蝴蝶谷隧道淺埋偏壓段長大管棚施工技術(shù)

程建軍

在隧道施工中,常會遇到自穩(wěn)性較差的軟弱破碎圍巖、偏壓嚴(yán)重地段,在開挖前,常采用長大管棚超前支護作為輔助施工方法與穩(wěn)定措施,以便洞身施工時能夠保證圍巖穩(wěn)定,確保隧道安全、優(yōu)質(zhì)、快速的施工。張石公路化稍營—蔚縣段高速公路蝴蝶谷隧道在設(shè)計施工中就采用了長管棚技術(shù)對圍巖進行預(yù)先處理,從而使隧道開挖順利進行,保證了施工安全、進度和質(zhì)量。

1 工程概況

蝴蝶谷隧道位于河北蔚縣城南30 km的飛狐峪風(fēng)景區(qū),設(shè)計為雙向分離式四車道結(jié)構(gòu)短隧道,左線全長334 m,右線全長102 m,全隧道按新奧法原理設(shè)計和施工,左洞進口淺埋偏壓段最薄覆蓋層為3.75 m,右洞進口淺埋偏壓段最薄覆蓋層為3.1 m,工程地質(zhì)狀況分別在洞口60 m和31 m的范圍內(nèi)為第四系松散碎石土,極易坍塌,洞口穩(wěn)定性極差,在雨季下暴雨還容易造成滑塌,設(shè)計在洞口段采用30 m管棚進行超前支護。

2 管棚工藝原理及參數(shù)

2.1 管棚工藝原理

從隧道洞口沿開挖輪廓外緣以1°～3°外插角打入一排縱向鋼管,插入鋼管后,再通過管內(nèi)注漿孔注入水泥漿,以固結(jié)軟弱圍巖、充填鋼管與孔壁之間的空隙,使管棚與圍巖固結(jié)緊密,并用水泥砂漿充填鋼管,以增加鋼管剛度。開挖后架設(shè)鋼拱架,這樣利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐,構(gòu)成整體剛度較大的棚狀支護結(jié)構(gòu),阻止和限制圍巖變形,增加圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 管棚參數(shù)

1)鋼管布設(shè)在圓心角為118°的隧道拱部;2)鋼管環(huán)向間距為40 cm;3)管心與襯砌設(shè)計外輪廓線間距為25 cm;4)傾角:仰角1°(不包括路線縱坡);5)管棚長度為 30 m,采用φ 89 mm的熱軋無縫鋼管,壁厚5 mm,管節(jié)長度 4 m～6 m;6)孔口導(dǎo)向管為φ 108 mm的無縫鋼管,壁厚6 mm,管節(jié)長度2 m。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→開挖支護明洞邊、仰坡→施作套拱→搭設(shè)鉆孔平臺、安裝鉆機→鉆設(shè)管棚孔→清孔和驗孔→安裝管棚鋼管→注入水泥漿。

3.2 施工要點

3.2.1 明洞邊、仰坡的開挖支護

1)隧道明洞邊、仰坡處理應(yīng)遵循“早進晚出”的施工原則,盡量少破壞山體植被,特別是處于風(fēng)景區(qū)內(nèi)必須注意做好此項工作;2)在明洞邊、仰坡開挖之前,必須先完成洞頂截水溝的施工;3)邊、仰坡開挖一定要一次到位,并進行錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土的施工,邊、仰坡必須封閉密實堅固,防止雨水滲入邊、仰坡內(nèi)。

3.2.2 施作套拱

1)在明暗交界地段開挖輪廓線之外施作C25混凝土拱作為長管棚的導(dǎo)向墻,套拱內(nèi)埋設(shè)4榀Ⅰ16工字型鋼拱架作為支撐,將導(dǎo)向管按40 cm間距布設(shè)與鋼拱架焊成整體;2)導(dǎo)向管安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的精確度直接影響管棚施工質(zhì)量,導(dǎo)向管必須準(zhǔn)確測量放樣定位,使導(dǎo)向管軸線與管棚設(shè)計軸線相吻合。導(dǎo)向管還必須與鋼拱架焊接穩(wěn)固牢靠,保證澆筑時不產(chǎn)生位移。

3.2.3 搭設(shè)鉆孔平臺、安裝鉆機

1)在所開挖的工作面上,采用鋼管腳手架、型鋼或枕木搭設(shè)鉆孔作業(yè)平臺,作業(yè)平臺應(yīng)根據(jù)管棚在隧道拱頂及拱腳部位處的設(shè)計尺寸和鉆機作業(yè)高度要求一次性搭設(shè)好;2)作業(yè)平臺必須支撐在實地上,必須連接牢固、穩(wěn)定,以防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生擺動、不均勻下沉、傾斜等影響鉆孔質(zhì)量的情況;3)鉆機就位:鉆機安置的位置距工作面的距離以不小于2 m為宜。鉆機安置后,要求鉆桿必須與設(shè)定好的孔口導(dǎo)向管方向平行,通過鉆桿穿過套拱上的孔口導(dǎo)向管和掛線相結(jié)合的方法,反復(fù)調(diào)整,精確核定鉆機位置,確保鉆機鉆桿軸線與孔口導(dǎo)向管軸線相吻合。

