松軟破碎巖層隧道施工管棚超前支護工藝

李社勛　荊　剛　艾燦標

(義煤集團永興工程有限責任公司)

松軟破碎巖層主要是指結構疏松、密度小、孔隙率低、強度低、硬度小的巖層，抗壓強度一般不大于200 kg/cm2，易于風化碎裂，浸水后很快崩解泥化，一般呈現為整體狀、塊狀、層狀或軟硬相間的組合巖層，結構面呈軟弱狀態，節理和裂隙發育，小斷層縱橫交錯，且充填著軟弱物質，主要以流變巖體及大量強膨脹黏土礦物的形式出露，如泥巖、頁巖、黏土巖等彈塑性變形膨脹易碎巖體[1-5]。該類巖層中，巖塊尺寸變化較大，巖塊膠結程度差，巷道或隧洞開挖過程中，巖體與外界空氣接觸后易出現風化潮解現象，同時流變巖體出現塑性變形，持續時間越長，變形量越大。此外，開挖后的巷道或隧道應力重新分布，原巖應力和構造應力均發生變化，巖體呈碎性膨脹，易出現滑移冒落現象，給支護工作帶來了較大困難。傳統采用短掘短支施工方案，嚴重影響了施工速度，且永久支護一般均滯后于臨時支護一段距離。在該段時間內冒頂片幫現象呈現不規律變化，安全隱患突出，現場作業人員的人身安全受到了嚴重威脅。因此，在松軟破碎巖層中施工，采用臨時支護或超前支護工藝時，如何確保頂板安全，同時提高施工速度，是施工方案設計和實施的關鍵所在。

1　工程概況

三門峽義翔鋁業有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項目三標段隧道工程于2017年2月開工，工期僅為180 d，工期緊，任務重，施工工序復雜。該項目位于澠池縣張村鎮，隧洞從庫區右側山體穿過，總長約1 016 m，坡度為19‰，采用直墻圓弧拱型斷面，圓弧角度為120°，凈寬度為2.2 m，凈高度為2.64 m，凈面積為5.46 m2，毛寬度為3 m，毛高度為3.44 m，毛面積為9.49 m2[6]。永久支護采用鋼筋混凝土砌碹支護，鋼筋混凝土厚度為0.4 m，混凝土強度等級為C25，橫筋規格為φ16 mm×200 mm，縱筋規格為φ12 mm×200 mm，鋼筋保護層厚度為25 mm，雙層鋼筋通過“S”型縱筋連接。開口前 50 m處于表土段開挖施工，向內為基巖段施工。隧道施工斷面如圖1所示。

圖1　隧道支護斷面

該工程表土段采用掘進機掘進、裝載機出碴的機械化作業方式，進入基巖段后掘進機破巖困難，故采用鉆爆法進行施工。工程地質資料顯示，該項目地層巖性主要為粉質黏土和風化泥巖，主要穿過風化泥巖帶，屬于松軟破碎巖層。爆破后拱頂和幫部極易出現冒頂、片幫現象，永久支護前必須首先進行臨時支護控頂，確保作業人員安全后，方可進行后續施工。

2　支護施工方案

2.1　傳統支護方案

在隧道原施工方案設計中，進入基巖段后采用短掘短支施工方案，臨時支護采用前探梁+架棚的支護方式控頂。前探梁由3根長為4 m的3寸鋼管構成，掘進后及時前移至正頭。支架按照設計斷面采用10#道軌加工制作，架棚棚距為800 mm(根據現場實際情況可以適當調整)，柱窩深度不小于200 mm，棚腿與棚梁用螺栓連接，棚與棚用拉桿連鎖，每2架棚配3套拉桿。棚與棚之間用厚度不小于30 mm、長度為900 mm 的木板背設，背設材料間距視現場正頭巖性情況而定。根據現場情況，循環進度為一棚一循環，必要時打設超前錨桿進行控頂。該方案施工進度較慢，永久支護一般滯后于臨時支護約40 m，爆破后圍巖暴露時間較長，變形量較大，極易出現片冒事故，嚴重威脅了現場作業人員安全。

2.2　管棚超前支護方案

為解決傳統支護方案存在的問題，針對該工程基巖段為松軟破碎巖層的現場地質情況，在對比分析煤礦井下巷道臨時支護方案[7-10]和隧道超前支護方案的基礎上，采用管棚法進行超前支護。該工藝是一種在軟弱圍巖中進行隧道掘進的新技術，特別是在穿越破碎帶、松散帶、軟弱巖層、涌水、涌砂層等巖層中發揮了重要作用。管棚是利用鋼管作為縱向支撐，鋼拱架作為橫向環形支撐，構成縱、橫向整體，不僅沿隧道縱向具有梁結構的作用，在橫斷方向也具有拱形結構支護效果。由于其剛度較大，因此能夠有效阻止和限制圍巖變形，并且能夠提前承受早期地應力[11]。

