隧道工程項(xiàng)目中的超前管棚注漿施工工藝

李揚(yáng)奇

出于安全考慮，隧道施工中需采取科學(xué)的方法穩(wěn)固圍巖，在現(xiàn)行的圍巖加固技術(shù)中，超前大管棚注漿施工工藝頗具代表性，在穩(wěn)固圍巖方面有突出作用。為此，需深入研究超前大管棚注漿施工工藝，以科學(xué)的方法施工，發(fā)揮出該項(xiàng)施工工藝的應(yīng)用價(jià)值。

一、工程概況

某四車道分離式隧道，設(shè)計(jì)速度80km/h，左線起訖里程ZK106+000～ZK108+216，長2216m；右線起訖里程K106+000～K108+174，長2174m。隧道建筑限界10.25m，凈高5.0m，采用端墻式洞門。圍巖開挖具有擾動性，而隧址區(qū)以堆積碎石土層居多，自穩(wěn)能力有限，在開挖過程中易引發(fā)圍巖坍塌事故，需加強(qiáng)對圍巖的加固處理。

二、超前管棚注漿施工工藝的重要性及原理

（1）工藝的重要性分析。本隧道的開挖斷面尺寸大，洞口埋設(shè)淺，圍巖土體以泥巖和砂巖居多，均缺乏密實(shí)性與穩(wěn)定性，隧洞進(jìn)洞難度大，有坍塌風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)安全施工的基本要求，在工程初期采取安全防護(hù)措施。以超前大管棚注漿的方式對洞口段堆積體做加固處理，固結(jié)穩(wěn)定后方可開挖。經(jīng)過超前大管棚注漿施工后，開挖輪廓線的外圈形成棚幕和殼體結(jié)構(gòu)，有利于提升洞口部位邊仰坡的穩(wěn)定性，給隧道進(jìn)洞營造安全的施工環(huán)境，足以見得超前管棚注漿施工工藝在本隧道工程中的重要性。

（2）工藝原理。于管棚開挖部位的洞頂輪廓線周邊范圍內(nèi)打設(shè)鋼管，管內(nèi)注漿，利用漿液固結(jié)巖土體。管棚的打設(shè)和漿液的注入均完成后，隧道縱向形成梁結(jié)構(gòu)，橫向形成拱結(jié)構(gòu)，圍巖與打設(shè)的鋼管共同作用，形成剛度較大、穩(wěn)固性較好的固結(jié)圈，經(jīng)過加固施工后，圍巖的自穩(wěn)能力、承載性能均有顯著的改善，圍巖變形的可能性明顯降低。

管棚由鋼管以及鋼格柵拱架構(gòu)成，分別用作縱向支撐及橫向環(huán)形支撐，圍巖的變形將由于管棚的建設(shè)而受到抑制，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。管棚加固的適用性較好，在某些具有特殊地質(zhì)情況的隧道工程下，如強(qiáng)膨脹性地層、巖堆地段以及破碎巖體等，是一種可行的方法。

三、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)置

（1）在距離隧道拱段開挖線10cm處的位置設(shè)置管棚孔，每環(huán)35根，間隔40cm。

（2）鋼管是管棚的重要組成材料，采用的是壁厚8mm、外徑φ108的無縫鋼管。分段有序安裝，其中第一段按奇、偶數(shù)編號，兩者的鋼管長度相差2m，其余部分的長度基本相同。每環(huán)的總長度是30m，兩個(gè)相鄰的節(jié)段通過螺釘連接，連接長度和連接穩(wěn)定性均要達(dá)標(biāo)。按梅花型布置的方式在鋼管上布設(shè)φ10mm注漿孔，孔距50cm，尾端2m不鉆孔（作為止?jié){段）。取適量固定短環(huán)及螺紋鋼筋，構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)固的鋼制框架，將其置于鋼管中，以增強(qiáng)其強(qiáng)度與剛性，其中固定環(huán)的長度為4cm，外徑為42mm，壁厚8mm。縱向兩組管棚的水平搭接長度不少于3.0m，以維持管棚整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）將鋼筋籠置于鋼管內(nèi)部，澆注漿料，采用鋼筋籠及水泥漿增強(qiáng)鋼管的剛性，維持鋼管的穩(wěn)定性。

