淺埋隧道施工中大管棚超前支護技術的應用

暢 凱

(山西路橋第五工程有限公司，山西 太原 030000)

隧道大管棚超前支護形式在隧道洞口段及淺埋洞身段較為常用，該支護技術能增強較淺隧道覆蓋層結構強度，保證順利掘進。此技術支護原理主要在于按照設計間距和角度將鋼管打入隧道洞頂輪廓線外環向，其中鋼管主要發揮縱向支撐作用，鋼拱架則主要起到橫向環形支撐的作用。再結合鋼管內壓力注漿的方式將破碎巖石、鋼管、鋼拱架等材料、結構固結為大鋼度結構體，最終達到抑制圍巖變形、抵擋圍巖壓力并提高結構自穩能力等目的，為隧道順利開挖掘進施工提供安全保證。

1 工程概況

H隧道工程中心里程DK150+500，起訖樁號DK150+500～DK152+560，長度為2.06 km，隧道全線均為9.8‰的向上坡度，進口段位于R=1 200 m的曲線段，其余段均為直線段。DK150+490～+515段埋深5.2～10.8 m，屬于淺埋段，巖體較為堆積且圍巖松散，富水條件較好，力學性能差，掘進過程中發生坍塌冒頂事故的可能性非常大，掘進施工難度系數高。

2 施工方案

考慮到該隧道淺埋段地質條件不良，安全施工風險大，必須采取有效的超前支護方式控制開挖圍巖沉降變形，避免圍巖坍塌。項目組結合工程地質情況及現有施工技術水平，經多次論證后最終確定采用拱部大管棚+全環格柵鋼架+壓力注漿的支護措施。格柵鋼架按照1.5 m的縱向間距布設，25 m長的大管棚設置在格柵鋼架拱部，管棚鋼管采用壁厚6 mm的φ89 mm鋼管；每環25根，且設計環向間距40 cm。為保證接頭錯開，管棚鋼管按照6 m和3 m兩種長度設計，管段及管節間連接采用套管絲扣，以達到設計強度和垂直度。按設計間距和孔徑在鋼管壁面開設注漿孔。為起到二次加強的作用，鋼管內增設鋼筋籠，其主筋采用3根φ16 mm螺紋鋼，并將壁厚4 mm、長4 cm的φ45 mm鋼環與主筋焊接。為提升大管棚鉆孔施工精度，還應施做徑向厚度與縱向長度均為1 m的導向墻，墻內埋設1.5 m長、5 mm厚的φ108 mm導向鋼管，其埋入圍巖及導向墻內的深度分別控制在50 cm和100 cm。

3 大管棚超前支護施工

為確保順利施工，應采取錨網噴聯合支護措施進行刷坡后堆積土處理，支護材料主要為長4 m的φ22砂漿錨桿，并按1.5 m×1.5 m間距呈梅花形設置；噴射10 cm厚、強度等級C20的混凝土；按照25 cm×25 cm間距在坡面滿鋪φ8 mm規格的鋼筋網。

3.1 導向墻施工

按照施工方案進行線路中線水平測量，并將中心線和導向墻開挖輪廓線標出。為避免造成較大擾動，應以人工和風鎬配合的方式開挖，在圍巖掘進至與導向墻相距8 m的情況下預留核心土開挖。結合管棚支護施工要求，應按照1.5 m的深度確定DK150+465～490段拱部開挖輪廓，為導向墻澆筑提供鉆進施工工作面。管棚施工過程中因擴挖而形成的空洞必須通過與襯砌施工相同強度等級的C35混凝土回填。還應將2道2榀格柵鋼架按照0.5 m間距設置在導向墻內，并保證鋼架下端地層的穩定性，以增強導向墻結構剛度。格柵鋼架之間還應按照1.0 m間距增設Φ20 mm縱向環向連接鋼筋，并與鋼架牢固焊接。超深開挖拱腳的過程中，必須增設混凝土墊塊或鋼板。

完成格柵鋼架架設后進行導向管埋設施工，導向管為1.5 m長、壁厚5 mm、φ108 mm的無縫鋼管，導向管設置的環向間距必須與管棚間距保持一致，設計埋深為圍巖內50 cm、導向墻內100 cm；導向管軸線應和隧道軸線保持1.5°夾角，導向管軸線和開挖輪廓線的距離為25 cm。為避免混凝土灌注過程中導向管出現移位和偏斜，必須將Ф16 mm鋼筋焊接在格柵鋼架之上，以起到封堵導向管、防止混凝土砂漿進入的作用。

導向墻模板采用4 cm厚度的模板，并通過加背撐的方式結合扒釘和鋼釘加固連接。混凝土由拌合站集中拌和并由罐車運輸供應，澆筑時從拱腳兩側開始按次序對稱澆筑，直到拱頂。待混凝土澆筑結束、按要求養生及強度達到設計要求后將模板拆除。

