油气管道隧道喷锚衬砌支护技术的应用-技术创新

油气管道隧道喷锚衬砌支护技术的应用

日期：2016-7-11 15:14:51　来源：互联网　浏览数：
　

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随着我国油气长输管道的大规模建设，山区隧道工程数量显著增加。隧道工程地质条件的复杂性和不确定性带来的风险，常常成为制约整个管道工程按期投产的重要因素。近年实施的西二线、中贵线、陕三线等工程中，均出现隧道施工工期滞后的问题。
    油气管道隧道结构设计目前采用交通隧道工程普遍使用的复合式衬砌，初期支护采用喷锚型式，二次衬砌采用模筑混凝土。复合衬砌的承载机理是：喷锚初期支护为主要承载结构，二次衬砌作为安全储备[1]。虽然复合衬砌在承载机理上是合理的，体现了新奥法——充分发挥围岩的自稳能力原理，但施作较厚一层二次衬砌作为安全储备的做法在经济上的合理性受到质疑[1]。尤其是油气管道隧道，由于断面小（跨度一般小于5 m），如果施工时采用初支与二衬交叉循环作业，将严重影响施工工期；实际施工时多是在隧道贯通后再施作二衬，此做法对于破碎或软弱围岩段存在很大的安全风险；同时由于开挖后围岩条件的变化，“初期支护+围岩”的承载体系并不能完全承受来自围岩的压力和变形，隧道贯通后才施作二衬的做法可能引发大变形甚至发生掌子面后方塌方，造成事故。因此，针对小断面的油气管道隧道，研究一种既安全适用又经济且施作快捷的支护结构型式，显得尤为迫切。随着隧道工程技术的进步，喷锚衬砌支护技术被提上议事日程，目前也逐渐被管道隧道行业所认识和接受。
    1·国内外应用现状
    1.1国外
    国外一般将喷锚衬砌（多次喷射混凝土叠加）称作“单层衬砌”，国外最早使用单层衬砌的国家是挪威[1]，1978 年以来，挪威在有节理易超挖的岩层内采用钢纤维喷混凝土，这种革新的永久加固和最终支护方法在挪威的年用量已从60 000 m3 增至70 000 m3。同时，在德国、瑞士、法国、美国等很多国家，对单层衬砌都有不同程度的应用，而且一些国家还制定了相应的设计和施工规范[1-2]。
    国外工程应用实例：挪威Nordkapp 海底公路隧道，长6.8 km，宽8 m，隧道采用高性能喷射混凝土永久支护，平均喷层厚度为25 cm；瑞典地铁区间也广泛采用喷锚单层衬砌技术；瑞士修建的费尔艾那隧道，97％的支护都采用锚喷单层衬砌技术；巴西已有16 座单线或双线铁路隧道采用喷射混凝土作永久衬砌，其中多数通过多孔性黏土和砂黏土层；日本单层喷锚衬砌技术也有较为广泛的应用，如新金子公路隧道、上原铁路隧道、内之浦发电站等工程。
    1.2国内
    在国内，20 世纪60 年代在成昆铁路围岩较好的短隧道中，成功采用了喷射混凝土加锚杆的单层衬砌，使用至今，情况基本良好[1]。最近几年，由于喷射混凝土技术的不断提高，在铁路、高速公路、水电站引水隧洞、石油地下储库等隧道工程中进行了单层衬砌的试验研究，使用至今，没出现任何质量及耐久性问题[1]。