2.2.1支護原理

2.2.1.1臨時支護效應

本研究結合煤礦井下擴修或松軟破碎巷道掘進時采用的超前錨桿臨時支護工藝來布置管棚，管棚前端沿一定角度插入巖體，管尾部分壓于工作面正頭第1架棚梁上，尾部挑住第2架棚梁，即便不注漿，也能夠達到超前控頂和臨時支護的目的(圖2)。

圖2　管棚臨時支護示意

2.2.1.2梁效應

鋼管以較小的仰角沿巖面打入，前端嵌入圍巖，管棚尾部連接棚支架和前端圍巖作為2個支點與鋼管聯合形成1個梁結構來承擔圍巖的壓力，可有效防止圍巖發生松弛和坍塌。

2.2.1.3加固圍巖效應

管棚布置完畢后，通過鋼管采用內注水泥漿、化學漿液等材料的方式來增加鋼管剛度，同時漿液通過鋼管四周的注漿孔壓入圍巖裂隙或縫隙中，將破碎巖體進行固結，改善圍巖結構的力學性能，增加圍巖承載能力，提高圍巖結構面的強度和剛度，同時能夠封閉水源、隔絕空氣，防止或減輕水對圍巖的軟化作用，避免圍巖強度因水的影響而大幅度降低[12]。

2.2.2支護參數

根據隧道工程現場地質情況以及斷面參數(斷面毛面積為9.49 m2，斷面較小)，結合市場調研，以類比法確定管棚法超前支護技術參數。

2.2.2.1連接棚支架

因本研究隧道施工準備階段已經嚴格按照施工設計方案加工了棚支架作為臨時支護，故本研究管棚管尾部的連接鋼棚結構采用已經加工的棚支架，即鋼棚支架由10#道軌加工，梁腿之間通過螺栓連接，支架之間通過拉桿連接，確保牢固。棚距視現場情況而定，連接構件長度可視棚距加長或縮短。鋼棚支架分別如圖3、圖4所示。

圖3　連接鋼支架示意

圖4　鋼棚支架構件示意

2.2.2.2鋼管

根據項目建設工期和剩余工程量，制定了合理的月進度和作業循環進度計劃，每7.5班完成1個掘砌循環，其中1.5班掘進，6班砌碹，循環進尺12 m，因而將管棚的一次超前支護距離確定為14 m較為合理。鋼管為長5 m、直徑50 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，對管棚管壁進行鉆孔，并使鉆孔呈十字形布置，縱向間距為200 mm、孔徑為10 mm，鋼管在隧道拱部120°范圍內進行單層布置，且在巷道輪廓線以外以6°外插角向工作面施工方向打入，間距為350 mm，每個循環及每排布置11根(圖5、圖6)。

2.2.2.3注漿參數

注漿材料使用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，一般地段水灰比為1∶1，富水段水灰比為0.8∶1。注漿壓力根據現場情況確定，終壓一般為2.0 MPa 。

單液注漿量的計算公式為

Q單=πr2·L·α·β·η，

圖5　管棚布置示意

圖6　管棚超前支護剖面

式中，r為考慮注漿范圍相互重疊原則后的漿液擴散半徑，r=(0.6～0.7)s，s為小導管中心間距，m；L為鋼管有效長度，m；α為地層孔隙率，軟巖取1%～2%；β為滲透系數，取0.8；η為損耗系數，1.1～1.2。

經計算，Q單=0.04 m3；Q總=0.44 m3。

2.2.3設備選擇

根據支護技術參數確定情況，為進一步提高工程施工成果，有必要合理選用施工設備。本研究選用義安煤礦雙突礦井施工時應用的人工手持式防突鉆機，打眼深度約20 m，鉆桿隨之配套選用，鉆桿為麻花鉆桿，巖屑在鉆桿鉆進過程中可以隨桿體旋轉自行流出，配套鉆桿有適合管棚鋼管直徑的型號。注漿泵型號為LZB-3，該型泵結構先進，具有額定輸出壓力高、大排量、效率高、便于移動、使用維護方便等特點，既可以注單組分漿液，又可以注雙組分漿液，既可以注化學漿液，又可以注水泥漿液；安全性好，在易燃、易爆、溫度、濕度變化較大的場所均可以安全使用；該型泵注漿壓力高，輸出流量大。相關設備配備情況如表1所示。

