談無工作室大管棚在膨脹土隧道施工中的應用

馮世彪

(山西太興鐵路有限責任公司，山西太原 030013)

1 工程概況

小河溝隧道位于山西省太原市婁煩縣，該段為黃土梁、峁地貌，山峰相連，沖溝發育，多呈“V”字形，出露標高約1 266 m～1 170 m，相對高差約96 m。地表多為種植土，出露巨厚的第四系上更新統風積沖積形成的砂質黃土;在地表下20 m～60 m為膨脹土，膨脹潛勢等級為弱，在勘探深度內，未發現地下水。隧道起止里程為DK73+754～DK75+557，為全長1 803 m的雙線隧道，最大埋深約82 m。

2 工程地質及水文地質條件

1)地形地貌。小河溝隧道所處地段主要為黃土梁、峁地貌，山峰相連，沖溝發育，多呈“V”字形。地面高程1 164 m～1 269.6 m，最大高差約160 m，其中里程DK75+557～DK75+250為黃土梁地貌，DK75+250～DK75+000為一沖溝，左岸為一老滑坡，DK75+000～DK74+150為黃土峁地貌，DK74+150～DK73+754為黃土斜坡，整體坡度約45°，右側有一沖溝。2)地層巖性。小河溝隧道隧址區主要地層有第四系上更新統風積沖積形成的砂質黃土、粘質黃土、第三系(N)膨脹土。a.砂質黃土黃褐色，松散～密實，稍濕，成分以砂質黃土為主，層厚大于50 m。b.膨脹土(N):棕紅色，硬塑，結構致密，呈菱形狀，土內分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發育，由細膩的膠體顆粒組成，局部夾鈣質結核，斷口光滑，膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土，承載力為σ0=150 kPa～200 kPa，該層位于地表下20 m～60 m，層頂地形坡度平緩，坡度小于12°，無明顯的自然陡坎，膨脹潛勢等級為弱，隧道洞身開挖后根據膨脹土的自由膨脹率判定為強膨脹潛勢。3)水文地質條件。勘探范圍內無地表及地下水，勘察深度范圍內無統一穩定水位，DK75+058～DK75+090段為人工開挖的深溝，有上層滯水、裂隙水，隧道洞身開挖后裂隙水發育，土質含水量較大。

3 工程地質評價

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，其工程特性極不穩定。一般來講含水量較少的膨脹土，膨脹土強度很高，但遇水后強度降低速率較快，穩定性較差，從而導致結構發生破壞可能性較大。反之，含水量較高的膨脹土，由于大部分膨脹已經完成，進一步膨脹將不會很大。但應注意的是，在水位下降或暴露于地表時，易發生失水收縮性，其強度變化對結構也極為不利。小河溝隧道所經膨脹地層具有很高的膨脹潛勢，雨水下滲至膨脹土層，膨脹土遇水產生垂直和水平兩個方向的體積膨脹，圍巖變化速率急劇。

4 塌方情況及原因分析

小河溝隧道出口2011年7月31日由于暴雨，雨水下滲至膨脹土使其遇水膨脹強度發生變化，導致隧道初支發生變形，出現拱頂下沉和水平收斂急劇變化，導致DK75+193～DK75+262.7段山體發生滑移、坍陷，隧道初支被破壞，土體侵入、掩埋隧道。

5 大管棚施作方案比選

小河溝隧道滑塌發生后，項目部組織專家論證會兩次，專家們實地踏勘，并及時指出小河溝隧道塌方段進洞措施，先對滑塌段進行超前大管棚支護加固，穩定圍巖。針對現場情況，現有施作管棚技術有兩種:一是普通施作管棚法及有工作室施作管棚，二是由專業管棚機施作及無工作室施作大管棚，由于對坍塌體了解情況不明，如果采用有工作室施作管棚對施工及安全不利，當務之急項目部決定采用金星9000專業管棚機施作及無工作室施作管棚，及時對管棚進行注漿，目的是對圍巖起加固作用。

6 無工作室大管棚施作

1)無工作室大管棚施作方案:為更好地固結塌方影響范圍內松散土體，在里程DK75+262～DK75+193段加設超前大管棚支護，采用專業鉆孔機金星9000鉆孔，該段初支預留變形量取70 cm，依托1榀Ⅰ25a的鋼架采取無工作室管棚施工。采用φ108超前大管棚，長15 m，環向間距40 cm，外插角1°～3°，31根并及時注漿。

2)施工技術要點。a.施工工序與步驟。開挖一榀拱架間距→立帶有鉆孔的Ⅰ25工字鋼→C25混凝土封閉鋼架上→修筑鉆孔機操作平臺→鉆孔→裝管→安裝止漿閥→施作止漿墻→管棚注漿。b.大管棚與預注漿。第一，管棚參數。鉆孔仰角1°～3°，鉆孔孔徑135，管棚間距30 cm，管棚長度15 m，采用φ108(厚6 mm)無縫鋼管，共計31根管棚，鋼管前端20 cm做成尖錐狀，尾部2 m設止漿段，尾口設止漿塞、止漿閥。溢漿孔直徑10 mm、間距15 cm，梅花形布置。第二，管棚注漿。注漿材料采用雙液漿，雙液漿∶水泥漿(W∶C)=0.8∶1 ～1.5∶1，水玻璃漿35 Be'，C∶S=1∶1 ～1∶0.7，注漿終壓0 MPa～7 MPa，注漿原則:從下往上，間隔跳孔注漿，以加強鋼管的剛度。