    国内工程应用实例：1999 年汕头液化石油气储库工程中采用单层喷锚衬砌支护技术，效果良好；西康铁路秦岭高碥沟隧道采用了钢纤维喷射混凝土单层衬砌；西安―南京铁路的磨沟岭隧道采用模筑钢纤维混凝土单层衬砌；西安兰田万军回铁路隧道（西安至南京铁路线），是中国铁路隧道第一次试验使用钢纤维增强喷射混凝土作为永久支护的隧道；2003 年，铁道部科技司委托铁道第四勘测设计院在合武铁路大别山隧道二号斜井施作单层喷锚衬砌研究，其中III 级围岩喷锚衬砌形式为C25 聚丙烯硅粉喷混凝土（5 cm）+ C25喷混凝土（10 cm）+系统锚杆，Ⅳ级围岩地下水发育段为C25 钢纤维硅粉喷混凝土（10 cm）+C25 聚合物喷混凝土（5 cm）+C25 钢纤维硅粉喷混凝土+系统锚杆。
    国内王建宇研究员对于国内单线铁路隧道Ⅱ～IV 级围岩采用钢纤维喷射混凝土的设计参数做了推荐[3]，岩石单轴饱和抗压强度不小于30 MPa 的Ⅱ、Ⅲ 和IV 级围岩的喷层厚度分别为6 cm、10 cm 和16～20 cm。
    国内油气管道工程近年实施的西二线果子沟1#隧道、走马岗隧道、兰成线藤家湾隧道等，由于复合式衬砌施工工期滞后，无法满足管道投产要求，施工期间变更为喷锚衬砌支护，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩喷射混凝土（干喷）厚度分别为8 cm、10～15 cm 和20 cm，并辅以锚网钢架等，但未作系统研究。由于采用干喷法，回弹大，后期强度也难以保证，表面存在不同程度的裂纹和裂缝。
    2·管道隧道喷锚衬砌的应用根据相关规范要求[4]和国内外地下工程界普遍认同的工程类比法，参考挪威法[5]和国内交通行业已有应用实例，通过类比分析和理论计算，提出一套针对不同围岩条件的支护参数，并依托中缅油气管道工程岩鹰山隧道，选取典型围岩地段作喷锚衬砌支护的试验段，通过施工期间的监控测量数据，进一步修正支护参数，为今后隧道工程采用喷锚衬砌支护方式提供参考。
    喷锚衬砌技术应用研究的依托工程为中缅油气管道工程岩鹰山隧道，选取了Ⅲ、Ⅳ和V 级（长度分别为80 m、186.5 m 和250 m）3 种围岩作为试验段，总长度925 m，施工时间为2012 年7-9 月，岩性为白云质灰岩，中风化层节理裂隙较发育，岩体较破碎，RQD 为50％～70％，岩石质量较差，饱和抗压强度为49.93～71.84 MPa，属较硬岩～坚硬岩，白云质灰岩及安山玄武岩裂隙较发育，地下水丰富。隧道净断面为3.8 m×3.8 m（宽×高），直墙圆弧拱形，支护结构原设计为复合式衬砌（表1）。按照BARTON 等人[6]提出的Q 系统法，初步确定试验段的支护参数，其中V 级围岩的支护为钢纤维喷混凝土+系统锚杆+喷混凝土（厚度12～15 cm）。

    考虑到管道隧道断面小（跨度不大于5 m），根据相关计算表明，直墙圆弧拱形断面的隧道结构以受压为主，试验段地质为较硬的白云岩，拟采用湿喷素混凝土；同时考虑到喷层与围岩、喷层与喷层之间的密贴和粘结性以及结构个别部位的受拉状态（拱脚外侧），喷锚支护考虑施加一层或双层钢筋网，V 级围岩设置纵向钢架。因此，在挪威法的基础上，结合油气管道隧道的断面特点以及国内外喷锚单层衬砌的支护参数应用情况，最终确定本试验段的支护参数（表2）。
    2.1计算分析
    根据试验段几何断面、支护参数和围岩的物理力学参数，经有限元计算分析，可得隧道围岩的位移及支护结构的内力（图1、图2，“＋”表示受拉，“－”表示受压）。

    整个隧道断面喷射混凝土第一主应力极值为2.6×10-3 MPa，满足C30 喷射混凝土抗拉设计强度1.5 MPa 的要求；拱脚部位外侧喷射混凝土第三主应力较大，最大值为-1.6 MPa，满足C30 喷射混凝土抗压设计强度15 MPa 的要求。喷锚衬砌围岩位移及支护结构受力均较小，满足规范[4]规定的材料强度，支护结构具有一定的安全储备（表3）。