（4）超前管棚注漿施工的漿液按照0.5：1的水灰比進(jìn)行制備，局部的漿液擴(kuò)散范圍大或地下水發(fā)育時(shí)，采用水泥-水玻璃雙液漿。組成漿液的原材料在質(zhì)量、數(shù)量方面均要達(dá)標(biāo)，而后在0.5～1MPa的壓力下進(jìn)行灌漿。

四、超前管棚注漿支護(hù)施工工藝的具體應(yīng)用

1. 測量放樣

（1）第一環(huán)大管棚

利用坐標(biāo)法測定管棚的起始中心里程，確定中心線的垂直方向并沿著此方向按照每邊2個(gè)的數(shù)量要求布設(shè)控制樁，進(jìn)而沿著該方向設(shè)鋼格柵，起到定位的作用。各導(dǎo)管的中心線方向也需精準(zhǔn)測定而得，設(shè)置2根控制樁，在鋼網(wǎng)兩端焊接20cm長、φ20的短鋼頭，使裝置起到引導(dǎo)作用。為了保持鋼格柵的穩(wěn)固，需在網(wǎng)架下面設(shè)置5個(gè)I18型工字鋼，以此增加其支撐的穩(wěn)定性。

（2）鉆孔的控制

方向和傾斜度是鉆孔時(shí)的重點(diǎn)控制指標(biāo)：

①方向的控制。沿導(dǎo)管中心線方向釘2個(gè)方向樁，鉆孔過程中以此為參照基準(zhǔn)，準(zhǔn)確控制鉆孔的方向。

②傾斜度的控制。考慮兩個(gè)方面：a.孔內(nèi)，在距孔口2m處、1/2孔深處、終孔處用精密水平陀螺儀測量傾斜度，對比分析測量結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，判斷是否存在不達(dá)標(biāo)的鉆孔，若有需封孔、重鉆。b.孔外：通過對鉆頭中心及管孔的高度進(jìn)行測量，按照實(shí)測資料進(jìn)行鉆孔傾斜角度的控制。

（3）第二環(huán)大管棚

①圍巖開挖后，將提前準(zhǔn)備好的鋼格柵支撐和錨桿布設(shè)到位，掛網(wǎng)噴射混凝土，覆蓋開挖的巖面，避免由于外部因素的作用而導(dǎo)致巖面失穩(wěn)。為第二環(huán)大管棚增設(shè)工作室，以便完成打設(shè)、掛網(wǎng)噴錨等相關(guān)工作，工作室的大小與設(shè)計(jì)的外形相比較稍微增大，其縱向剖面如圖1所示。

圖1 工作室縱斷面

②洞內(nèi)空間狹窄，在此特殊環(huán)境中施作第二環(huán)大管棚時(shí)，易由于空間侵占過多而導(dǎo)致后續(xù)工序難以順利進(jìn)行。為了克服這種限制，在鉆機(jī)主體中部以上的初支拱處設(shè)置點(diǎn)，利用這些點(diǎn)的高程資料可以計(jì)算出鉆機(jī)的中心高度，此時(shí)鉆孔的傾斜度控制也更具便捷性，可根據(jù)鉆孔和鉆頭中心兩個(gè)點(diǎn)的高度精確控制。

2.鉆孔

（1）對開挖剖面的中線和高程進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定開挖的邊長是否符合要求，如果正確，進(jìn)行拱架施工，標(biāo)示出管棚位置。

