齊岳山隧道無工作室管棚施工技術及應用

柳長奔

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北省利川市境內,全長10 528 m,洞身最大埋深670 m,被列為宜萬鐵路重點控制性工程。隧道集復雜巖溶、破碎斷層、高壓富水、高地應力及瓦斯等復雜地質于一體。區內發育15條斷層和3條暗河系統。其中位于德勝場槽谷段的F11斷層沿隧道縱向長約254 m,規模宏大,巖體破碎,成分復雜,膠結性差,富含裂隙水。隧道正常涌水量1.1萬m3/d,最大涌水量11.4萬m3/d,施工中最大單孔涌水量為1 800 m3/d,正常水壓2.5 MPa,最高水壓達 2.8 MPa。施工難度大、風險高,實屬罕見,受到國內外工程界的高度重視。

為攻克這一世界級難題,施工單位依靠“注漿加固,分水降壓,平導先行,帶水作業”的科學理論,利用無工作室超前大管棚施工技術,配合全斷面加固注漿立體支護體系,突破F11斷層瓶頸,成功穿越F11斷層復雜地質,順利實現了隧道全面貫通。實踐表明,實施無工作室管棚施工技術,投入少,進度快,質量安全可靠性高。

2 無工作室管棚

2.1 工藝流程

工藝流程見圖1。

2.2 質量控制要點

2.2.1 管棚孔定位控制

常規管棚法開孔孔位位于管棚工作室,即初支輪廓線外1 m范圍內,而無工作室管棚開孔孔位位于初支輪廓線內(一般40 cm左右)。其施作要點:1)測定管棚孔位。先根據設計要求放開挖輪廓線,然后用經緯儀以坐標法沿初支輪廓線內一定距離布設管棚孔,要求管棚中心線弧形圓順,布點均勻符合要求。2)開孔鉆進安裝導向管。常規法一般采用管棚導向架定位,即先按施工斷面加工鋼架管棚導向架,再將導向管按要求間距和角度固定在導向架上。對于大斷面隧道,施工較為困難,角度準確性難以控制,且容易失穩。而無工作室管棚工藝采用導向管直接安裝在止漿墻上,通過在止漿墻上布點鉆孔,安裝導向管,操作簡單,角度易于掌握。但應注意導向管嵌入深度及錨固穩固、角度正確,其嵌入止漿墻深度一般不應小于1.5 m?？刹捎寐榻z將導向管纏成紡錘形,通過鉆孔內灌注速凝劑利用鉆機頂進導向管,或用快硬水泥注漿加固。無工作室管棚斷面見圖2。

2.2.2 鉆孔施工控制

鉆進施工嚴格把握孔深、方向、傾斜角三大要素。

1)鉆孔前用羅盤、經緯儀及掛線相結合的方法,對鉆機精調,確保鉆孔角度及開、終孔坐標符合設計要求。同時考慮鉆進中鉆頭下撓因素的下墜值及圍巖軟硬不均造成鉆桿截面受力偏心導致的孔位偏移,適當調整外插角,確保達到最佳圓順成拱效應?？孜豢砂凑战^對坐標法布設。其外插角、孔深及終孔坐標位置通過如下公式計算求得:設開孔坐標為 BO(X1,Y1,Z1),終孔坐標為B(X2,Y2,Z2),則:

BOB長度:L=

平面角:θ=arctg(X2-X1)/(Z2-Z1)。

仰角:ψ=arctg(Y2-Y1)/L′。

注:以面向掌子面內軌頂面線向右為X軸正向,隧道中線向上為Y軸正向,其交點為坐標原點,掘進方向為Z軸正向。

2)鉆進中及時檢查,隨時糾偏。一般要求每孔檢查不少于三次,即初始鉆進1 m～2 m,孔深1/2及終孔后各檢查一次,如偏差嚴重,注漿封堵,重新鉆孔。

3)鉆進中如遇卡鉆、塌孔等鉆進困難或有大的涌出水時應立即進行注漿封堵后重新掃孔鉆進,防止因管棚鉆孔導水致使掌子面失穩或突水突泥(石)災害。

2.2.3 管棚頂進控制

無工作室管棚開孔位于開挖輪廓線內,外插角一般在5°～8°(具體根據設計支護范圍適當調整),掌子面前方圍巖一定范圍內管棚侵入開挖輪廓線內,因此要求:1)根據管棚施工實際,精確計算并準確將侵入開挖范圍內的管棚推向開挖輪廓線外。2)為確保管棚頂進順利,操作便利,對最后一節管棚末端加工成十字形凹榫,利用安裝在鉆桿前端與管棚同孔徑、與凹榫相吻合的頂進器,通過鉆機推力頂入孔內,到達開挖輪廓線外。3)管棚設計及施工充分考慮與上循環超前大管棚的縱向搭接長度,確保預支護縱向整體受力,形成隧道拱頂部的整體支護體系。

2.2.4 作業斷面優化

常規管棚法施工及帷幕注漿一般采用全斷面開挖到位后,通過搭設作業臺架進行施工,存在工序多,進度慢,質量安全難于確保。齊岳山隧道超前管棚施工對作業斷面進行創新,采用上臺階式作業,實施對前方圍巖一次性全斷面注漿和對拱頂部管棚施工,同時根據鉆機最佳鉆進作業范圍,對工作斷面合理優化,確保了施工質量及安全,減少搭設臺架工序,提高了工效。

3 應用效果

3.1 技術指標分析

常規管棚施工由于作業斷面大,加之斷面均為突變式挑頂,必須選擇巖層均勻、整體性較好的圍巖穩定段擴挖,對軟弱破碎圍巖段視情況增強支護措施,如鋼架加密支護或施作混凝土襯砌處理方能確保安全,施工具有局限性。再者工作室為突變式挑頂,結構整體受力不勻,應力集中,隧道結構安全性受到一定影響。而采用無工作室管棚技術相對靈活性強,質量安全保障性高。

3.2 經濟指標分析

1)無工作室管棚技術工藝簡單,操作便利,減少了工作室擴挖、回填及與正常段相銜接的過渡段施工,受多工序轉換影響干擾少,工作效率高。實踐證明,工效較前提高60%～80%。2)成本投入低。正洞管棚工作室設計段長6 m,拱墻部位擴挖至正常段開挖輪廓線外1 m。經比較,齊岳山隧道F11斷層k1.5加強型復合式襯砌斷面最大高度11.15 m,寬9.48 m,開挖斷面84.54 m2,而管棚工作室斷面最大高度12.38 m,寬11.39 m,開挖斷面109.57 m2,每延米增加開挖和回填襯砌混凝土約25 m3,每循環工作室增加開挖石方及混凝土回填量150 m3。F11斷層正洞共施工超前大管棚11循環,減少石方開挖和混凝土回填量達1 650 m3。

4 結語

實踐證明,齊岳山隧道采用無工作室管棚施工技術不僅確保了施工質量和安全,而且加快了施工進度,降低了施工成本,取得了較好的效果,具有一定的推廣和應用價值,但由于該工藝尚處于運行初期,仍存有諸多不完善之處,有待不斷改進、提高。

[1] 張民慶,彭 峰.地下工程注漿技術[M].北京:地質出版社,2008.