長(zhǎng)管棚施工技術(shù)在公路隧道軟弱圍巖中的應(yīng)用

呂 鑫

(湖南省醴婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 湘潭 411100)

1 公路隧道軟弱圍巖支護(hù)要求

隨著現(xiàn)代公路工程建設(shè)中隧道技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，有效解決了山嶺地區(qū)交通難題。截止2020年我國(guó)公路隧道數(shù)量達(dá)到21 316處，總長(zhǎng)度2 199.9萬(wàn)m，成為世界上隧道工程規(guī)模、數(shù)量最多，也是施工難度最大的國(guó)家。近年來，基于工程技術(shù)的發(fā)展與交通運(yùn)輸?shù)男枨?，隧道建設(shè)逐漸深入各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，由此也對(duì)隧道施工與安全產(chǎn)生巨大影響，軟弱圍巖施工問題是必須面臨的一大難題。

公路隧道軟弱圍巖施工中，原始地應(yīng)力平衡被打破，極易產(chǎn)生較大變形，導(dǎo)致開挖洞室失穩(wěn)，常見破壞形式有拱頂下沉、冒頂、掌子面塌方、洞頂?shù)乇硐菘拥?，且軟弱圍巖類型眾多，往往受到高地應(yīng)力、地下水、溫度等多種因素綜合作用，進(jìn)一步增大施工安全風(fēng)險(xiǎn)?；诙喾N外界因素的影響與隧道開挖后應(yīng)力重分布的作用，軟弱圍巖容易形成松動(dòng)圈，圍巖變形量隨著松動(dòng)圈的擴(kuò)大而增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力顯著增加，甚至出現(xiàn)圍巖—支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞的情況，對(duì)此必須加強(qiáng)公路隧道軟弱圍巖支護(hù)工作[1]。超前預(yù)支護(hù)技術(shù)正是一項(xiàng)有效措施，可較好的解決公路隧道軟弱圍巖開挖支護(hù)難題，采用正確的超前預(yù)支護(hù)方法可營(yíng)造安全的施工環(huán)境，保證隧道作業(yè)穩(wěn)步落地。結(jié)合相關(guān)理論與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，公路隧道軟弱圍巖常用超前支護(hù)技術(shù)有管棚法、機(jī)械預(yù)切糟法、預(yù)襯砌法、水平旋噴注漿法、超前小導(dǎo)管法、超前錨桿法、預(yù)注漿法、凍結(jié)法等，具體適用情況如表1所示。本文以管棚預(yù)支護(hù)為研究對(duì)象，自其引入國(guó)內(nèi)后在隧道工程中得到了成功應(yīng)用，在確保隧道安全、支護(hù)軟弱圍巖方面發(fā)揮著重要作用[2]。

表1 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)

2 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)原理與應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)原理

長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)是在隧道開挖前，在開挖輪廓外將鋼管打入提前打好的鉆孔內(nèi)，鋼管注入水泥砂漿填充巖體裂縫，實(shí)現(xiàn)管棚與周圍巖體的一體化，形成一個(gè)棚架體系，如圖1所示?；陂L(zhǎng)管棚的施作可形成加固圈，發(fā)揮“承載拱”作用，有效支護(hù)上部巖體，令內(nèi)部圍巖與支護(hù)系統(tǒng)處于一個(gè)不受荷載的狀態(tài)下，拱內(nèi)部圍巖與支護(hù)系統(tǒng)只承受通過拱向隧道方向變形而產(chǎn)生的形變壓力[3]。