    2.2　试验段喷锚衬砌施作及其性能
    2.2.1　施工工艺
    20 世纪90 年代，国外开发了一种新型的硫酸铝水乳液无碱速凝剂（Alkali-free accelerator，其等效Na2O 含量小于1％），无碱速凝剂在欧洲和东南亚一些国家的隧道与地下工程中得到了广泛应用[7]。在国内，使用无碱速凝剂的湿喷（简称无碱湿喷）混凝土技术也有应用，如三峡工程地下厂房（厂房的跨度大于20 m）、溪洛渡电站泄洪洞工程（隧道跨度22 m）、华电西溪河洛古电站引水隧道（5 m×4 m）、大瑞铁路大柱山隧道（6.2 m×8.8 m）等工程。与使用传统碱性速凝剂相比，使用掺量合理的无碱速凝剂湿喷混凝土具有以下优点：后期强度降强很小或不降强（无碱湿喷混凝土的28 d 强度最大损失在10％以内[7]），混凝土的密实度、抗渗等性能均和浇筑混凝土的相应性能相当，回弹也较低，无腐蚀性，与复合式衬砌相比，经济、环保等优势明显。因此本试验段施工采用无碱湿喷工艺，锚杆按常规要求施工。
    2.2.2　湿喷混凝土配合比设计
    采用FS128 液体无碱速凝剂，其具有早期强度高（1 d 强度可以达到20 MPa）、回弹小、环保（对人体皮肤无危害）、混凝土耐久性好的特点。湿喷混凝土配合比如下：水泥:碎石:砂:水:减水剂:速凝剂＝460:1219:523:198:3.68:23（单位为kg），其中水灰比0.43，砂率70％，QS400 减水剂0.8％，速凝剂5％。混凝土密度为2 400 kg/m3，塌落度21 cm。经室内实验，该配比的混凝土1 d、28 d 强度分别达到10 MPa、34 MPa。
    2.2.3　湿喷设备的选择
    目前常用的湿喷设备一般包括无机械手及行走系统的湿喷机、带机械手及行走系统的湿喷车类，其中小型湿喷机具有价格低、体积小等优势，其喷浆效率一般在2～4 m3/h，湿喷机的特点：价格低、人工喷射、操作简单、劳动强度较高、效率较低、便于维修。湿喷车生产效率高(12～30 m3/h)、移动方便，喷枪通过遥控手柄操作机械手，喷射手劳动强度低，但该类设备占用空间大，价格偏高，适宜于大断面隧道工程使用。本隧道试验段断面小（开挖断面宽度小于4.4 m），经比选，采用国产小型湿喷机成都岩峰TK600，额定功率为5.5 kW、喷浆效率为6 m3/h。
    2.2.4　喷锚衬砌的施作
    （1）搅拌和输送混凝土。混凝土必须严格按照设计配合比配置，减水剂必须严格按照规定数量添加。拌合过程按常规操作，拌合时间不得低于2 min，以使集料充分拌合均匀；拌和前，应按混凝土配合比要求，对水泥、水和各种集料的用量准确调试后（特别应根据天气变化情况，测定砂石材料的含水量，以调整拌制时的实际用水量），输入到自动计量的控制存储器中，经试拌检验无误，再正式拌和生产。量配的精确度为：水和水泥为±1％，粗细集料为±3％。外加剂应单独计量，精确度为±2％。每一工班至少应检查两次材料量配的精确度，每作业班至少检查两次混合料的坍落度。混凝土输送采用砼罐车输送，输送必须快速，避免人为耽误。原则上混凝土拌合料从出料到使用不超过1 h，最多不得超过2 h，否则应当做废料处理，过程中严禁加水。
