長大管棚超前支護在鐵路隧道洞口施工中的應用

張 哲

（中交路橋華北工程有限公司，北京 100000）

1 工程概況

新建池州至黃山高速鐵路站前工程，施工總價承包HCZQ-4標位于黃山市黃山區和黟縣境內，起訖里程DK86+860.115～DK121+625。

正線全長為34.765 km，跨雙溪河、S218、湯劉河、武備河、曉源水、X031、虞山溪、Y031等，止于黟縣源川村。

2 管棚受力原理與計算模型

2.1 受力原理

在隧道洞口段施工時，通常運用大管棚超前支護法，以此達到支撐和加固圍巖的效果，有效預防軟弱圍巖下沉、松弛和坍塌等現象。

工作原理：利用管棚注漿使拱頂預先形成加固的保護環。該保護環可以為隧道施工創造良好的開挖條件，承擔了承載拱的重要功能，降低拱內部圍巖的承載壓力；如果超前管棚沿著隧道挖掘的方位展開分布，加固環的變形力顯著減弱，導致隧道支護荷大幅度降低。還能夠將形變應力第一時間傳輸到支撐拱架中。互相扶持的拱架可以成為整體支護，確保掘進施工如期進行以及支護的絕對安全[1]。

2.2 計算模型

挖掘隧道洞口時，下部土體自然會被挖掘出來，管棚端部處于懸空。管棚鋼管大多處于加固地層內部，還受到地層的大加約束。懸空部分最重要的效用為有效支撐上部荷載，如果施工場地在隧道內部，鋼管的前段與后段存在差異。此時，中間懸空的鋼管段可以簡化，簡化后變為簡支梁，管棚能夠有效承載兩方面的荷載，即上部土體荷載、路面荷載。

3 大管棚施工設計

3.1 大管棚設計參數

（1）導管是無縫鋼管形式，外徑尺寸為108 mm，管壁厚度為6 mm。

（2）環向間距保持在40 cm左右。

（3）外插角以1°為最佳。

（4）對于大管棚每環施作而言，長度在60 m左右，鋼管前段基本形狀為錐形。

（5）熱軋無縫鋼管，外徑114 mm，管壁厚度6 mm。

（6）在鋼管內部設置鋼筋籠，鋼筋籠的主要組成部分包括主筋、固定環。

（7）在鋼管上部鉆入注漿孔，注漿孔的直徑16 mm，注漿孔的縱向間距為113 mm，形狀為梅花形，尾部預留大約100 cm的距離，作為止漿段。

3.2 注漿參數設計

（1）灌注的漿液主要有兩種，即水泥漿液、水泥玻璃雙液漿。

（2）水泥漿、水灰比為1∶1（重量比），注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

（3）≥0.5 m。

（4）開展注漿作業之前，先進行現場注漿試驗，通常試驗收集注漿參數和積累鋼管注漿施工的經驗，根據所得結果科學確定注漿參數。

單根鋼管注漿量：

式中：Rk——漿液擴散半徑，取0.65 m；L——鋼花管長（m）；ζ——注漿飽滿系數，取0.85；η——空隙率（%），風化巖層取2%～3%，斷層破碎帶取5%～8%，溶槽溶隙地層取10%～15%，黏土取20%～40%，砂土取40%～60%。

4 大管棚施工

4.1 施工準備

（1）管棚施工的第一步為嘗試進行鉆孔，符合施工條件后開始正式施工，保證施工質量。

（2）為保證注漿順利進行以及管棚施工的有序進展，高壓注漿前，務必封堵各個孔口。

（3）開挖前，為了防止出現脫節的情況，必須確保鋼管連接時不能出現差錯[2]。

4.2 不良地質處理

針對試鉆不理想地段，應對不良地質進行處理，一般采用超前小導管注漿，如果效果不理想可以采用山體注漿。

（1）超前小的導管施工。

對小導管進行施工前，先噴射混凝土，混凝土厚度最低為3 cm，最高為5 cm，以對拱部進行封閉，有效防止工作面出現裂縫。后續循環可以充分利用循環間的搭接部分，并將其作為止漿墻。

小導管采用Ф42小導管，長5～7 m，間距1.5 m×1.5 m，造孔時可以使用鉆孔臺車，也可以使用手持式風鉆造孔。造孔間距可以根據現場情況進行調整，圍巖不理想地段可以適當減小小導管間距。

