松散堆積土覆蓋層中隧洞超前管棚的施工

鄭漢森

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概況

寧波市象山供水（白溪水庫等引水）工程為跨行政區域的引水工程，供水對象為象山縣中心城區。引水工程干線全長48.673km，其中由福建省水利水電工程局有限公司承擔施工的隧洞工程有大雷山隧洞2號出口段1 601.78m；東山隧洞1號進口段672.92m；蔡家岙施工支洞210m。主洞的開挖洞徑為2.2m×2.8m馬蹄形，襯后為D2.2m圓形。支洞斷面為4.5m×3.5m城門洞型，直墻段高2.3m，洞頂為R=2.71m圓弧段，中心角112.3°，洞口底高程61.0m，與主洞交界處底高程41.0m，支洞底坡i=-0.128 5。

輸水隧洞沿線穿越的地層以侏羅系上統c段第一亞段（J3C-1）、第二亞段（J3C-2）為主，局部有e段（J3e）與d段（J3d）地層分布。巖性主要為玻屑凝灰巖、凝灰質礫巖、角礫玻屑弱熔結凝灰巖等。距支洞口約40m處有一條河流垂直穿過洞軸線，底高程為55.0～53.0m，上游300m處有一座小型水庫。該段地層地下水豐富，穩定性差。

2 問題的提出

在蔡家岙施工斜支洞明挖施工中，按照設計尺寸及高程開挖后，發現地質情況發生很大的變化，開挖面并未見新鮮巖層，而是松散的堆積土覆蓋層，其間夾雜大量的碎石和大孤石，穩定性極差，且地下水發育。根據地形觀察初步估計，從設計進洞口軸線點K0+210向洞內延伸約20m可能都屬于此類堆積層。因此提出增加明挖、變更進洞口和在原設計位置采取有效方式進洞3個解決方案，考慮到征地政策條件的限制，決定按照設計進洞樁號位置強行進洞。

3 施工方案的確定

總體支護原則:根據圍巖穩定程度采用“先護后挖”和“先挖后護”相結合的方案，第一步先護后挖，第二步挖后再次支護。“先護后挖”支護方案的選擇：

（1）超前錨桿支護:在未擾動而破碎的巖層，結構面裂隙發育的破碎狀巖層或松散滲水的巖層中掘進時，宜采用超前錨桿支護。

（2）超前小導管支護：在松散破碎，漿液易擴散的巖層中掘進時，宜采用小導管注漿支護。

（3）超前管棚支護：在回填土堆積層、斷層破碎帶地層中掘進時，宜采用管棚支護。

本工程洞口進洞段屬于堆積土，選擇第三種管棚支護方案進行支護。在洞內開挖遇破碎巖層時采用第一種和第二種方法支護。明挖施工完成后先進行洞臉處理并澆筑長度為5m的鋼筋混凝土明洞，在設計開挖線以外20cm處，進行隧洞超前管棚施工，管棚施工結束后進行隧洞開挖。

4 超前管棚設計

為確保施工過程中的安全，鋼管采用φ76熱軋無縫鋼管，壁厚6.0mm。鋼管節長為6.0m和4.0m兩種規格，絲扣連接，單根鋼管總長20m（未包括連接絲扣）。自兩側起拱部位開始布置孔位，環向間距30cm。鉆孔方向與洞軸線呈3°交角，偏向洞外。鉆孔施工誤差：隧洞徑向不大于20cm，同一斷面內鋼管接頭小于50％，相鄰鋼管接頭要相距大于100cm。鋼管總根數22根，共計440m。

5 超前管棚施工工藝

超前管棚施工藝流程：導向拱－鉆機就位－鉆孔－安裝鋼管－（鋼管加工）－注漿。

5.1 導向拱施工

導向拱是控制鉆孔方向，保證鉆孔精度的手段。導向拱結構型式為三榀鋼筋拱架立于已澆筑完成的鋼筋混凝土明洞頂上并與預留鋼筋焊牢，拱架間使用φ22鋼筋連接。拱架架立完成后，進行導向管的安裝，導向管距隧洞開挖線20cm。導向管使用φ108薄壁鋼管，管長4.0～5.0m，開嵌入洞臉邊坡10cm以上。導向管使用經緯儀測定方向，并控制好兩端的底高程，現場焊接在鋼拱架上。

5.2 鉆機就位與鉆孔

使用鋼管架搭成作業平臺，將LF100型快速鉆機安放固定在平臺上，連接管路，接通電源。由于該地段地層松軟，為了減少成孔難度，避免坍孔，采用水循環跟管鉆進。開孔時鉆機速度要慢，壓力要小，根據地層及鉆機情況隨時調整鉆壓及鉆速，以保證成孔的偏斜度，發現偏斜超過要求及時糾正。鉆進中如遇異常情況，應立即停鉆查明原因。

