淺談超前管棚支護(hù)技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用機(jī)理

楊秋廷

摘要：超前管棚支護(hù)是目前隧道施工中處理軟弱、破碎與淺埋偏壓等不良圍巖地質(zhì)的一種有效施工方法。文章主要通過(guò)結(jié)合工程實(shí)例介紹分析管棚作用機(jī)理、管棚設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)及適用范圍等內(nèi)容，論證管棚施工在隧道施工中的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：隧道施工；超前管棚支護(hù)；施工工藝

隨著我國(guó)高速鐵路、公路建設(shè)的飛速發(fā)展和工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，公路等級(jí)要求的不斷提高，同時(shí)在提倡盡量少占耕地與環(huán)保的設(shè)計(jì)背景下，使得隧道工程在公路工程中的比例越來(lái)越大。而部分隧道所處地段存在地質(zhì)情況差、埋深淺、開(kāi)挖斷面大等情況，這就給隧道施工帶來(lái)了極大的難度。眾多工程實(shí)踐表明，超前管棚支護(hù)技術(shù)是克服上述情況的最為有效的輔助施工方法之一。

在不良地質(zhì)施工困難地段，如破碎的巖體、塌方體、巖堆地段、砂土質(zhì)地層、強(qiáng)膨脹地層、裂隙發(fā)育巖體、斷裂破碎帶、淺埋偏壓等圍巖，采用管棚支護(hù)能取得較好的效果；在流塑狀巖體或巖溶?chē)?yán)重流泥地段，采用管棚與圍巖預(yù)注漿相結(jié)合的手段更是行之有效的方法。本文在總結(jié)大量超前管棚應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)管棚的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)參數(shù)及施工工藝等方面進(jìn)行了綜合的探討。

一、工程概況

萬(wàn)源（陜川界）-達(dá)州（徐家壩）高速公路萬(wàn)源段的吳家河隧道，設(shè)計(jì)為分離式隧道。左線長(zhǎng)433.47m，右線長(zhǎng)500m，隧道凈寬為2×10.25m，內(nèi)輪廓凈高5.0m，兩隧道軸線間距20m。隧道所處位置屬剝蝕侵蝕中低山地，地形起伏較大，中間高兩頭低，山體侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。隧道整體設(shè)計(jì)埋深較淺其中LK34+648-LK34+780、LK34+930-LK35+058、K34+691-K34+805、K34+940-K35+175洞口段設(shè)計(jì)均為II類(lèi)淺埋偏壓加強(qiáng)圍巖，埋深在0-15m，而隧道地表坡積覆蓋層較厚就達(dá)0-12m，同時(shí)上述里程隧道均位于山體坡腳處偏壓嚴(yán)重。地表覆蓋層地質(zhì)主要為坡積碎石土，隧道部分地質(zhì)情況復(fù)雜，洞口段主要為亞粘土、碎石土；洞身圍巖主要為強(qiáng)、弱風(fēng)化鹽溶角礫巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖，巖體呈松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理面破碎夾泥質(zhì)充填物、風(fēng)化嚴(yán)重，整體性差，同時(shí)存在不良巖溶地質(zhì)。總體分析隧道地質(zhì)：淺埋、偏壓、破碎，開(kāi)挖后易失穩(wěn)，易滑塌。

二、施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工期的需要，左右線采用單向前后交錯(cuò)平行作業(yè)掘進(jìn)。洞口處偏壓嚴(yán)重，各洞口端采用長(zhǎng)22m大管棚進(jìn)行超前預(yù)注漿，加固松散地層，在開(kāi)挖面形成簿殼，整體受力，發(fā)揮拱環(huán)效應(yīng)，有效防止仰坡面失穩(wěn)，防止地表坍方、下沉，并緩解偏壓影響，解決隧道洞口開(kāi)挖的困難。超前支護(hù)圍巖后配以HK180a型鋼鋼架?chē)婂^聯(lián)合支護(hù)，在監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的指導(dǎo)下順利進(jìn)行隧道開(kāi)挖作業(yè)。

三、管棚設(shè)計(jì)

