史孝辉
中国水利水电第七工程局有限公司
摘要：管棚法是不良地质隧道进行超前支护常用的一种方式，具有施工快、安全性高的特点。本文分析了水电隧道工程采用管棚法的作用，并探讨了管棚法的施工技术。
关键词：管棚法；隧洞；水电站
一、水电隧道工程采用管棚法的作用
隧道开挖是水电工程建设中常见的一种，隧道开挖过程中，经常会遇到破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段，在这类地质条件下进行开挖，如果不进行超前预支护，很容易出现坍塌情况。随着施工技术的改进，管棚工法得到了普遍的利用。管棚工法是采用专用钻机将钢管沿隧道开挖轮廓线外一节一节地打入需支护的地层中的预定位置，然后进行注浆，通过浆液在围岩中的扩散，形成一个类似钢筋混凝土的拱形帷幕，从而达到支护开挖线外侧围岩的作用。主要表现在以下几个方面：
1、由于管棚的作用，减少了工作面上覆的土压力，稳定了围岩，从而避免了土体塌方，即便有一定程度沉降的产生，也不会发生灾难性事故。
2、管棚的超前预支护作用，其对地表沉降的控制可达30～35％，对拱顶沉降的控制高达40％。同时，一般在浅埋隧道施工中，拱顶沉降要大于地表沉降，而采用管棚进行预支护后，使得拱顶沉降远远小于地表沉降量。
3、实际施工中为增大管棚的刚度和管棚与围岩的粘结力，常常在管棚内注入水泥浆、水玻璃或泡沫尿烷等材料，使得管棚与其周围的土体成为一个整体，从而极大地增强了土层的自稳能力。
二、管棚法在水电工程中的应用
（一）工程概况
某水电站引水隧洞进口底高程▽25.0m，引水隧洞为城门洞型，隧洞全长2880m，施工支洞37.00m，按无压流设计，开挖断面均为2.8m×2.8m，C20砼衬砌后断面为2.2m×2.2m，纵坡i＝0.104％，出口底程▽22.0m，隧洞出口通向水库。隧洞总长度为2880m，在进口处设置一支洞，支洞长37m，断面型式与尺寸与主洞相同。隧洞进出口地形平缓，基岩未出露，覆盖层为第四系全新统残坡积（el－dlQ4）含碎石粉、砂质粘土，进口预计厚2.0～4.0m，出口预计厚4.0~6.0m。进口段受区域性断层影响,岩体风化较剧，工程地质条件较差。隧洞洞身段围岩为株罗系上统C－2段（J3C－2）浅灰紫色流纹质含角砾玻屑凝灰岩，新鲜岩石致密坚硬，上覆岩体厚度一般45～130m。隧洞通过围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主，岩体完整性较好；局部受平行洞轴线的区域断层FI03的影响，围岩破碎风化，属Ⅳ～Ⅴ类。
在0+404.1～0+423.67mm段为孤石砂砾堆积散体结构，且砂砾在孤石间冲填不饱满，结构体间相互咬合力极差，开挖后形成临空面的部位在重力或应力释放的影响下容易坍塌甚至冒顶，洞室成型极为困难。为了保证该洞室段的质量、安全，避免塌方、冒顶给施工带来安全隐患，对该段采用新奥——管棚法施工。施工过程中一律按照“弱爆破，短进尺，强支护，多循环”的原则进行组织，严格过程控制。临时支护采用Φ6mm钢筋15cm×15cm间距的方格网片紧贴开挖面，再支撑I18工字钢（按40cm～60cm间距，打锁脚锚杆），并结合超前管棚的联合支护体系。
（二）管棚施工技术
1、施工准备
根据施工特点，管棚施工沿隧洞支护边缘外进行，根据现场情况和该隧洞规格，应搭设一高5.5m左右，长6m的工作平台，确保施工安全顺利的完成。
根据管棚设计位置图进行放样设点，为保证每根管棚不交叉，且能发挥最大的支撑作用，隧洞轴向作测量标示，为下步施工提供基准点。
先开挖好洞口第一级钻孔平台，施作导向墙，导向墙采用C20混凝土施作，厚60cm。在导向墙两侧起拱线设置大拱脚，以加强导向墙稳定。大拱脚内布设Ф22钢筋，大拱脚尺寸为长*高=3m*1.5m，宽同导向墙长度。施钻前先加工好部分钢花管。