5.3 安裝鋼管

鋼管按要求進行加工，加工時首根鋼管的端部加工成錐型。為保證漿液在各斷面比較均勻分布，按間隔布置一定數量的鋼花管。鋼花管的出漿孔，要根據實際地質情況確定其孔徑、孔距，一般孔徑10.0～15.0mm，孔距100.0mm，梅花形布置。

成孔后，把事先加工好的鋼管，以內外絲相連接，逐根頂入孔內，要求管間絲扣連接牢固，相鄰兩根管絲扣位置錯開至少1.0m，每個斷面上絲扣總和小于50％。具體施工時，要先進行鋼花管施工，注漿后再打普通鋼管。普通鋼管孔可以作為檢查孔檢查注漿質量。準確控制鉆機立軸方向，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進一根鋼管。

5.4 注 漿

每完成一根鋼管，即開始進行注漿施工。注漿使用JZB-2型擠壓式注漿泵。注漿液采用孔內循環分段注漿，分段長度一般取5.0～8.0m。漿液配合比根據實際地質情況確定，一般采用0.8∶1，1∶1、1.5∶1等3個比級。水泥使用普通硅酸鹽或硅酸鹽水泥，標號不小于42.5R。在水泥漿中摻入5％～8％水玻璃作為阻水速凝劑，水玻璃濃度35玻美度，模數2.4。注漿擴散半徑不小于0.8m。注漿壓力也要根據實際地層情況。出口施工時，由于上覆蓋薄，在0～8m內，壓力控制在0.1～0.2MPa；8～20m內，壓力控制在0.2～0.5MPa。注漿結束標準：在規定壓力下，吃漿量小于0.1L/min，持壓10min即可結束。

6 隧洞施工

隧洞開挖施工采用新奧法，按“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的原則進行。

由于堆積土層較松軟，隧洞的開挖以人工為主，并輔以ZL-50型號裝載機挖掘、出碴。采用全斷面開挖方法，每循環開挖進尺嚴格控制在0.6m以內。自開始進洞，每隔0.5m布置一榀槽鋼拱架，拱架底部為200mm×200mm×5mm鋼板。在設置拱架部位，加打φ22錨桿，錨桿間距1.0m，L=3.0m，兩榀拱架之間使用φ22@200鋼筋縱向連接。支承結構完成后，邊頂拱素噴混凝土15cm進行封閉，陽拱底板澆40cm厚鋼筋混凝土。每完成5m洞挖及支護作業，進行永久混凝土襯砌。在開挖過程中，如遇拱部鋼管露出，使用φ22鋼筋把鋼筋拱架和鋼管焊成一體。

7 施工中應注意的問題和采取的措施

（1）采用超前管棚進行施工，保證要有一定的仰角，以防止鋼管形變侵占隧洞開挖時的設計斷面。

（2）在隧洞開挖和支護中，要使鋼管的間距盡量達到最小，并且及時進行臨時支護。對漏水較大的隧洞，要使用現澆混凝土封閉頂拱。

（3）在施工過程中，要加強對隧洞洞線及斷面的量測工作，同時，在鋼管內安裝應力應變儀，量測鋼管的應力應變，在保證施工作業安全的情況下，可以適時地改變鋼拱架支承的間距，降低工程成本。

（4）采用鉆、沖結合法造孔，比較完整的巖石硬度較強段采用沖擊法，巖石較破碎地段采用旋轉法，取出巖芯。如遇巖石破碎造孔難度大的地段，采用套管護孔，長短套管結合推進，工作結束后再撥出套管。由于土層松散，當鉆孔過程中局部產生塌孔時，宜采用鋼管代替鉆桿，其前端焊接鉆頭鉆孔，鉆頭與鋼管鉆進后不取出，作為管棚鋼管，直接進行注漿。

（5）應加強支護的施工監測和施工時的地表監測。洞口應設置與施工的監測相結合的位移安全監測點，監測地表下沉及邊坡穩定情況。在鋼支撐外側設定監測點，根據新奧法施工特點，通過信息反饋及時確定和修改支護系數，確定是否加強支護，選擇加強支護和后續襯砌的時間。

（6）在鉆孔過程中，應及時測量鉆孔方位，每次測量的方位孔，其桿偏差不應超過1％。當鉆孔偏斜率超過允許偏差時，應在孔內注入水泥砂漿，并待水泥砂漿的強度達到10MPa后，方可重新鉆孔，并經檢查其位置、方向、深度、角度均符合要求后方可進行注漿施工。

8 結語

超前管棚對堆積土覆蓋層等地質條件差的隧洞工程有較好的適用性。但畢竟投入大、成本高、施工進度慢。因此，要根據工程的實際情況及地面建筑物的要求，確定是否采用超前管棚施工方案。