長大管棚超前支護在鐵路隧道洞口施工中的應用

王麗軍WANG Li-jun

（中鐵七局集團第三工程有限公司，西安 710032）

（The Third Engineering Co.，Ltd.of China Railway Seventh Group，Xi'an 710032，China）

1 工程概況

海南西環鐵路鳳三段新鳳凰二號隧道全長805m，位于海南省三亞市鳳凰鎮，為客貨共線雙線鐵路隧道，設計行車時速為200km/h，線路縱坡為3‰、-18‰的“人”字坡。隧道內輪廓拱頂凈高8.15m，凈寬11.5m，內凈空面積81.37m2。該隧道進、出口洞口段埋深較淺，屬淺埋型，多通過強風化層，距離較長，且具球風化現象，開挖穩定性差，結構面易被軟化，可能出現巖塊脫落或坍塌。根據現場地質情況，為了保證洞口邊仰坡安全，能夠順利進洞，要求在隧道進出口段采用長度為60mΦ159 超前大管棚支護和注漿進行預加固處理。

2 管棚受力原理與計算模型

2.1 受力原理 一般會在隧道洞口段施工時采用大管棚超前支護法，這種方法能夠有效的支撐和加固圍巖，很大程度的防止軟弱圍巖下沉、松弛和坍塌等。它的工作原理是：一是可以通過管棚注漿使拱頂預先形成加固的保護環。這個保護環能夠為隧道施工創造良好的開挖條件，因為其可以發揮“承載拱”的作用，有效的減少拱內部圍巖的承載壓力；二是當超前管棚沿隧道開挖輪廓周邊密布時，加固環的變形變小，傳遞給隧道支護結構的上部荷載也隨之減小，同時會把拱部圍巖的形變應力傳遞給支撐拱架。因為相互連接的支持拱架可以形成整體支護，能夠保證掘進施工和初期支護的安全。

2.2 計算模型 當開挖隧道洞口時，下部土體會被挖出，管棚端部懸空。這時因為大部分的管棚鋼管長度都在已預加固地層內，并且它還會受到地層固定的約束，這時的懸空段起到支撐洞口上部荷載q1的作用（見圖1）；當在隧道洞內施工時，鋼管的前后兩段作用的地方是不同的，這時中間懸空的鋼管段可簡化為兩端受固定約束的簡支梁（見圖2），管棚承受上部土體荷載q1和路面荷載q2的作用。

圖1 管棚支護計算模型（洞口）

圖2 管棚支護計算模型（洞內）

有關資料顯示，在計算洞口段和洞內段的開挖進尺尺度的時候采用懸臂梁和簡支梁的計算模型是科學的。

3 大管棚施工設計

3.1 大管棚設計參數 ①導管規格：熱軋無縫鋼管，外徑159mm，壁厚8mm。②管距：環向間距40cm。③傾角：外插角以1°為宜。④大管棚每環施作長度為60m，鋼管前段呈錐形。⑤導向管規格：熱軋無縫鋼管，外徑194mm，壁厚5mm。⑥鋼管內設置鋼筋籠，鋼筋籠主要由三根主筋和固定環組成，主筋直徑為18mm，鋼筋之間每35cm 間距用3cm 長Φ50 鋼管連接，鋼管壁厚3.5mm。⑦鋼管上鉆注漿孔，孔徑16mm，孔縱向間距為20cm，呈梅花形布置，尾部留大于等于100cm 的不鉆孔的止漿段。見圖3、4。

3.2 注漿參數設計 ①灌注漿液：水泥漿液，有時也可采用水泥玻璃雙液漿；②注漿參數：水泥漿、水灰比為1:1（重量比），注漿壓力為2.0MPa～2.5MPa；③注漿擴散半徑：大于等于0.5m；④為了積累鋼管注漿施工經驗和合理化注漿參數，需要在注漿前進行現場注漿試驗。單根鋼管注漿量為：Q=π·γ2·L+π·R2·L·η·α·β

式中，r 為鋼管半徑；L 為鋼管總長度；R 為漿液擴散半徑，取0.5m；η 為地層孔隙率，堆積體經測試為12%；α為漿液有效充填率，取0.9；β 為漿液損耗系數，取1.15。經計算單根鋼管注漿量Q=6.927m3。