    （2）喷射技术要求。按要求搅拌的混凝土运至洞内，送入喷射机中，在喷头处按水泥重量的3％～8％加入液态速凝剂，施喷压力取0.45～0.7 MPa。喷射施工应当分层分部按顺序进行，第二次喷射待前次喷射后变形稳定后进行。喷射顺序先下后上，对称进行。第一次喷混凝土厚度为4 cm，喷后要平整圆顺。根据设计厚度分层喷射，分层厚度控制在7～8 cm，最大不超过10 cm。喷嘴需对受喷岩面作均匀的顺时针螺旋转动，或采用S 形往返移动前进。喷嘴和岩面的距离宜为l m，喷嘴与受喷面宜垂直。喷射混凝土厚度控制可采用埋设标桩等方法来控制喷射混凝土厚度，也可在施工中用插扦子的办法随时检查喷层厚度。
    （3）喷锚施工的顺序和喷混凝土的养护。一般情况下，先初喷混凝土、再施作锚杆、钢筋网和钢拱架，之后再分层复喷至设计厚度。为控制衬砌表面的干燥收缩，喷射后应喷水养护，每隔6 h 喷一次水，连续养护14 d 左右。
    （4）变形监测。试验段施工期间，喷射完成后，进行拱顶下沉和水平收敛的量测，变形最大处的最后两次的观测结果为：拱顶下沉分别为6.73 mm 和6.80 mm，拱脚收敛分别为6.87 mm 和6.90 mm，变形速率明显下降，且隧道收敛速率达到0.2 mm/d 的时间为7～10 d，此时隧道收敛位移相对值已达到相对总位移量的90％以上，变形速率逐渐趋于零，隧道围岩和支护变形已达到稳定状态。
    2.2.5　喷锚衬砌的性能检验
    通过钻芯取样（高10 cm，直径70 mm），测试了湿喷混凝土的抗压强度，28 d 抗压强度最低为30.7 MPa，最高为35.9 MPa，强度等级达到C30。
    通过一年多的观测，无碱湿喷衬砌具有较好的抗渗性及防水效果，整个试验段未见渗漏、湿渍，达到规范[8]规定的二级防水标准；同时未发现衬砌表面干燥缩裂缝。
    试验段喷射混凝土添加无碱速凝剂减弱了碱-骨料反应，密实性也得到改善；采用钢架地段的喷射厚度足以保证钢架内外侧的保护层厚度；试验段隧道场区内环境水对混凝土和钢结构的腐蚀性级别为微弱。经综合分析和检验，试验段喷锚衬砌结构耐久性符合规定要求。
    2.3喷锚衬砌与复合式衬砌的经济、工期比较
    对比试验段Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩的喷锚衬砌费用和复合式衬砌费用（表4），在不计工效节约和回弹量降低的前提下，Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩采用湿喷法的喷锚衬砌相比复合式衬砌，工程造价分别减少1 174.9 元/m、389.6 元/m 和1 150.3 元/m，即每米造价分别节省了约40.6％、8.0％和12.0％，经济优势明显。

    管道隧道复合式衬砌的二衬施工时长一般为2～4个月（模筑二衬平均进度16～24 m/d，长1.5 km 的隧道二衬施工时长约为90 d），采用喷锚衬砌可以节约时间，缩短综合工期。
    3·结论与建议
    采用添加无碱速凝剂的（湿喷混凝土+锚杆+挂网+钢架等组合形式）喷锚衬砌支护技术能较好解决承载和耐久性等问题，较复合式衬砌更为经济、工效也较高，施工过程中衬砌及时跟进，提高了施工安全性，同时具有工期优势。因此，在适宜的地质（III、IV 级和地下水较不发育的V 级围岩）条件下，喷锚衬砌是油气管道小断面隧道的首选支护结构型式。今后还应进行湿喷素混凝土和纤维混凝土喷锚衬砌技术在软质岩和地质破碎带地段的对比性应用研究。