管棚法在砂砾堆积体洞室开挖中的应用
1、概述
冶勒水电站位于四川省西部冕宁县和石棉县境内(大坝位于冕宁县，厂房位于石棉县)，是南桠河流域梯级开发的龙头水库工程。主要建筑物由首部的沥青混凝土心墙堆石坝及引水隧洞、调压室、压力管道、地下厂房系统等组成。总装机2×12万KW，坝高125.5m，库容2.98亿m3，属年调节水库。本工程区构造部位处于川滇南北向构造带北段，为安宁河断裂、小金河断裂和南河断裂所围限的冶勒断块上。区域地质构造和地震地质背景均较复杂。
蝶阀室交通洞全长406.9m，断面尺寸为4m×4.5m，开挖断面为5m×5.5m。蝶阀室交通涧主要承担直径2800mm、重57吨的蝶阀运输和电站运行后的交通任务。蝶阀室交通洞地表覆有厚20m～40m崩坡堆积碎石土层，围岩由石英闪长岩组成，其弱风化水平深度为135m左右，弱卸荷水平深度为120m左右，强、弱卸荷范围内岩体裂隙普遍张开，裂面风化晕，锈染及次生泥模较普遍。岩石为多碎裂及散体结构的Ⅳ、Ⅴ类围岩。在(蝶交)0+060m～0+091m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。0+059m～0+061.5m为全断面进尺。在1.5m长的断面上竟然造成约110m3的塌方量，孤石砂砾堆积散体结构的稳定性之差可见一斑。经超前钻探测定，该地质情况沿涧轴线方向 有35m～45m。
2、施工方案
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，报经监理、
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业主及设计同意后，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I16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，见图1、图2。施工时按下列施工工序进行（0+059m～0+061.5m段塌方处理完成后）：
图1
（1）封堵开挖掌子面：在对蝶阀交通洞0+059～0+061.5塌方段的临时安全支护处理完毕后，立刻采用50cm厚浆砌石封堵0+061.5m掌子面，为缩短等强时间，在75#浆砌石的砂浆里加进了适当的速凝剂，等强4～8小时，浆砌石达到一定强度后，进行下一道工序。
（2）钻注浆孔：采用TY/-28气腿钻，沿设计开挖边线造孔，顶拱120°范围内按上仰角15°～18°，孔深3.0m，间距20～30cm，沿顶拱中心线对称布置，拱肩以下按外偏
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角15°左右，孔深3.0m，间距40cm～60cm布置。为避免塌孔对注浆管安装的影响，应造一孔，随即安装注浆管。
（3）安装注浆管：注浆管用?椎48mm普通钢管制作，长3.5m，插入掌子面的端头制作为尖形并封闭，尖端15cm范围内不钻注浆孔，末端110cm范围也不钻注浆孔。
（4）注浆：注浆管安装完成后，采用C525#水泥、SGB-1型灌浆泵注浆。考虑到孤石间空腔较大，灌浆先边墙后顶拱，浆液稠度由稠到稀分几个阶段进行。边墙部位：采用特细砂水泥沙浆按1∶1～1∶3的比例配制，水灰比为1∶3～1∶1的浆液进行灌注，注浆压力采用0.2～0.25MP。当灌注一定时间，吃浆量明显减小时，对配合比进行适当的调整，增大水泥用量而减小特细砂用量。顶拱部位：先采用边墙注浆步骤灌浆，当吸浆率小于0.08L/min.m时，浆液改用纯水泥浆，继续灌注，直到灌浆压力达到0.53～0.61MPa时停止。
（5）钻爆破孔：灌浆结束，等强4～6小时后进行开挖作业。开挖时，炮孔深度不得超过1.5m，沿设计开挖线周边为光爆孔，孔距不大于30cm，采用光面弱爆破；掏槽孔与光面孔间的延时保证在8～13毫秒微差间，以保证临空面的形成，减小爆破冲击波对洞室围岩的影响。
（6）喷封闭混凝土：开挖后及时通风排烟，尽快对开挖掌子面喷护5cm厚的混凝土予以封闭，尽量减少围岩的风化时间和围岩应力调整时间，最好在喷护混凝土中加入速凝剂，减少等强时间。
(7)钢筋网及I16工字钢安装：钢筋网采用Φ6mm、15cm×l5cm间距；I16工字钢间距为40cm～50cm。孤石砂砾堆积散体结构洞段喷护5cm厚混凝土是有难度的，反弹率较