圖3 大管棚超前支護正面圖

圖4 大管棚超前支護縱面圖

圖5 大管棚施工工藝流程

4 大管棚施工

大管棚施工工藝流程如圖5。

4.1 施工準備 ①做好孔口定位可以保證管棚施工質量，最好先試著鉆幾個孔再正式鉆孔，尤其是對于那些復雜地層來說。②為了不影響注漿效果和管棚施工質量，在高壓注漿之前，一定要把各孔口封堵完好。③在開挖過程中，為了防止鋼管脫節，造成塌方，應該保證鋼管之間的連接質量。

4.2 大管棚導向墻工字鋼支撐施工 洞口前端采用1m導向墻，截面為1m×1m。導向墻在洞口襯砌外輪廓以外施作。先施作3 排20a 工字鋼，間距為50cm，在工字鋼拱部144°范圍內均勻布設40 個導向管，導管長度1m，環距為40cm，導向管的外插角保證不小于1°。對導向管與三榀工字鋼支撐進行焊接，并采用Φ22 鋼筋將大管棚的導向管焊接在工字鋼導向墻上，用C20 砼澆筑導向墻混凝土。

4.3 鉆孔 ①鉆孔時導向管可以考慮導向墻中預埋的鋼套管，為了保證掌子面在壓力注漿時不出現漏漿、坍塌，必須在掌子面上先噴一層素混凝土才能作為止漿墻；②在保證鉆機機械正常的情況下才可以進行鉆孔，在鉆孔的過程中，是否加泥漿或水泥漿應該依據實際的情況確定；③為了避免發生加鉆現象，應該控制好鉆進速度，保證勻速前進，尤其是在鉆頭遇到夾泥夾砂層時；④應該把開鉆上挑角度控制在3°-5°之間，并控制量測角度和鉆進方向。

4.4 大管棚安裝 ①為了避免出現塌孔，應該在鉆孔結束后及時的安設管棚鋼管；②鋼管逐節頂入，采用長15cm 的絲扣連接；③應該及時填塞密實鋼管和鉆孔壁間的縫隙，在鋼管外漏段焊上法蘭盤、止漿閥，且保證焊接強度和密實度。

4.5 注漿施工

4.5.1 大管棚注漿施工程序及方法如下：①只有保證管路和機械設備正常才能開始壓漿試驗，因為這時獲得的注漿參數是合理的，才能開始注漿；②在注漿的過程中，應該不定期的檢查各處是否有異常情況，一旦發現異常情況，應該立即采取必要的防治措施，比如馬上停止注漿或封堵串漿口等；③如果注漿壓力持續保持5min 以上達到2.5MPa，就可以停止注漿，立即封堵注漿口；④在注漿過程中，應該安排專人負責填寫《注漿記錄表》，記錄各相關數據，觀察壓力表值，監控聯通裝置。

4.5.2 注漿效果評定 評定注漿效果應該注意如下細節：①要想觀察注漿充填情況，可以采取對注漿加固區進行鉆孔取芯的方式獲取；②應該先觀察好孔內涌水顏色及涌水量，只有涌水顏色較澄清或夾帶水泥渣塊，或涌水量小于0.4L/min 時才可以進行鉆孔施工，反之，則應該補注或重注。

5 結語

①超前管棚支護結合注漿技術能夠有效的改善松軟破碎巖層的物理力學性質，采取這種技術時水泥漿液能夠充滿鋼管周圍巖石的縫隙，達到固結圍巖的效果。

②大管棚和注漿施工操作非常方便，工藝也簡單，不需要大型機具設備，但是效果也非常明顯，同時它不僅施工速度快、安全性能高，也具有很高的經濟和社會效益等。

③該方法已經在新鳳凰二號隧道進出口端淺埋級圍巖工程中得到了應用，效果非常明顯，不僅保證了工程的順利完成，也取得了很高的經濟效益和社會效益。

總之，長大管棚超前支護技術能夠在應對不良地質條件的隧道掘進施工和塌方處理時起到非常關鍵的作用，因為它不僅具有很高的可靠性和支護能力，適用于很多的地段，比如含水的沙土質底層或破碎道等，還能夠增加施工安全度，保證巖體穩定，減少地表下沉和防止圍巖松弛、坍塌，是新奧法與其他輔助施工方法的完美結合。

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