3.2.4 鉆孔

1)為保證鉆孔方向,鉆孔前要由測量工程師準(zhǔn)確定出鉆孔位置;2)為了便于安裝鋼管,鉆孔直徑要比管棚外徑大15 mm～20 mm,孔深要大于管長0.5 m以上;3)使用兩臺電動鉆機施鉆,從高孔位向低孔位對稱進行,經(jīng)過幾次接桿完成長管棚鉆孔,鉆孔時隨著孔深的增長,要對回轉(zhuǎn)扭矩、沖擊力和推力進行控制和協(xié)調(diào),特別是推力要嚴(yán)格控制;4)鉆機開鉆時鉆速宜低,可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速和風(fēng)壓,鉆深20 cm后轉(zhuǎn)入正常鉆速;5)為防止鉆桿在推力和振動力的雙重作用下,上下顫動,導(dǎo)致鉆孔不直,鉆孔時,應(yīng)把扶直器套在鉆桿上,隨鉆桿鉆進向前平移;6)在鉆進中出現(xiàn)坍孔、卡鉆情況時,要進行注漿后再施鉆;7)在鉆進時要注意做好對鉆具、套管及鉆桿接頭的檢查,以保證鉆孔順利;8)在鉆進過程中要用測斜儀檢測鉆孔位置,并根據(jù)鉆機鉆進的情況及時判斷成孔質(zhì)量,并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的問題;9)認(rèn)真做好鉆進過程的原始記錄,及時對鉆出的巖屑進行地質(zhì)判斷、描述,可作為開挖洞身的地質(zhì)超前預(yù)報,為指導(dǎo)洞身開挖提供依據(jù)。

3.2.5 清孔驗孔

1)用長度不小于2.5 m的φ 100 mm的巖芯鉆桿進行來回掃孔,以清除孔內(nèi)碎渣和順孔,確保孔徑、孔深符合要求,防止堵孔;2)用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣;3)用測斜儀、全站儀等檢測孔深、傾角和外插角。

3.2.6 安裝管棚鋼管

1)管棚管口段2 m不開孔,其余部分按15 cm間距交錯設(shè)置孔徑為10 mm的注漿孔,管頭焊成圓錐形,便于入孔;2)在下管前,將要頂進的鋼管節(jié)搭配到設(shè)計長度并試拼接,并做好記錄,以保證同一斷面內(nèi)的鋼管接頭數(shù)不大于50%,相鄰鋼管的接頭至少錯開1 m。鋼管接頭采用絲扣連接,絲扣長15 cm,絲扣要上滿,確保連接可靠,接長鋼管要滿足受力要求,為保證相鄰鋼管接頭相互前后錯開,將編號為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3 m鋼管,編號為偶數(shù)的第一節(jié)鋼管采用6 m鋼管,以后每節(jié)均采用6 m鋼管;3)鋼管安裝前期,用人工送管,當(dāng)阻力增大、人力無法送進時,利用鉆機的沖擊力和推力低速頂進鋼管,其沖擊力控制在18 MPa～22 MPa,推力控制在4 MPa～6 MPa。

3.2.7 注入水泥漿

1)每完成一孔管棚的安裝后,即對孔內(nèi)注漿,根據(jù)設(shè)計采用水泥漿,水灰比為1∶1;2)采用BW-250/50型液壓注漿機壓注水泥漿,注漿前應(yīng)先進行現(xiàn)場運轉(zhuǎn)試驗,保證注漿順利進行,考慮到巖層裂隙阻力,注漿壓力取初壓 0.5 MPa～1.0 MPa,終壓1.5 MPa～2.5 MPa,施工時,注漿壓力按分級升壓法控制;3)以最終注漿量和達到設(shè)計壓力的持續(xù)時間作為注漿達到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的控制指標(biāo)。設(shè)計規(guī)定注漿量為鉆孔圓柱體的5倍,若注漿量達到規(guī)定量,未達到壓力要求,應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿,直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙都被漿液充填;注漿壓力達到設(shè)計終壓,持壓約15 min后停止注漿;4)注漿結(jié)束后及時用清水清洗管棚內(nèi)漿液,然后用30號水泥砂漿緊密填充,以增強管棚的剛度和強度。

4 質(zhì)量控制要點

1)套拱鋼拱架安裝要精確,其垂直度誤差控制在±2°,平面及高程誤差控制在±5 cm,在鉆孔前,要精確測頂管棚位置、傾角及外插角,并對每個孔進行編號;2)嚴(yán)格控制鉆孔平面位置,以確保管棚孔不侵入隧道開挖輪廓線及相鄰的管孔不得相交為標(biāo)準(zhǔn);3)經(jīng)常量測鉆孔的傾角和外插角,發(fā)現(xiàn)誤差超限要及時糾正,糾正不了的要注漿原位重鉆。

5 結(jié)語

對于隧道洞口的淺埋偏壓、軟弱破碎圍巖地段采用長大管棚施工工藝,可以起到超前支護作用,提高了隧道的整體穩(wěn)定性,增加了施工安全度,在管棚支護下進行隧道開挖,可有效防止地表下沉和圍巖坍塌,同時,管棚鉆孔施工的地質(zhì)資料可為指導(dǎo)洞身開挖提供依據(jù),極大地保證了隧道施工的順利進行。