2、钻孔
根据该管棚的长度和工作面的特点，我部决定采用KSZ100D电动潜孔钻机，根据设计角度，并校正轴向，同工作平台联为一体，以保证施工参数的准确性。
施工前通过导向墙控制好孔位、立轴方向及打设角度。经检查合格后才能开钻，钻孔大管棚孔径以108mm为宜，施钻过程中随时记录好每一段的围岩情况。施钻完毕后用高压风清孔。检查钻孔、打管质量时，画出草图，对孔位编号、逐孔、逐根检查并认真填写记录。
3、送管
钻孔完毕及清孔后，及时顶进钢管。钢管按设计要求加工制作，现场安装成型。钢管接长采用丝扣连接，同时安装过程中注意同一截面接头错开。将钻头退出，钻杆全部卸下，将预先加工好的钢管安装在大臂上，低速推进钢管，其冲击压力控制在18-20Mpa，推进压力控制在4.0-6.0MPa。第一个引导孔需要推进的是钢花管，先注浆，用第二根钢管(无孔)钻进时，查看第一根管的注浆情况。当第一根管推进孔内外露30-40cm时，停止钻进，使顶进的联接套与钢管脱离，大臂退回原位，人工装上第二节钢管，大臂低速钻进，使其对准第一节钢管端部(严格控制角度)，人工持钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。钻机再以冲击压力和推进压力顶进钢管。按同样的方法继续加长钢管至设计长度。
4、注浆孔
管口注浆孔采用30cm长φ20镀锌钢管，一头与管棚堵头钢板焊接（钢板先加工一与镀锌管内径相同的圆孔），另一头接注浆管。排气孔亦采用镀锌管置于钢管内侧上方。
注浆前，先调试好注浆设备，检查管路是否畅通，并做压水试验，记录好用水量、压力、流量等参数。
注浆注浆材料采用水泥砂浆，水泥浆液水灰比1：1，最大注浆压力采用2Mpa。注浆压力应逐步升高，达到设计终压后继续注浆10min以上，并记录好每孔进浆量、注浆持续时间等数据。注完浆的钢管要立即堵塞孔口，防止浆液外流。
5、钢支撑
钢支撑采用18号工字钢,采用夹板连接方式。螺丝固定,螺丝孔对孔困难时也可采用交流电焊机焊接。钢支撑安装后进行锁固锚杆施工(间距为0.5m)。锚杆采取焊接与钢支撑连接成整体。为确保安全,存制支撑底部浇筑护脚混凝土(高5),护脚混凝土采用人工组立钢模板浇筑。钢支撑顶部采用l8号工字钢成T字形贴紧钢支撑与岩面的空隙。钢支撑之间采取工字钢、φ25钢筋、l4号槽钢连接,以加强钢支撑的整体件。钢支撑安装就位后,钢支撑与岩石之间的空洞或缝隙用喷C20混凝土或200号混凝土回填满,使钢支撑与洞壁同岩贴紧。
三、施工效果
大管棚施工结束后，对管棚段的暗洞进行了开挖，发现拱顶上的围岩已固结为一体，拱顶呈屋脊形，开挖后顶部的危石已不复存在，原来洞内明显的涌淋水已基本没有，施工的安全性提高了，同时，相对其他特殊施工方法，施工进度加快了，费用明显降低。
四、总结
超前注浆管棚预支护技术的引入,使在砂性土层中开挖水工隧洞的安全更有了保障,对于洞径比较大的水工隧洞工程而言,注浆管棚法比顶管施工法更具适用性、可操作性和经济性。
水工隧洞埋深较大,地质及水文地质条件更为复杂,受力情况也更为特殊,注浆管棚只有和开挖后的临时支撑(格栅钢架或其他支撑)紧密结合,才能形成一个完整的梁式结构,防止围岩的松弛和崩塌,承担松散砂土带来的土压力和其它压力。
隧洞所处地层必须具有可灌性,管棚钢管必须是带有泄浆孔的特制钢管,以便从管内向周围灌注水泥浆或化学浆液,使钢管与围岩形成一体,加固管周的围岩。
只有待围岩硬化后,才可开始开挖,每开挖(1.0～2.0)m,即采用格栅钢架支撑并喷混凝土覆盖,支撑间距为(80～120)cm。
参考文献
[1]董柏林.不良地质段的管棚施工——瀑布沟水电站尼日河引水洞过卡尔沟段的施工体会[J].四川水力发电,2008年5期.
[2]欧阳著,胡春平.隧道内长大管棚施工[J].中国水运（下半月）,2013年z1期.