深埋隧道管棚預支護機理及設計施工方法研究

呂虎波 陳雄峰

（浙江省隧道工程公司 浙江杭州 310030）

引言

隧道工程施工在遇到自穩性差的軟弱破碎帶時，經常會發生突泥涌水等現象。在處理突泥涌水時，超前大管棚注漿法是最常用也最為有效的預支護施工方法。國內對該工法在設計和施工方面做了許多有用的探索[1～2]，介紹了管棚支護的設計方法、施工工藝流程及質量安全措施，提出了防止大管棚施工過程中位置偏移的措施[3]，同時，也給出了淺埋隧道管棚超前支護設計計算圖式[4]和基于塌落拱理論的管棚承受地壓分析。但是這些文獻多數處在工程類比、定性研究階段，對施工技術研究較多，力學機理研究偏少，對深埋隧道破碎帶的管棚承受地壓研究更是極少。

1 工程概況

福建龍津溪引水工程2#支洞上游段長2022.57m（引1+500～引3+522.57），隧道埋深600m。全線分布4條斷層，地質條件比較復雜，巖性變化較大。當上游掘進開挖540m左右時，地質條件變差，為Ⅳ類圍巖，開挖后立即采用鋼拱架和錨噴支護。當掘進570.57m（引2+952）時，掌子面發生了大塌方，大約100m3碎石夾巖粉涌入隧道（見圖1），塌方體堵塞洞室10m，碎石充填巖屑、巖粉、無膠結，塌方無冒頂，掌子面前方破碎帶規模未知。掌子面涌水嚴重，實測80m3/h，隧道開挖后無自穩時間。針對該段地質突變，業主立即召集設計、監理和施工等單位開會討論解決問題，最后提出采用大管棚法穿越該軟弱破碎帶。

2 塌方處理方案及參數計算

2.1 應急處理

塌方體呈粉碎狀，含大量巖粉，根據塌方體體積推斷，塌方體與穩定圍巖之間存在較大塌穴，約100m3。為了防止塌穴繼續發展，造成更大規模的塌方，首先在離掌子面10m處，對塌方體進行噴混凝土封閉，封住塌體暴露面使之穩定。

圖1 大塌方圖

2.2 塌落拱高度計算

本軟弱破碎帶埋深大，想要獲得準確的掌子面前方塌落拱高度和范圍，難度很大。目前常用的地質超前預報方法有超前鉆探法、TSP法和GPR法。超前鉆探法能準確預知掌子面前方圍巖的狀況，但不能掌握破碎圍巖塌落拱的高度；TSP法和GPR法對涌水嚴重的破碎帶來說精確度不高。因此本方案決定采取超前鉆探法、理論解析法，力求比較全面掌握塌方體前方圍巖的情況。

超前鉆探可以與管棚鋼管鉆孔同時進行，施工技術人員在現場跟蹤分析。掌子面前方塌落拱的高度采用朗肯土壓力理論計算。

由現場情況可知，塌方體相對穩定，掌子面前方圍巖處于主動土壓力狀態。因此，可直接采用主動土壓力公式分析掌子面的受力情況。涌入隧道的突泥為碎石充填巖屑、巖粉、無膠結，且涌水嚴重，可假設為有滲透作用的無粘性土，土壓力計算簡圖見圖2。

圖2中各參數取值如下：

Ka——主動土壓力系數；

圖2 有連續均布荷載的土壓力計算圖

圖3 掌子面圖

Ka=tan2（45°-φ/2）；

γ——軟弱破碎圍巖和大塌方體的重度，查《工程巖體分級標準》取20.0kN/m3；

φ——軟弱破碎圍巖的內摩擦角，與塌方體傾角一致；

α——有滲流作用塌方體的傾角，α=22.7°；

q——塌落拱連續均布荷載，q=γh，本文求解對向；

h——掌子面前方塌落拱高度，本文求解對象；

H——開挖面高度，H=3.9m；

G——塌方體重度；

G=γV=20.0×12.8/2×10=1280kN；

F——塌方體的摩擦力；

F=G×tanα=1280×tan22.7°=535.4kN；

Ea——主動土壓力合力，Ea=F=535.4kN。

針對涌水問題，我們主要以排為主，保證從施工到運營期水路都是串通的，因此只要做好引水工作，就可以忽略水壓力的作用。

求解土壓力合力h和q：

Ea=G×[γhKa+γ（h+H）Ka]×S=535.4kN

Ka=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-φ/2）=0.26，H=3.9m，S=12.8m2，γ=20.0kN/m3

