淺談超前管棚支護技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用機理

楊秋廷

摘要：超前管棚支護是目前隧道施工中處理軟弱、破碎與淺埋偏壓等不良圍巖地質(zhì)的一種有效施工方法。文章主要通過結(jié)合工程實例介紹分析管棚作用機理、管棚設(shè)計與施工要點及適用范圍等內(nèi)容，論證管棚施工在隧道施工中的價值。

關(guān)鍵詞：隧道施工；超前管棚支護；施工工藝

隨著我國高速鐵路、公路建設(shè)的飛速發(fā)展和工程設(shè)計、施工技術(shù)水平的不斷進步，公路等級要求的不斷提高，同時在提倡盡量少占耕地與環(huán)保的設(shè)計背景下，使得隧道工程在公路工程中的比例越來越大。而部分隧道所處地段存在地質(zhì)情況差、埋深淺、開挖斷面大等情況，這就給隧道施工帶來了極大的難度。眾多工程實踐表明，超前管棚支護技術(shù)是克服上述情況的最為有效的輔助施工方法之一。

在不良地質(zhì)施工困難地段，如破碎的巖體、塌方體、巖堆地段、砂土質(zhì)地層、強膨脹地層、裂隙發(fā)育巖體、斷裂破碎帶、淺埋偏壓等圍巖，采用管棚支護能取得較好的效果；在流塑狀巖體或巖溶嚴重流泥地段，采用管棚與圍巖預(yù)注漿相結(jié)合的手段更是行之有效的方法。本文在總結(jié)大量超前管棚應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上，對管棚的作用機理、設(shè)計參數(shù)及施工工藝等方面進行了綜合的探討。

一、工程概況

萬源（陜川界）-達州（徐家壩）高速公路萬源段的吳家河隧道，設(shè)計為分離式隧道。左線長433.47m，右線長500m，隧道凈寬為2×10.25m，內(nèi)輪廓凈高5.0m，兩隧道軸線間距20m。隧道所處位置屬剝蝕侵蝕中低山地，地形起伏較大，中間高兩頭低，山體侵蝕現(xiàn)象嚴重。隧道整體設(shè)計埋深較淺其中LK34+648-LK34+780、LK34+930-LK35+058、K34+691-K34+805、K34+940-K35+175洞口段設(shè)計均為II類淺埋偏壓加強圍巖，埋深在0-15m，而隧道地表坡積覆蓋層較厚就達0-12m，同時上述里程隧道均位于山體坡腳處偏壓嚴重。地表覆蓋層地質(zhì)主要為坡積碎石土，隧道部分地質(zhì)情況復(fù)雜，洞口段主要為亞粘土、碎石土；洞身圍巖主要為強、弱風(fēng)化鹽溶角礫巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥巖，巖體呈松散結(jié)構(gòu)，節(jié)理面破碎夾泥質(zhì)充填物、風(fēng)化嚴重，整體性差，同時存在不良巖溶地質(zhì)。總體分析隧道地質(zhì)：淺埋、偏壓、破碎，開挖后易失穩(wěn)，易滑塌。

二、施工方案

根據(jù)現(xiàn)場情況和工期的需要，左右線采用單向前后交錯平行作業(yè)掘進。洞口處偏壓嚴重，各洞口端采用長22m大管棚進行超前預(yù)注漿，加固松散地層，在開挖面形成簿殼，整體受力，發(fā)揮拱環(huán)效應(yīng)，有效防止仰坡面失穩(wěn)，防止地表坍方、下沉，并緩解偏壓影響，解決隧道洞口開挖的困難。超前支護圍巖后配以HK180a型鋼鋼架噴錨聯(lián)合支護，在監(jiān)控量測技術(shù)的指導(dǎo)下順利進行隧道開挖作業(yè)。

三、管棚設(shè)計

（一）管棚設(shè)計參數(shù)

1、管棚棚管采用?覬108×6mm熱軋無縫鋼管，鋼管導(dǎo)向端做成尖形，承壓端焊上鋼箍，管口預(yù)留2m左右止?jié){段，注漿孔按孔徑10mm，間距50cm沿孔壁呈梅花形布置。

2、管棚布置在開挖斷面拱部120°范圍內(nèi)，環(huán)向間距為40cm，布置管棚33根。

3、鋼管長度為22m，當采用分段連接時采用4-9m，鋼管并用絲扣連接，絲扣長度不小于15cm。

4、鋼管沿隧道開挖輪廓線縱向近水平外插設(shè)置，外插角為3-5°。

5、鋼管施工徑向誤差不大于20cm，沿相鄰鋼管方向不大于5cm。

6、縱向管棚水平搭接長度不小于1.5m。

（二）注漿參數(shù)

1、注漿采用水灰比1:1單液水泥漿，有水地段在早期強度與堵水要求較高時可采用CS雙液漿。

2、注漿壓力：0.5-2Mpa。

3、止?jié){墻根據(jù)圍巖條件確定，可采用10-20cm厚噴砼封閉斷面，洞口段可直接利用套拱作為止?jié){封閉斷面設(shè)置。

4、注漿前先進行注漿現(xiàn)場試驗，根據(jù)實際情況確定合理注漿參數(shù)，擴散半徑、注漿量等。

5、單根鋼管注漿量：Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β。式中：r——鉆孔半徑，0.125／2=0.06125m；L——管棚長度，考慮與套拱連接，取24m；R——為漿液擴散半徑，取0.4m；η——地層孔隙率，經(jīng)測試為9%：α——漿液有效充填率，取0.9；β——漿液損耗系數(shù)，取1.15；單根管棚注漿量：Q=1.41m3。