表1　設備配備情況

2.2.4施工工藝流程

管棚超前支護施工前，首先進行現場準備工作，將現場清理干凈，使得施工地點具備架棚、注漿設備存放和安裝的條件，將施工所需設備、工具準備齊全，檢查其完好性后運至施工工作面指定位置。準備工作完畢后，按照隧道施工期間的中腰線架設鋼棚支架，棚距為2 000 mm，鋼棚支架架設2棚即可。在2棚中間頂板區域內，按照設計參數標定鋼管孔位，標定過程中也可以同時搭設操作平臺。該項工作完畢后，首先在標定的孔位上打眼，達到設計深度后進行清孔；其次逐節頂入鋼管，鋼管最后的狀態應是壓于第1架棚梁上，拖住第2架棚梁，固定完畢后安裝止漿墊，進行噴漿封閉；然后連接注漿管路進行注漿，待達到設計注漿壓力和注漿量后，停止注漿，采用普通鉆爆法進行施工；最后進行錨網支護。具體施工工藝流程如圖7所示。

圖7　管棚超前支護施工工藝流程

2.2.5施工注意事項

(1)施工準備期間有必要確保各項工作準備就緒，不得耽誤或影響后續施工工序。

(2)鋼棚支架應嚴格按照隧道中腰線進行架設，且2架鋼棚應連接牢固，對于不接頂部位，可在不影響打眼位置的情況下，用大頭楔或木墊板進行背設，空幫部分可堆垛煤袋或背設半圓木，棚梁必須水平，嚴禁出現流水現象，棚腿嚴禁出現前傾后仰和明暗不一等現象。

(3)測定鋼管孔位時一般采用延長巷道中腰線的方式，在工作面后退第1棚和第2棚之間120°拱部以上標定孔位，也可采用全站儀輔助定孔，孔位標定必須能夠有效指導打眼和鉆進。

(4)操作平臺的搭設必須牢固可靠，寬度不小于1.5 m，長度不小于2 m，平臺上鋪設的木板厚度不宜小于5 cm，確保使用人工手持式鉆機能夠有足夠的活動空間。

(5)打眼鉆進期間，鉆機開孔時鉆速宜低，鉆深20 cm后轉入正常鉆速。 換鉆桿時，應注意檢查鉆桿是否彎曲，有無損傷，中心水孔是否暢通等，對于不符合要求的鉆桿應及時更換，確保正常作業[13]。由于無法準確判定軟弱圍巖厚度，有時鉆孔即便達到了設計深度，但巖質仍然較差，因此在鉆進過程中應根據鉆進深度對石粉進行取樣分析，并做好記錄。

(6)鋼管頂入時，一般采用人工方式，也可借助挖掘機、鑿巖機等機具輔助進行頂入施工。采用機具頂入時，應緩慢，穩妥，并隨時掌握好方向，防止硬頂將管頂彎，致使施工中斷。管棚節間采用絲扣連接時，管棚單、雙序孔的連接絲扣錯開半個節長。接管完畢后，外露鋼管口應用鋼板焊接封堵。鋼板中間焊接注漿用同型號管路，并安裝止漿墊。

(7)管棚注漿應遵循“先兩側后中間、由稀至濃”的原則。注漿施工由兩端開始施工，向隧道拱頂方向推進，開始注漿時，漿液濃度可稍低，而后逐漸加大至設計濃度。漿液拌制應均勻，以便具有良好的流動性和黏稠度。

(8)注漿施工時，應根據現場試驗來確定注漿壓力，實際注漿量應大于理論計算的注漿量。為防止注漿時跑漿，應首先在2架鋼棚支架區域內噴射150 cm厚的混凝土。注漿時應徐徐加壓，達到終壓(即注漿已滿)后，漿液有時會從封口處均勻溢出，有時也會從周圍的巖隙裂縫處溢出。注漿完畢后，應將注漿量與理論數值進行對比，當注漿量小于理論數值時，表明管內未注滿，此時應停止注漿查明原因后再進行壓注[14]。

3　應用效果

2017年5月在三門峽義翔鋁業有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項目三標段隧道工程基巖段使用了管棚超前支護工藝，改善了松軟破碎巖層的賦存狀態，提高了圍巖的承載能力，隧道頂板的穩定性明顯提升，為進行鉆爆法光面爆破施工[15]奠定了基礎，加快了作業循環率，增加了作業循環進度，作業環境的安全性也得到了保證。

按照傳統工藝施工時，按照“三八”工作制，每班最多架設3棚，進尺為2.4 m，月進度約為345.6 m(對頭掘進)，2個月可以完成691.6 m，而基巖段總長為916 m，無法按照合同工期(2個月)完成任務，按照合同條款，延誤工期1 d，罰款0.5萬元，預計延誤19.5 d，罰款約為9.75萬元。采用管棚超前支護工藝后，截至2017年6月，該標段隧道工程已經順利且如期貫通，工程質量和施工進度得到了集團公司、建設單位、監理單位以及設計單位的認可。

4　結　語

結合三門峽義翔鋁業有限公司硤石干式堆存赤泥綜合利用項目三標段隧道工程實例，采用管棚超前支護工藝進行施工，分析了合理的支護參數取值及工藝施工流程，成效顯著，對于類似隧道工程施工也有一定的參考價值。

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