（2）有效改善鋼框架的安裝精度，中線和高程允許偏差為±5cm，縱向角度偏差為±2°。管棚孔沿著開挖剖面的縱剖面鉆設(shè)，其鉆孔次序見圖2。

圖2 兩臺鉆機(jī)鉆孔順序示意圖

（3）Ⅰ、Ⅱ部同時(shí)開孔，Ⅲ部和Ⅳ部同時(shí)開孔，施工人員聽從指揮，控制開孔鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使兩臺鉆機(jī)同步運(yùn)行。上導(dǎo)坑的開挖采取人工作業(yè)的方法，效率較低，需要加強(qiáng)現(xiàn)場協(xié)調(diào)，在確保安全、質(zhì)量的基礎(chǔ)上，增加管棚設(shè)置的工作效率，并為人工開挖提供充分的時(shí)間。

（4）嚴(yán)格按照所布置的孔位進(jìn)行鉆孔，孔底的位置誤差應(yīng)小于孔深的10‰，孔眼與設(shè)計(jì)值之間的誤差不得大于±5cm。

（5）鉆頭選用φ130合金鉆頭，根據(jù)地質(zhì)情況可適當(dāng)調(diào)整，如遇孤巖時(shí)，可選用金剛石鉆頭。初期以低壓、慢轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行開孔，根據(jù)開孔狀況及時(shí)采取控制措施，確認(rèn)各項(xiàng)開孔條件均無誤后，逐步提高鉆速，進(jìn)入正常鉆進(jìn)狀態(tài)。根據(jù)地質(zhì)條件的不同動態(tài)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，例如遇大孤石時(shí)以高壓、低速的狀態(tài)鉆孔。清水護(hù)壁，定期清理取芯管內(nèi)的巖芯。鉆孔位置即將接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，用水清理孔內(nèi)的泥漿以及各類雜物，要求孔內(nèi)保持干凈，同時(shí)孔壁的完整性、孔深的順直性各方面均要達(dá)標(biāo)。

3. 配管

為維持大管棚結(jié)構(gòu)的完整性和受力的穩(wěn)定性，鋼管接長時(shí)接頭錯(cuò)開2m。鋼管接長方法分第一環(huán)、第二環(huán)兩部分進(jìn)行選擇，分別采用外套管法、絲扣法。

（1）外套管法：只在兩個(gè)管道的連接外設(shè)置一條長40cm、φ127×4mm的外套管，用電弧焊技術(shù)來解決兩個(gè)管道之間的間隙。

（2）內(nèi)套管法：于一根管子的兩端分別車公螺母、母螺母，螺紋深度不超過壁厚的1/2，長度不少于15cm。兩根管套在一起后，用力擰緊。

4. 送管

在施工現(xiàn)場有足夠的場地時(shí)，可以使用大型設(shè)備工作，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行具有標(biāo)準(zhǔn)化特性，能夠以規(guī)范的方式保證施工質(zhì)量，同時(shí)減輕員工的勞動強(qiáng)度。第一環(huán)大管棚施工環(huán)節(jié)，用CAT320挖掘機(jī)挖斗向前送管；施工推進(jìn)至第二環(huán)后，現(xiàn)場條件出現(xiàn)變化，場地偏狹窄，僅能采用鉆機(jī)進(jìn)行送管。鉆完成孔后，由主動鉆桿帶動大導(dǎo)管，在轉(zhuǎn)動時(shí)同步前進(jìn)，使導(dǎo)管能順利地推動到位。

5. 管口封閉

將帶孔的鋼板焊接在管道的端部，用注漿管與之焊接至一體。為滿足注漿要求，采用三通構(gòu)造的注漿管，一通為沖洗用，一通接塑膠管，一通接φ108×8的大導(dǎo)管。其中，沖洗孔的功能是對管內(nèi)泥漿進(jìn)行及時(shí)沖刷，防止因泥漿的固化而造成堵塞。

6. 注漿

（1）注漿施工參數(shù)