（一）管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

1、管棚棚管采用?覬108×6mm熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管導(dǎo)向端做成尖形，承壓端焊上鋼箍，管口預(yù)留2m左右止?jié){段，注漿孔按孔徑10mm，間距50cm沿孔壁呈梅花形布置。

2、管棚布置在開(kāi)挖斷面拱部120°范圍內(nèi)，環(huán)向間距為40cm，布置管棚33根。

3、鋼管長(zhǎng)度為22m，當(dāng)采用分段連接時(shí)采用4-9m，鋼管并用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)度不小于15cm。

4、鋼管沿隧道開(kāi)挖輪廓線縱向近水平外插設(shè)置，外插角為3-5°。

5、鋼管施工徑向誤差不大于20cm，沿相鄰鋼管方向不大于5cm。

6、縱向管棚水平搭接長(zhǎng)度不小于1.5m。

（二）注漿參數(shù)

1、注漿采用水灰比1:1單液水泥漿，有水地段在早期強(qiáng)度與堵水要求較高時(shí)可采用CS雙液漿。

2、注漿壓力：0.5-2Mpa。

3、止?jié){墻根據(jù)圍巖條件確定，可采用10-20cm厚噴砼封閉斷面，洞口段可直接利用套拱作為止?jié){封閉斷面設(shè)置。

4、注漿前先進(jìn)行注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況確定合理注漿參數(shù)，擴(kuò)散半徑、注漿量等。

5、單根鋼管注漿量：Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β。式中：r——鉆孔半徑，0.125／2=0.06125m；L——管棚長(zhǎng)度，考慮與套拱連接，取24m；R——為漿液擴(kuò)散半徑，取0.4m；η——地層孔隙率，經(jīng)測(cè)試為9%：α——漿液有效充填率，取0.9；β——漿液損耗系數(shù)，取1.15；單根管棚注漿量：Q=1.41m3。

四、管棚施工

大管棚超前支護(hù)工藝程序?yàn)椋ㄒ?jiàn)圖1）：施工準(zhǔn)備-套拱施工（安裝導(dǎo)向管）-搭設(shè)鉆孔平臺(tái)-安裝鉆機(jī)（確定孔位）-鉆孔-管棚安裝（封口）-管內(nèi)注漿-進(jìn)入下道工序。

（一）定向和布孔

布孔參照相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量放樣畫(huà)出管棚孔位，相鄰孔位誤差不大于5cm。管棚定向采用套拱預(yù)埋導(dǎo)向管：施工套拱，安裝導(dǎo)向管，導(dǎo)向管長(zhǎng)2m，導(dǎo)向管方向嚴(yán)格按外偏角設(shè)置并固定在鋼架上。

（二）鉆孔

1、鉆孔前先檢修鉆孔機(jī)具，確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢查水壓能否達(dá)到施工要求，鉆孔時(shí)嚴(yán)格按放樣位置開(kāi)鉆。

2、開(kāi)鉆上挑角度控制在3-5°之間，并隨時(shí)檢查角度值和鉆進(jìn)方向，以避免因鉆桿太長(zhǎng)，鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進(jìn)方向不易控制等現(xiàn)象。

3、鉆孔速度應(yīng)保持勻速，特別是鉆頭遇到夾砂土層、孤石時(shí)，控制鉆進(jìn)速度，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象或鉆偏。

4、鉆孔過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取各種措施確保成孔質(zhì)量。

（三）安裝管棚

1、鋼管提前預(yù)制加工，合理分段，并運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)。

2、成孔后及時(shí)檢查并安裝管棚鋼管，防止坍孔，鋼管逐節(jié)頂入，采用絲扣連接。

3、鋼管頂入后，將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實(shí)，并在外露端焊上法蘭盤(pán)與注漿管口連接牢固，嚴(yán)格檢查焊接強(qiáng)度和密實(shí)度。

（四）管棚注漿

1、施工準(zhǔn)備。首先檢查機(jī)械是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，管路是否通暢。確認(rèn)正常后先做壓漿試驗(yàn)，確定注漿參數(shù)無(wú)誤，正式壓漿。