注漿液采用水泥凈漿，水泥∶水=1∶1。

（2）山體注漿。

對小導管注漿效果不理想地段可采用山體注漿，山體注漿前先噴射混凝土，混凝土厚度最低為3 cm，最高為5 cm，以對山體進行封閉，有效防止工作面出現裂縫[3]。

山體注漿采用Ф108 mm無縫鋼管，從山體頂垂直鉆孔，鉆孔間距1.5 m×3 m，鉆孔深度根據現場情況不要侵占隧道輪廓線為宜。

注漿液采用水泥凈漿，水泥∶水=1∶1。

4.3 導向墻施工

長管棚需要設置導向墻，導向墻寬1 m，截面為1 m2。導向墻的施工范圍為洞口襯砌外輪廓外。設置工字鋼，工字鋼型號為I18輕型工字鋼，數量為2排，同時將導向管焊接于導向墻中，導向管采用Ф140 mm鋼管。澆筑導向墻混凝土時運用的標號為C20混凝土。

4.4 鉆孔

（1）為避免漏漿等情況的出現，有必要將素混凝土噴射于掌子面，將其作為止漿墻。

（2）鉆機采用KG940A型露天潛孔鉆車，只有對機械進行系統檢查，并確保一切正常時，才可以進行鉆孔，鉆孔時應根據實際情況確定是否加入泥漿或水泥漿[4]。

（3）為防止出現加鉆的情況，必須對鉆進速度進行有效的掌控，確保前進的勻速性，特別是遭受到夾泥層時，更應當注意進度。

（4）對于開鉆上挑角度而言，最低為3°，最高為5°，不僅應對鉆進角度進行有效控制，同時應對鉆進方向進行有效控制。

（5）環向間距40 cm。

（6）如果遇到比較復雜的地質情況，可以利用跟管鉆進的技術。

4.5 大管棚安裝

（1）大管棚設計參數。

①熱軋無縫鋼管及鋼花管，長度通常在10～16 m，用每節長4～6 m的熱軋無縫鋼管Ф108 mm，壁厚6 mm，采用絲扣連接的方式，鋼管及鋼花管同一截面內的接頭數必須少于管數的50%。

②鋼花管上鉆注漿孔，孔徑在10～16 mm之間，控制間距為11 cm，采用梅花形布置，尾部留不鉆孔止漿段110 cm。

③徑向不大于20 cm，相鄰鋼管之間環向不大于5 cm。

（2）大管棚安裝。

①大管棚安裝前先對導向墻上導向管從左往右進行編號，安裝順序為先奇數號管棚再偶數號管棚。

②偶數號管棚連接的方式應與奇數號管棚的連接方式不同，以此達到同一截面內的接頭數不超過管數的50%。例如30 m的長管棚奇數孔可采用6 m+4 m+6 m+4 m+6 m+4 m，偶數孔可采用4 m+6 m+4 m+6 m+4 m+6 m。

③大管棚安裝可利用人工或機械的方式安裝。

（3）注意事項。

①為了有效防止塌孔現象的出現，應在鉆孔完成后設置管棚鋼管。

②鋼管嚴禁一次性全部進入，應利用逐節進入的形式，最好的連接材料是絲扣，絲扣長度保持在15 cm左右[5]。

③鋼管與鉆孔不可避免會形成一定的縫隙，對于這些縫隙，必須第一時間展開填充，在鋼管的外漏部位焊接一個止漿閥，確保焊接的強度和密實度。

4.6 注漿施工

（1）注漿前，確保管路與機械處于正常狀態，對導管內部的灰塵、雜物等進行及時清除，與注漿管進行有效連接，使用塑膠泥對孔口予以封閉。

（2）注漿時，應對各處的情況進行及時、全面檢查，只有一切正常才能繼續進行注漿，如果出現特殊情況，應第一時間采取補救舉措[6]。

（3）如果注漿壓力在2.5 MPa以上，壓力持續時間超過5 min，必須立刻停止注漿作業。

（4）在注漿的過程中，及時、全面填寫《注漿記錄表》，對各項數據信息進行精準記錄，對壓力表值進行觀測，對聯通裝置進行監控。

4.7 注漿效果評定

全方位、認真細致地觀察注漿的充填狀況；對孔內涌水顏色及孔內涌水量進行觀察，涌水清澈、涌水量為0.4 m/L時才能施工，否則需要立即進行補充。

5 結語

長大管棚超前支護技術能夠使巖層的物理力學性質得到有效改善，尤其是松軟巖層，利用此技術時，水泥漿能夠對巖石縫隙進行充分填充，對圍巖進行固結；大管棚與注漿施工工藝簡單、操作簡便，不需要大型機械就能夠完成施工，取得顯著的效果，具有較高的社會效益與經濟效益等；在隧道進出口端淺埋級圍巖工程中，該技術應用的效果比較好，保證了工程的有序完成。綜上所述，長大管棚超前支護技術不僅能在隧道掘進工程中發揮重要作用，在處理塌方時作用也非常關鍵。其具有可靠性及較高的支護能力，在較多地段都有所應用，特別是沙土質段，應用效果更顯著。長大管棚超前支護技術能夠有效提升施工的安全度，確保巖體處于相對穩定的狀態，有效防止地表出現下沉、松弛等情況。