將參數代入得塌落拱高度h=2.77m。

塌落拱均布荷載：

q=γh=20.0×2.77=55.41kN/m2。

2.3 管棚法設計

2.3.1 管棚間距計算

偏于安全起見，開挖后，只考慮管棚的支護作用，注漿后加固的圍巖作為安全儲備，管棚按簡支梁計算。其跨度為一次循環開挖進尺加上開挖操作空間0.5m，假設進尺1.2m，取計算跨度l=1.7m。根據工程類比法，初步選用φ108mm、壁厚6mm的無縫鋼管作為棚管。假設鋼管間距為s，取永久荷載的分項系數為1.2，其計算過程如下：

鋼管最大彎矩：

M=1.2×1/8Ql2=1.2×1/8qsl2

鋼管最大主應力：

fy=≤205N/mm2（y、I為半徑和慣性矩）

求解得s=400mm，此時fy=206.9N/mm2，超過設計值0.9%，滿足要求。

經過計算，取棚管中到中間距40cm。

2.3.2 管棚設計參數

根據上述計算結果、類似工程經驗和超前鉆探情況，本項目初步選定36m長大管棚，設計參數如下。

①鋼管規格：熱軋無縫鋼管φ108×6mm，節長3m、6m。②管距：環向間距40cm。③傾角：仰角1.5°（不包括路線縱坡）。④鋼管施工誤差：徑向不大于20cm。⑤隧道縱向同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯開1m。⑥鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣長15cm，為使鋼管接頭錯開，編號為奇數的第一節管采用3m鋼管。

3 管棚法施工

（1）管棚法施工工藝流程為：封堵工作面→施作C25素混凝土套拱→安設鋼架及→127導向管，并澆筑C25素混凝土→搭設鉆機平臺→管棚施工。

（2）本設計采用C25素混凝土套拱作為長管棚導向墻，套拱在輪廓線以外施作，套拱內埋設5榀I20b工字鋼，工字鋼與管棚導向管焊成整體，工字鋼間采用間距1m的φ20鋼筋連接，工字鋼安裝后噴射C25混凝土30cm厚。

（3）管棚應按設計位置施工，應先打有孔鋼花管，注漿后再打無孔鋼管，無孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質量。鉆機立軸方向必須準確控制，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進一根鋼管，鉆進中應經常采用測斜儀量測鋼管鉆進的偏斜度，發現偏斜超過設計要求，及時糾正。

（4）長管棚注漿漿液擴散半徑不小于0.5m：①水泥漿水灰比1：1；②注漿壓力：初壓為0.5～1.0MPa，終止壓力為2MPa；③注漿前應先進行注漿現場實驗，注漿參數應通過現場試驗按實際情況確定，以利施工；④注漿結束后及時清除管內漿液，并用C30水泥沙漿緊密充填，增強管棚的剛度和強度；⑤在施工無孔鋼管時，發現注漿質量未達到設計要求，可將無孔管改為有孔鋼花管進行補注漿。

4 隧道開挖與支護

管棚施作完畢，沿原洞軸線重新開挖隧道，采用邊開挖、邊支護和二次襯砌緊跟的方式。

開挖一次完成，每次進尺0.5～0.8m，周邊孔孔距40cm，線裝藥密度不大于100g/m，崩落孔采用小藥量松動爆破。爆破后立即對新暴露的圍巖和整個掌子面噴5cm素混凝土，通過噴射混凝土使得開挖后到型鋼排架支撐前棚管間的圍巖保持穩定，采用管棚、型鋼排架支撐、掛網噴射混凝土與巖體的聯合作用形成承載拱，共同支撐軟弱破碎圍巖。

5 結論

長管棚技術已經是一項比較成熟的施工方法，但是棚管參數一般按照工程類比法和類似工程經驗取值。本文依托福建項目，用涌入隧道塌方體的規模計算掌子面前方軟弱破碎帶的塌落拱高度及其對大管棚的壓應力，得出了如下結論：

（1）針對涌入隧道的突泥為碎石充填巖屑、巖粉、無膠結且涌水嚴重這一情況，應用朗肯土壓力理論分析掌子面的受力情況，結合超前鉆探法預知塌方體規模，實踐證明是可靠的。

（2）本文將注漿后加固的圍巖作為安全儲備，管棚按簡支梁計算。這一方法從施工安全性角度是有利的，但是不經濟，將來可以對加固圍巖所起的作用進行研究。

[1]寧偉，王恩雨.山嶺隧道管棚預支護施工技術[J].市政技術，2010，增刊（1）：206～208.

[2]孫清輝，劉慧軍.白巖里隧道右線進口仰坡塌方的處理及長管棚支護措施[J].華東公路，2003，6：66～71.

[3]鄧愿濤.導致長大管棚施工偏位的原因分析及防治措施[J].鐵道標準設計，2003，增刊（1）：110～112.

[4]馬卓軍.淺埋隧道中管棚超前支護的優化設計[J].施工技術，2004，3：36～37.