7 技術難點與關鍵

1)鉆孔時鉆孔機就位，由于圍巖土體松散，鉆孔機本身角度不能自由調節，只能靠加固土體，牢固穩定的基礎才能為鉆孔機施作準確的角度提供有利條件，加固基礎是施作管棚的關鍵技術。2)塌方體內圍巖是膨脹土，膨脹土含有豐富的蒙脫石與漿石，且膨脹土長期在水的作用下，失去粘性，無強度，基本呈流塑狀態，大管棚施鉆困難，成孔性差、容易卡鉆、下管難度大。這些問題的解決直接關系到15 m管棚的安裝成功率和注漿的效果，也是管棚施作的難點所在。3)塌方體松散度大，且在塌方段存在二襯臺車空腔段，初支空腔段等。由于注漿區域廣而連通性好，因此必須對注漿順序及注漿工藝進行詳細計劃，以防止漿液向空腔地區擴散，控制注漿量，盡量以最小的注漿量獲得最好的注漿效果。

8 主要技術措施

1)鉆頭革新。專業鉆孔機結合空壓機采用孔徑為135的沖擊鉆對膨脹土隧道施工，由于對現場情況調查不清楚，膨脹土在水的作用下，失去粘性，基本呈流塑狀態，又加塌方體坍碴情況比較復雜，沖擊鉆在施作鉆孔6 m的位置卡鉆無進尺，為保證φ135管棚的順利施作，有必要對鉆頭進行改革，采用鑲有合金的三翼鉆頭，三翼鉆頭在流塑狀態下施工很順利，很快達到10 m，膨脹土中還有豐富的蒙脫石加漿石，三翼鉆頭無力，只能換沖擊鉆，在沖擊鉆和三翼鉆頭結合使用情況下，φ135鉆孔勉強鉆進14.5 m，在此期間耗費時間整整48 h，為了提高鉆進速度與質量，有必要再次對鉆頭革新，采用螺旋鉆施鉆，在螺旋鉆的施鉆下，15 m成孔只需4 h，克服了沖擊鉆與三翼鉆頭的難題，鉆孔最深可達20 m，施工事實證明，螺旋鉆為膨脹土隧道管棚成孔創造了有利的條件。2)機械配合鉆機旋轉頂管。裝管過程中，鋼管前端20 cm做成尖錐狀，采用機械配合鉆機頂推裝管，由于鋼管與成孔之間摩擦造成許多坍碴、碎石，使管壁的摩阻力加大，鉆進負荷扭矩變大，致裝管困難，同時也容易產生管接頭因推力過大而發生斷管等嚴重事故，一旦發生斷管現象，則整個管將被廢棄。根據以往經驗與現場試鉆情況，鋼管在頂推到不能掘進的里程后，在距鋼管尾部1 m的地方鉆孔，孔徑φ22。使φ22螺紋鋼穿過此孔，利用專業管棚機鉆孔底座，旋轉頂管以達到理想的裝管情況。3)總體施工工序的調整。按設計，應首先鉆孔、裝管、安裝止漿閥、施作止漿墻、注漿的順序，由于土體松散，管棚注漿量大，注漿工作時間長，管棚施工完成后不得急于開挖。為此，對施工工序進行了調整，即在管棚機鉆孔半幅完成后，及時裝管，并做止漿閥，封閉導向鋼架，施作注漿，管棚機可調轉方向進行下半幅的鉆孔掘進與裝管，但為確保已施作好的半幅管棚孔的注漿加固效果不干擾相鄰鉆孔效果，在注漿時采用由下往上、間隔跳孔注漿原則，鉆孔從上往下跳孔鉆孔，間隔裝管的原則。總體施工工序的調整為施工工期爭取了時間，同時也保證了周邊注漿加固與鉆孔的效果。

9 結語

1)采用螺旋鉆鉆孔以后，管棚施工僅用了不足6 d時間即完成15 m管棚的裝管、注漿全過程，整個管棚施工過程安全順利，為隧道施工節約了時間。這進一步驗證了螺旋鉆在膨脹土隧道無工作室管棚施工中起到很重要作用。2)根據開挖中揭示的情況，注漿固結體與管棚的共同棚架護拱作用是確保開挖順利，防止塌方繼續發展，在管棚施工中必須重視注漿對地層的改良作用。3)無工作室大管棚的施工技術為處理坍塌的膨脹土隧道提供了安全與質量保證。

［1］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術指南［S］.

［2］鐘桂彤.鐵路隧道［M］.北京：中國鐵道出版社，1990.