3.2 鉆孔

結合設計進行孔位編號，應用KQL型鉆機和直徑108 mm的鉆頭從高孔位向低孔位的次序依次鉆孔，為保證鋼管安裝過程的順利進行，應先安裝奇數孔后安裝偶數孔。鉆機施工平臺搭設前必須根據所承載機具、施工材料和人員重量等進行載荷試驗，保證穩定牢固連接，避免施鉆過程中發生擺動、不均勻沉降、位移等事故，影響鉆孔及鋼管安裝質量。

鉆機就位的過程中必須綜合使用掛線、全站儀、鉆桿導向相結合的技術加強調整，保證鉆機鉆桿軸線始終與導向軸線相一致。在鉆進施工開始后，應先以低速低壓方式鉆進，等成孔距離在10 m以上后再根據鉆孔出屑及取芯情況所反映的實際地質條件進行鉆速和鉆壓調整；鉆進期間必須加強鉆孔孔位及鉆速等的測定，嚴格糾正超限誤差，并結合鉆進狀態進行成孔質量的預判。成孔后必須立即清孔、下管，避免發生塌孔、孔內落入雜物等情況的發生。

3.3 管棚加工

長管棚選用前端錐形、尾部加焊Φ10 mm加勁箍筋的壁厚6 mm、直徑89 mm的熱軋無縫鋼管，為使接頭錯開，長度按3 m和6 m兩種設置，并通過20 cm長度的連接套管絲扣牢固連接。按設計要求進行無縫鋼管外壁注漿花紋加工，加工好后按照15 cm間距4個一排按梅花形設置，鋼管尾部留出2.0 m長度不鉆孔。3 m長管棚鋼管加工情況詳見圖1。

圖1 3 m長管棚鋼管加工示意圖

3.4 鋼筋籠制安

進行管棚安裝前必須通過高壓風將孔內雜物徹底清除，并再次測量孔徑和孔深，保證孔徑為108 mm。通過機械頂進方式安裝管棚并逐節接長處理，節段之間通過連接套管以絲扣方式扣緊。采用3根Φ16 mm螺紋鋼以搭接方式制作主鋼筋籠，搭接長度控制在16～18 cm范圍內，固定環為壁厚4 mm的Φ45 mm鋼環，按照150 cm間距和主鋼筋籠焊接。安裝示意詳見圖2。

圖2 主鋼筋籠安裝示意圖

安裝鋼管前逐孔逐根編號，編號為奇數和偶數的首節管段應分別采用長3 m和長6 m的鋼管，此后各節均采用長6 m的鋼管，以便錯開鄰管接頭。主鋼筋籠的吊裝和管棚鋼管安裝均通過挖掘機進行。將1節長度1 m的Φ108 mm×6 mm鋼管套接在鋼管尾部以起到保護作用，頂進鋼管至鋼管前部外露段長度剩余20 cm時將保護套管取下，同時吊接長鋼管就位，再以焊接方式接長主鋼筋籠，并通過20 cm長的套管絲扣將兩段管節相連，重復以上過程，直至完成頂進施工。

3.5 注漿

正式注漿前應通過濕噴C25混凝土的方式將開挖面封閉并形成止漿墻，再在鋼管口處加焊鋼板封堵，預留注漿管。注漿結束后應用速干水泥砂漿將導向管和管棚間的空隙封堵。本隧道管棚超前支護施工采用臥式攪拌機進行水泥漿拌和，配合以兩臺BW-250/50型注漿泵進行注漿施工，漿液水灰比控制在0.6～1.0之間。注漿開始前必須通過室內試驗及現場試驗驗證漿液配比、注漿壓力等參數設置的合理性，考慮到該淺埋隧道實際地質條件，在確定漿液配比時必須充分考慮漿液擴散半徑及圍巖裂隙發育情況；注漿壓力確定時應結合巖層性質、注漿材料及地下水情況，本隧道初始注漿壓力和終壓分別按照0.8～1.0 MPa和1.5～2.0 MPa控制。按照從低位孔到高位孔的次序逐孔注漿，且漿液應先稀后濃、漿液量應先大后小。

待注漿施工至和導向管間的空隙持續有水泥漿液溢出時停止注漿，并待注漿壓力達到終壓且持續20 min以上時結束注漿，效果圖見圖4。

圖4 注漿效果

4 結 論

綜上所述，H隧道淺埋段在采用大管棚超前支護技術后松散土體固結效果良好，通過大管棚圍巖支護施工，使注漿體和管棚有效粘結并形成大剛度穩固性整體受力結構，且在開挖輪廓線外側形成環向支撐體，可有效承載圍巖結構壓力，阻止松散結構坍塌，為隧道開挖掘進施工的順利進行提供了保證。大管棚超前支護技術在淺埋隧道施工中的成功應用是新奧法與其余施工措施的完美結合，對于類似隧道工程開挖掘進施工具有很強的借鑒參考價值。