圖1 管棚預(yù)支護(hù)體系示意圖

長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系作用原理具體可歸納如下：(1)梁式效應(yīng)：長(zhǎng)管棚進(jìn)口端無特殊情況下設(shè)有套拱基礎(chǔ)，遠(yuǎn)端布置在巖層內(nèi)，形成一個(gè)“簡(jiǎn)支梁”支撐結(jié)構(gòu)，有效支撐上部松動(dòng)產(chǎn)生的壓力或是傳遞上部荷載，防止隧道開挖巖體坍塌。(2)拱的效應(yīng)：隧道未施作長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)時(shí)，沿隧道橫斷面方向地層拱依托兩側(cè)邊墻周邊性對(duì)穩(wěn)定巖體為拱腳創(chuàng)建拱平衡狀態(tài)；長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系施作后，當(dāng)間距合適、注入砂漿飽滿，則每個(gè)超前管棚單元體間形成拱現(xiàn)象，由此大幅縮短拱跨，促進(jìn)圍巖迅速達(dá)到新的平衡狀態(tài)。(3)加固效應(yīng)：長(zhǎng)管棚注漿后砂漿經(jīng)由鋼管孔滲透至巖體裂縫，實(shí)現(xiàn)巖體膠結(jié)、固結(jié)，全面改善軟弱圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到預(yù)加固效果。

2.2 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)布置形式與施工方法

(1)長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)布置形式

長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系在以下情況運(yùn)用效果明顯[4]：地質(zhì)條件差、巖體破碎，自穩(wěn)能力極差的圍巖；隧道塌方段，裂隙發(fā)育的圍巖；人工填土、強(qiáng)膨脹、強(qiáng)流變性地層；淺埋偏壓隧道等。根據(jù)隧道地質(zhì)條件、管棚發(fā)揮的支護(hù)效果以及隧道與結(jié)構(gòu)物的物質(zhì)，決定了管棚有不同配置形式，其各有特點(diǎn)與適用范圍，具體如表2所示。

表2 管棚布置形式

(2)長(zhǎng)管棚施工方法

隧道工程長(zhǎng)管棚施工主要工序包括測(cè)量定位、施作套拱、鉆孔、鋼管施作、注漿封口等[5]。目前，工程實(shí)踐中管棚施工方法主要有水平鉆進(jìn)法、夯管施工法、水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法，具體如下：①水平鉆進(jìn)法：采取高壓噴射水軟化土體+鉆機(jī)鉆孔的方法，施工速度快、環(huán)保且施工精度大，但是對(duì)土體存在一定的擾動(dòng)[6]。②夯管施工法：以夯管錘將鋼管打入圍巖，鋼管選用敞口管，并用氣壓清除管內(nèi)土體，此設(shè)備簡(jiǎn)單、施工精度高，但是鋼管長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)精度控制難度增大。③水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法：以棚管代替鉆桿，使用水平定向鉆機(jī)將管棚打入土體，施工精度高，一次性可施作超過100 m的長(zhǎng)管棚，土體擾動(dòng)小且較為環(huán)保。

隧道工程建設(shè)中，需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況合理選擇施工方法，同時(shí)每道工序規(guī)范完成方可保證支護(hù)有效性。在實(shí)際施工中因地層、鉆孔坍塌、鉆具不穩(wěn)定等諸多因素的影響，極易導(dǎo)致管棚打入過程中出現(xiàn)偏離，導(dǎo)致鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)軌跡發(fā)生偏差，直接導(dǎo)致管棚施作失敗，無法發(fā)揮應(yīng)有的預(yù)支護(hù)效果。對(duì)此，在隧道工程長(zhǎng)管棚施工過程中，必須加強(qiáng)糾偏控制，及及時(shí)調(diào)整施作角度，并利用鋼尺測(cè)距儀等設(shè)備對(duì)鋼管方向、角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，此外加強(qiáng)施鉆人員培訓(xùn)，也有利于提高管棚施工精度與最終支護(hù)效果。

