18-21m长度下极易出现断管及管靴击穿现象，从而造成频繁补管，导致施工功效降低。其次，根据钻孔记录，2循环达到15m以上的管棚有13根，占比较大，第5循环管棚长度按15m再次进行试验论证。

隧洞管棚部分钻孔记录表（第5循环）

第3、4循环尝试18-21m管棚，根据钻孔及开挖效果，由于卵石粒径大，18m管棚长度成孔困难且效率较低，极易出现断管及管靴击穿现象，经过第5、第6循环工艺性调整，管棚长度为15m，施工过程中再未出现断管及管靴击穿现象，平均每天可完成3-4根管棚，因此，在当前的工艺水平和地质情况下单循环的管棚最大长度15m为最优。

2. 注浆分析

注浆记录汇总表

根据注浆记录可以看出，第3#循环平均每延米注浆量为28.61升，第4#循环平均每延米注浆量为21.93升，第5#循环平均每延米注浆量为23.61升，第6#循环平均每延米注浆量为23.61升。

理论扩散半径：

通过4循环的注浆对比，当前的注浆压力和所用的注浆材料在该地质条件中可加固的范围在15cm左右；注浆对提高加固效果有一定的作用，但因为目前地质条件变化，砾岩在天然状态下较为致密，相对空隙较小，扩散半径有限，故在管棚间距增大后，加固效果降低甚至失效。

结论：通过注浆量及理论扩散半径分析，管棚在目前地质下注浆效果相对较差，主要原因为卵石粒径增大，砂层密实且范围小，洗孔过程中只能对少量砂子冲洗出来，导致吃浆量小，同时由于管棚角度影响，当浆液满管的状态下，受重力影响及岩体间空隙小，浆液填充较快，基本2~5分钟达到设计压力，且不在吃浆，因此导致管棚吃浆量少，效果较差。

3. 开挖揭示分析

随着第6循环开挖揭露，在15m的管棚长度下依旧未出现断管，但由于地质再次发生变化，卵石粒径随着地质情况逐渐变小（卵石粒径最大20cm），在13m位置时，导致拱顶出现塌方掉块现象。因此，由于地质变化的不确定性，大粒径卵石（粒径大于20cm）较多时，采用60cm间距，可以对管棚间围岩起到一定加固作用，无塌方掉块现象，当小粒径卵石（20cm以下）较多时，60cm间距不能对管棚之间岩体加固效果较差。

4. 注浆效果揭示情况

当前的注浆压力和所用的注浆材料在该地质条件中可加固的范围在15cm左右；注浆对提高加固效果有一定的作用，但因砾岩在天然状态下较为致密，相对空隙较小，扩散半径有限，故尔在管棚间距增大后，加固效果降低甚至失效。同时，受管棚角度及重力影响，部分浆液出现回流至掌子面现象。

5. 阶段性试验分析总结

通过第近4循环的试验，得出以下结论：

1. 1. 管棚长度

第4循环尝试18-21m管棚，根据钻孔及开挖效果，由于卵石粒径大，砾岩岩土致密，极易出现断管及管靴击穿现象，18m管棚长度成孔率低且钻孔效率差；第5、第6循环管棚长度调整为15m后，施工过程中再未出现断管及管靴击穿现象，15m成孔率高，钻孔效率好；因此，在当前的工艺水平和地质情况下单循环选择15m长管棚方案为最优。

1. 2. 注浆及加固效果

注浆对提高加固效果有一定的作用，由于砾岩岩土致密，孔隙率小，浆液扩散半径有限，可加固的范围在15cm左右；受管棚角度及重力影响，部分浆液出现回流至已被扰动过的初支部位。在大粒径卵石（粒径大于20cm）含量较多的情况下，管棚采用60cm间距可以起到棚护作用，在小粒径卵石（粒径小于20cm）含量较多的情况下，管棚采用60cm间距时，局部存在塌方掉块，加固效果差。

1. 3. 管棚整体功效情况

通过对数据的分析，1个循环（12根15m）管棚施工，导向墙施工及工作平台填筑0.5天，管棚钻孔4天，注浆0.5天，开挖支护5天；总计用时10天；可实现开挖13-14m，平均作业强度1.3m-1.4m/天。

3. 结论及建议

1. 由于地质变化的不确定性，当前地质条件下，管棚长度控制在15m范围内为最优。

2. 由于地质变化的不确定性，管棚在卵石粒径较大的情况下，60cm间距可以满足正常施工，且无塌方掉块现象，卵石粒径较小的情况小，60cm间距由于注浆效果受地质影响，加固范围较小，存在塌方掉块现象，综合考虑，管棚间距50cm，管棚根数14根为最优选择。

4. 堵排方案取得的成效

在“堵排结合”施工方案及相关参数确定后，项目严格按照施工方案实施，在后续施工中，未出现塌方、掉块现象，减少了塌方处理及停机时间，提高了洗挖机掘进效率，每月平均进尺42m，平均日进尺1.4m，远远超出前期未支护前的施工效率，实现了项目降本增效的目的。

5. 结语

对于土隧洞涌水状态下的施工而言，首先，要依据“堵排结合”的施工原则进行施工，系统建立超前管棚注浆施工方案，防止涌水造成洞室塌方；其次，建立有效的排水体系及“边开挖边支护”体系，在洞室出现涌水后，及时组织进行排水工作，在开挖完成后，及时进行喷锚支护，防止涌水造成已完洞段塌方；最后，对超富水状态下，可采用超前地质勘测，掌握实际地质条件，必要时采用“短进尺 超灌浆 强支护”的原则进行施工，这样才能保证隧洞开挖的顺利完成。