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大，一般不小于30%～40%钢筋网安装时不能借助于锚杆或锚筋。最好将钢筋网制作为1m2左右的钢筋网片，靠钢支撑托起，并与钢支撑焊接，网片间也焊接。I16钢支撑间用Φ22@40cm螺纹钢在外层焊接相连，连接筋按梅花型错开。
（8）混凝土喷护：每一茬炮进尺的钢筋网及I16工字钢安装完成后必须立即喷护20cm厚的C20混凝土(混凝土中加入适量的减水剂或速凝剂，以提高混凝土早强时间)使该段形成具有较高强度的刚性支承体。
（9）钻孔：该工序包括对I16工字钢的锁脚锚杆钻孔和对掌子面的开挖进尺钻孔。可采用YT/-28型气腿钻。I16工字钢锁脚锚杆用Φ25、L=2.5m，每榀12根，每侧拱肩不少于两根，钻一个孔安装一根，以免塌孔，每根必须用锚固剂或锚固药卷满灌固结。掌子面的进尺钻孔宜采用1.5m钻杆，周边孔为光爆孔，孔距不大于30cm。二周孔、崩落孔和掏槽孔按较差Ⅴ类围岩的爆破设计布孔。
（10）开挖进尺后进行下一循环。若掌子面无垮塌现象，可素喷5～10cm混凝土封闭即可。
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图2
3、工效果分析
采用管棚超前注浆联合钢筋网及I16工字钢紧跟掌子面支护的施工方案，成功的穿过了蝶阀室交通洞（蝶交）0+060m～0+091m段孤石砂砾堆积散体结构洞室段。除有局部受进尺放炮震动掉块外，未发生塌方和顶拱变形等安全问题，月进尺35m，达到了预期的目的。
管棚法施工实际上是新奥法施工中超前锚杆施工的发展。从施工效果看，管棚法施工具有临时支护及时，施工性好，安全性高，阻止严重渗水等优点。与超前锚杆施工相比，超前锚杆施工是对洞室围岩开挖临空面的被动约束；管棚法施工是对洞室围岩开挖临空面的主动约束。前者适用于：围岩具有一定的咬合能力和一定的稳定性，掌子面开挖后，围岩进行应力调整和应力重分布的时间以及围岩达到失稳的临界时间，最短时间必须能满足超前锚杆联合钢支撑最快安全支护所用时间；围岩应力调整和重分布后的卸荷给洞室边顶拱的压力必须小于超前锚杆及钢支撑联合支护体系所能支承的最大值。后者适用于：围岩裂隙发育，块体岩石间咬合能力极差；围岩应力调整时间短，卸荷快，采用其它临时安全支护方式安全隐患大；洞室开挖进尺后，围岩给洞室边顶拱的压力大于超前锚杆及钢支撑联合支护体系所能支承的最大值。总之，超前锚杆施工是抵抗围岩的应力调整和应力重分布；管棚法施工是阻止围岩的应力调整和应力重分布，管棚的形成在围岩临空面尚未形成之前，在围岩应力调整和应力重分布之前，水泥沙浆的超前灌注，更是增加了围岩之间的相互咬合能力，并与管棚共同形成具有较大刚度和承载能力的临时支承刚拱圈，对洞室周边提供了一个较大的反作用力，使得洞室围岩没有进行应力调整和应力重分布的条件，从而达到安全进尺的目的。
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4、体会
孤石砂砾堆积散体结构洞室开挖后应力调整变化快，松动范围大，一旦出现垮塌，轻则塌方，重则冒顶，后果将非常严重。在洞室开挖前能在设计开挖线以外形成一个刚性支承圈向洞室提供径向力，足以阻止围岩应力调整和洞室周边松动，是安全进尺的最佳选择，也是新奥法施工的宗旨。超前管棚联合钢支撑支护体系，实际上就是开挖前在设计断面周边形成刚性支承体，向围岩施加径向力，人为主动约束，阻止洞室围岩因开挖引起的应力重分布。蝶阀室交通洞（蝶交）0+060m～0+091m段就是在这种思想的指导下采用管棚法施工安全渡过的。管棚法施工中，注浆管的安装角度、注浆压力控制、钢支撑安装的及时性是关键工序。注浆管安装角度过大则超挖严重，注浆浪费；角度过小，则临时支护形成的刚性支承圈抗剪切力减弱；注浆压力过大，也造成注浆浪费；注浆压力过小，对散体岩石起不到固结作用，随着洞室段的增长，临空面的加大，安全隐患更是加大；钢支撑安装不及时，晚于围岩应力调整和应力重分布之后，注浆花管和灌注的水泥沙浆以及素喷的5cm厚混凝土共同形成的刚体结构很有可能支承不住围岩的卸荷压力，形成进尺中的安全隐患或立即塌方甚至冒顶。所以施工中必须有专职的技术员、安全员现场盯防，严格过程控制，确保施工质量，保证施工安全。该段作为安全隐患段定期监测，一年来的监测结果显示，洞室边顶拱无变形，临时安全支护达到预期要求，管棚法施工是成功的。
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