2、注漿。水泥漿拌制均勻，注漿采用間隔形式進(jìn)行，過(guò)程中要隨時(shí)檢查孔口、鄰孔、其他坡面處有無(wú)串漿現(xiàn)象，如有串漿，立即停止注漿，采用錨固劑、速凝水泥砂漿等進(jìn)行封堵。

3、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。采用終壓和注漿量雙控制。以單管設(shè)計(jì)注漿量為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓不小于20min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也可結(jié)束注漿。

4、效果檢查。開(kāi)挖檢查漿液滲透及固結(jié)狀況，根據(jù)壓力漿量曲線分析判斷，沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)孔注漿，同時(shí)注漿固結(jié)12小時(shí)后才可進(jìn)行開(kāi)挖施工。

五、施工效果檢測(cè)

參照超前管棚效果檢測(cè)方法，本施工技術(shù)的支護(hù)效果的檢測(cè)從以下方面著手：首先，通過(guò)隧道現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況來(lái)看，除極少數(shù)鋼管出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，使絲扣斷裂，有沉陷外，絕大部分符合設(shè)計(jì)要求，而注漿基本達(dá)到頂預(yù)期加固目的，注漿固結(jié)體強(qiáng)度可達(dá)12.5Mpa。通過(guò)拱頂位移計(jì)（精度為0.1mm）和精密水準(zhǔn)儀及凈空水平收斂計(jì)量測(cè)管棚及所支護(hù)的圍巖下沉位移值及周邊收斂值（部分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1）發(fā)現(xiàn)，位移值并沒(méi)有出現(xiàn)隨時(shí)間急驟增長(zhǎng)現(xiàn)象，且整體最終均逐漸趨進(jìn)穩(wěn)定，控制在《公路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的容許范圍內(nèi)，說(shuō)明整體支護(hù)效果好。

六、管棚作用機(jī)理分析

根據(jù)以上施工分析管棚超前支護(hù)施工技術(shù)的作用機(jī)理在于：

（一）自然拱效應(yīng)

通過(guò)管棚注漿，使拱部開(kāi)挖線外周邊圍巖預(yù)先形成加固的保護(hù)環(huán)。而加固環(huán)發(fā)揮自然“承載拱”的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重量，使拱內(nèi)部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力，從而創(chuàng)造了理想的開(kāi)挖條件。

（二）托梁效應(yīng)

洞口管棚桿體本身在套拱及后續(xù)開(kāi)挖型鋼支護(hù)與未開(kāi)挖巖體支護(hù)下形成一自然托梁整體。一方面防止了地表下沉，另一方面將受到的圍巖壓力平均分配到洞身周?chē)蟠鬁p少了圍巖傳遞給初支的荷載。

（三）聯(lián)合支護(hù)效應(yīng)

在管棚支護(hù)、徑向中空錨桿注漿等聯(lián)合支護(hù)作用下將開(kāi)挖破壞后圍巖主要壓力自然轉(zhuǎn)移至周邊注漿加固圍巖，使隧道支護(hù)本身承受極少部分圍巖壓力，充分發(fā)揮支護(hù)與圍巖本身共同作用進(jìn)行支護(hù)來(lái)維持支護(hù)的穩(wěn)定。在淺埋地質(zhì)破碎地帶超前大管棚充分發(fā)揮了錨噴聯(lián)合支護(hù)的作用。形成整體支護(hù)，有效地保證了掘進(jìn)施工和初期支護(hù)的安全。

七、總結(jié)

吳家河隧道洞口采用超前管棚施工，已安全順利進(jìn)洞施工，進(jìn)一步說(shuō)明超前大管棚支護(hù)對(duì)于各種特殊、困難地段有足夠的可靠性能與較好的適用性，對(duì)各種不良地質(zhì)處理能夠取得良好效果。

隨著我國(guó)道路交通建設(shè)的迅速發(fā)展，隧道工程施工日益增多，在面臨不良地質(zhì)條件的隧道掘進(jìn)施工和事故處理，超前管棚支護(hù)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，也為隧道施工與其他地下工程建設(shè)提供了可貴的參考。

（作者單位：中鐵七局集團(tuán)武漢公司）