四、管棚施工

大管棚超前支護工藝程序為（見圖1）：施工準備-套拱施工（安裝導(dǎo)向管）-搭設(shè)鉆孔平臺-安裝鉆機（確定孔位）-鉆孔-管棚安裝（封口）-管內(nèi)注漿-進入下道工序。

（一）定向和布孔

布孔參照相關(guān)的設(shè)計圖紙，測量放樣畫出管棚孔位，相鄰孔位誤差不大于5cm。管棚定向采用套拱預(yù)埋導(dǎo)向管：施工套拱，安裝導(dǎo)向管，導(dǎo)向管長2m，導(dǎo)向管方向嚴格按外偏角設(shè)置并固定在鋼架上。

（二）鉆孔

1、鉆孔前先檢修鉆孔機具，確保其正常運轉(zhuǎn)，并檢查水壓能否達到施工要求，鉆孔時嚴格按放樣位置開鉆。

2、開鉆上挑角度控制在3-5°之間，并隨時檢查角度值和鉆進方向，以避免因鉆桿太長，鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進方向不易控制等現(xiàn)象。

3、鉆孔速度應(yīng)保持勻速，特別是鉆頭遇到夾砂土層、孤石時，控制鉆進速度，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象或鉆偏。

4、鉆孔過程中應(yīng)根據(jù)實際情況采取各種措施確保成孔質(zhì)量。

（三）安裝管棚

1、鋼管提前預(yù)制加工，合理分段，并運到施工現(xiàn)場。

2、成孔后及時檢查并安裝管棚鋼管，防止坍孔，鋼管逐節(jié)頂入，采用絲扣連接。

3、鋼管頂入后，將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實，并在外露端焊上法蘭盤與注漿管口連接牢固，嚴格檢查焊接強度和密實度。

（四）管棚注漿

1、施工準備。首先檢查機械是否正常運轉(zhuǎn)，管路是否通暢。確認正常后先做壓漿試驗，確定注漿參數(shù)無誤，正式壓漿。

2、注漿。水泥漿拌制均勻，注漿采用間隔形式進行，過程中要隨時檢查孔口、鄰孔、其他坡面處有無串漿現(xiàn)象，如有串漿，立即停止注漿，采用錨固劑、速凝水泥砂漿等進行封堵。

3、結(jié)束標準。采用終壓和注漿量雙控制。以單管設(shè)計注漿量為標準，當注漿壓力達到設(shè)計終壓不小于20min，進漿量仍達不到設(shè)計標準時，也可結(jié)束注漿。

4、效果檢查。開挖檢查漿液滲透及固結(jié)狀況，根據(jù)壓力漿量曲線分析判斷，沒達到設(shè)計要求時，應(yīng)進行補孔注漿，同時注漿固結(jié)12小時后才可進行開挖施工。

五、施工效果檢測

參照超前管棚效果檢測方法，本施工技術(shù)的支護效果的檢測從以下方面著手：首先，通過隧道現(xiàn)場開挖情況來看，除極少數(shù)鋼管出現(xiàn)質(zhì)量問題，使絲扣斷裂，有沉陷外，絕大部分符合設(shè)計要求，而注漿基本達到頂預(yù)期加固目的，注漿固結(jié)體強度可達12.5Mpa。通過拱頂位移計（精度為0.1mm）和精密水準儀及凈空水平收斂計量測管棚及所支護的圍巖下沉位移值及周邊收斂值（部分檢測結(jié)果見表1）發(fā)現(xiàn)，位移值并沒有出現(xiàn)隨時間急驟增長現(xiàn)象，且整體最終均逐漸趨進穩(wěn)定，控制在《公路設(shè)計規(guī)范》要求的容許范圍內(nèi)，說明整體支護效果好。

六、管棚作用機理分析

根據(jù)以上施工分析管棚超前支護施工技術(shù)的作用機理在于：

（一）自然拱效應(yīng)

通過管棚注漿，使拱部開挖線外周邊圍巖預(yù)先形成加固的保護環(huán)。而加固環(huán)發(fā)揮自然“承載拱”的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重量，使拱內(nèi)部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力，從而創(chuàng)造了理想的開挖條件。

（二）托梁效應(yīng)

洞口管棚桿體本身在套拱及后續(xù)開挖型鋼支護與未開挖巖體支護下形成一自然托梁整體。一方面防止了地表下沉，另一方面將受到的圍巖壓力平均分配到洞身周圍，大大減少了圍巖傳遞給初支的荷載。

（三）聯(lián)合支護效應(yīng)

在管棚支護、徑向中空錨桿注漿等聯(lián)合支護作用下將開挖破壞后圍巖主要壓力自然轉(zhuǎn)移至周邊注漿加固圍巖，使隧道支護本身承受極少部分圍巖壓力，充分發(fā)揮支護與圍巖本身共同作用進行支護來維持支護的穩(wěn)定。在淺埋地質(zhì)破碎地帶超前大管棚充分發(fā)揮了錨噴聯(lián)合支護的作用。形成整體支護，有效地保證了掘進施工和初期支護的安全。

七、總結(jié)

吳家河隧道洞口采用超前管棚施工，已安全順利進洞施工，進一步說明超前大管棚支護對于各種特殊、困難地段有足夠的可靠性能與較好的適用性，對各種不良地質(zhì)處理能夠取得良好效果。

隨著我國道路交通建設(shè)的迅速發(fā)展，隧道工程施工日益增多，在面臨不良地質(zhì)條件的隧道掘進施工和事故處理，超前管棚支護技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，也為隧道施工與其他地下工程建設(shè)提供了可貴的參考。

（作者單位：中鐵七局集團武漢公司）