①在φ108×8mm鋼管上，按照50cm的間距依次鉆φ10mm出漿孔，在鋼管末端2m處無需進(jìn)行鉆孔（用作止?jié){段）。

②在隧道內(nèi)開挖等高處鋪設(shè)鋼管，其間距為0.4m，外傾角為1°，前后兩排鋼管水平搭接長度不少于3m，以維持鋼管搭接的穩(wěn)定性。

③單液注漿，按0.5：1的水灰比拌制漿液，遇漿液擴(kuò)散范圍大或地下水較發(fā)育的地區(qū)時(shí)，調(diào)整為水泥-水玻璃雙液漿。水玻璃模數(shù)2.6～2.9，水灰比0.5：1，水泥漿與水玻璃的體積比為1：0.3。漿液制備完成后，以0.5～1.0MPa的注漿壓力壓注到位。

（2）注漿量的計(jì)算

用下式計(jì)算出大導(dǎo)管的灌漿量：

式中：r是泥漿的擴(kuò)散半徑，m；H是大導(dǎo)管的長度，取24m；η是巖石的孔隙度，取0.6；a是填充系數(shù)，取0.3。

（3）漿液的制備方法

①向拌和機(jī)內(nèi)按比例摻入材料后進(jìn)行攪拌，得到均勻性較好的水泥漿液。基本流程是：放水過程中加入外加劑進(jìn)行攪拌，水量加至設(shè)計(jì)值后，做1min的攪拌，而后投入水泥并持續(xù)不少于3min的攪拌處理。

②注漿采用水玻璃漿液時(shí)，將濃度控制在25～40oBe，采取邊加水邊攪拌的方法，通過水的加入稀釋水玻璃。攪拌過程中用波美計(jì)測量，對水玻璃漿液的品質(zhì)進(jìn)行判定。

（4）注漿方法和注漿順序

①注漿方法：根據(jù)施工場地地質(zhì)條件、鉆孔規(guī)格以及器械設(shè)備性能等因素，采用全孔灌漿技術(shù)，其基本過程是從鉆孔底部，一次完成孔內(nèi)的注漿作業(yè)，即注漿作業(yè)連續(xù)進(jìn)行，注入的漿液需飽滿密實(shí)。

②注漿順序。按照“先無水孔、后有水孔”的順序注漿，優(yōu)先從拱部開始，按照對稱的方式向下部推進(jìn)。注漿施工人員加強(qiáng)觀察，存在跑漿、竄漿現(xiàn)象時(shí)，調(diào)整為間隔一孔注漿的方法，必要時(shí)間隔多孔注漿。通過止?jié){閥的應(yīng)用，使注漿后的孔內(nèi)壓力維持穩(wěn)定，以便漿液的有效固結(jié)。注漿壓力是影響注漿效果的關(guān)鍵指標(biāo)，需根據(jù)地層條件和注漿范圍做靈活的調(diào)整，通常需使?jié){液擴(kuò)散至管周0.5～1.0m的半徑范圍內(nèi)。

（5）注漿結(jié)束條件

當(dāng)滿足下列情況時(shí)，完成單孔注漿工作：注漿壓力應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，注漿量大于理論計(jì)算值80%。

當(dāng)滿足下列情況時(shí)，完成全部區(qū)域的注漿工作：每一孔的注漿效果均滿足上述規(guī)定（根據(jù)上述單孔的完成條件），且未見注漿孔存在漏漿現(xiàn)象。

五、結(jié)語

綜上所述，為解決隧道施工中的圍巖失穩(wěn)問題，工程從現(xiàn)場地質(zhì)條件出發(fā)，在開挖前做好超前管棚注漿作業(yè)，利用搭建的管棚和注入的漿液穩(wěn)固圍巖，營造安全的隧道施工環(huán)境。經(jīng)過本文有關(guān)于超前管棚注漿施工工藝的分析，明確了大管棚支護(hù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出超前管棚注漿施工的流程及具體作業(yè)要點(diǎn)，包含管棚搭設(shè)、漿液制備、注漿等細(xì)分作業(yè)內(nèi)容，希望所提內(nèi)容可作為同仁的參考。