3 實(shí)例探析長(zhǎng)管棚施工技術(shù)在公路隧道軟弱圍巖中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目為某高速公路工程，全長(zhǎng)8.85 km，其中，隧道左、右幅全長(zhǎng)分別為5 067 m、5 143 m，隧道由兩端向中間施工，本標(biāo)段負(fù)責(zé)出口段，左、右幅施工長(zhǎng)度2 543 m、2 603 m，路段縱坡-1.206%、-1.205%。此隧道穿越山體，進(jìn)出口段位于斜坡，存在偏壓情況，屬構(gòu)造—侵蝕、剝蝕型低中山地貌。

3.2 軟弱圍巖施工方案

本項(xiàng)目偏壓段為V級(jí)圍巖，經(jīng)綜合分析決定選用預(yù)留核心土臺(tái)階法開挖，采用機(jī)械+人工+局部弱爆破施工方法，開挖循環(huán)進(jìn)尺0.6 m、臺(tái)階長(zhǎng)度9 m。本次隧道支護(hù)方法與參數(shù)如表3所示，通過隧道三維有限元模型模擬分析顯示長(zhǎng)管棚超前支護(hù)工況下施工周邊圍巖更穩(wěn)定。

表3 隧道支護(hù)方法與參數(shù)

3.3 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)施工技術(shù)要點(diǎn)

①搭設(shè)施工平臺(tái)：使用方木搭設(shè)，先下后上、先兩邊后中間，按孔位順序安裝。②鉆進(jìn)：根據(jù)地質(zhì)情況與施工條件配備2臺(tái)電動(dòng)鉆機(jī)同時(shí)作業(yè)，按導(dǎo)向管口編號(hào)從高孔位朝著低孔位施工，鉆桿對(duì)齊導(dǎo)向管，鉆機(jī)先低速運(yùn)轉(zhuǎn)后加速作業(yè)，鉆孔直徑115～130 mm。③掃孔：本項(xiàng)目選用Φ108 mm巖芯管(長(zhǎng)度>2.5 m)對(duì)鉆孔進(jìn)行清理，當(dāng)下管困難時(shí)采用高壓空氣多次掃孔。④下管：鋼花管按梅花形鉆孔，孔徑12 mm，孔間距15 cm；止?jié){段長(zhǎng)度為2.5 m，前端頭加工為10 cm錐頭。下管時(shí)，孔壁穩(wěn)定時(shí)采用直接撞擊法，否則導(dǎo)管與鉆頭齊頭并進(jìn)，管節(jié)之間使用絲扣連接，管棚間縱向搭接長(zhǎng)度≥1 m。⑤注漿：本項(xiàng)目配備2臺(tái)BW-250/50型機(jī)械注漿泵，注入P.O42.5硅酸鹽水泥漿，水灰比1∶1，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行注漿試驗(yàn)確定注漿參數(shù)，初壓0.5～1.0 MPa、終壓2.0 MPa，排氣孔溢漿時(shí)進(jìn)行終壓注漿。

3.4 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)施工效果

本項(xiàng)目隧道施工中出現(xiàn)連續(xù)降雨的情況，洞口上覆巖層受到嚴(yán)重沖刷，對(duì)施工造成較大影響。基于長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系的運(yùn)用提高了圍巖承載能力，預(yù)防了洞口段安全事故的發(fā)生，確保了隧道安全完工。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代隧道工程建設(shè)中，軟弱圍巖越加常見，由于圍巖自穩(wěn)能力差、開挖安全風(fēng)險(xiǎn)高，往往需要在超前預(yù)支護(hù)體系的保護(hù)下進(jìn)行分部開挖。隧道預(yù)支護(hù)體系中，長(zhǎng)管棚是一種常見工法，其可有效控制圍巖豎向位移量，優(yōu)化拱頂部受力狀態(tài)，確保后續(xù)開挖工作與支護(hù)體系處于安全狀態(tài)，工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定設(shè)計(jì)參數(shù)、施工設(shè)備，穩(wěn)步落實(shí)各道工序，充分發(fā)揮長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)應(yīng)有的效果，為隧道作業(yè)保駕護(hù)航。