談無(wú)工作室大管棚在膨脹土隧道施工中的應(yīng)用

馮世彪

(山西太興鐵路有限責(zé)任公司，山西太原 030013)

1 工程概況

小河溝隧道位于山西省太原市婁煩縣，該段為黃土梁、峁地貌，山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，出露標(biāo)高約1 266 m～1 170 m，相對(duì)高差約96 m。地表多為種植土，出露巨厚的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積沖積形成的砂質(zhì)黃土;在地表下20 m～60 m為膨脹土，膨脹潛勢(shì)等級(jí)為弱，在勘探深度內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)地下水。隧道起止里程為DK73+754～DK75+557，為全長(zhǎng)1 803 m的雙線隧道，最大埋深約82 m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1)地形地貌。小河溝隧道所處地段主要為黃土梁、峁地貌，山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形。地面高程1 164 m～1 269.6 m，最大高差約160 m，其中里程DK75+557～DK75+250為黃土梁地貌，DK75+250～DK75+000為一沖溝，左岸為一老滑坡，DK75+000～DK74+150為黃土峁地貌，DK74+150～DK73+754為黃土斜坡，整體坡度約45°，右側(cè)有一沖溝。2)地層巖性。小河溝隧道隧址區(qū)主要地層有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積沖積形成的砂質(zhì)黃土、粘質(zhì)黃土、第三系(N)膨脹土。a.砂質(zhì)黃土黃褐色，松散～密實(shí)，稍濕，成分以砂質(zhì)黃土為主，層厚大于50 m。b.膨脹土(N):棕紅色，硬塑，結(jié)構(gòu)致密，呈菱形狀，土內(nèi)分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發(fā)育，由細(xì)膩的膠體顆粒組成，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核，斷口光滑，膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土，承載力為σ0=150 kPa～200 kPa，該層位于地表下20 m～60 m，層頂?shù)匦纹露绕骄?，坡度小?2°，無(wú)明顯的自然陡坎，膨脹潛勢(shì)等級(jí)為弱，隧道洞身開(kāi)挖后根據(jù)膨脹土的自由膨脹率判定為強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。3)水文地質(zhì)條件。勘探范圍內(nèi)無(wú)地表及地下水，勘察深度范圍內(nèi)無(wú)統(tǒng)一穩(wěn)定水位，DK75+058～DK75+090段為人工開(kāi)挖的深溝，有上層滯水、裂隙水，隧道洞身開(kāi)挖后裂隙水發(fā)育，土質(zhì)含水量較大。

3 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，其工程特性極不穩(wěn)定。一般來(lái)講含水量較少的膨脹土，膨脹土強(qiáng)度很高，但遇水后強(qiáng)度降低速率較快，穩(wěn)定性較差，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞可能性較大。反之，含水量較高的膨脹土，由于大部分膨脹已經(jīng)完成，進(jìn)一步膨脹將不會(huì)很大。但應(yīng)注意的是，在水位下降或暴露于地表時(shí)，易發(fā)生失水收縮性，其強(qiáng)度變化對(duì)結(jié)構(gòu)也極為不利。小河溝隧道所經(jīng)膨脹地層具有很高的膨脹潛勢(shì)，雨水下滲至膨脹土層，膨脹土遇水產(chǎn)生垂直和水平兩個(gè)方向的體積膨脹，圍巖變化速率急劇。

4 塌方情況及原因分析

小河溝隧道出口2011年7月31日由于暴雨，雨水下滲至膨脹土使其遇水膨脹強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致隧道初支發(fā)生變形，出現(xiàn)拱頂下沉和水平收斂急劇變化，導(dǎo)致DK75+193～DK75+262.7段山體發(fā)生滑移、坍陷，隧道初支被破壞，土體侵入、掩埋隧道。

5 大管棚施作方案比選

小河溝隧道滑塌發(fā)生后，項(xiàng)目部組織專家論證會(huì)兩次，專家們實(shí)地踏勘，并及時(shí)指出小河溝隧道塌方段進(jìn)洞措施，先對(duì)滑塌段進(jìn)行超前大管棚支護(hù)加固，穩(wěn)定圍巖。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)有施作管棚技術(shù)有兩種:一是普通施作管棚法及有工作室施作管棚，二是由專業(yè)管棚機(jī)施作及無(wú)工作室施作大管棚，由于對(duì)坍塌體了解情況不明，如果采用有工作室施作管棚對(duì)施工及安全不利，當(dāng)務(wù)之急項(xiàng)目部決定采用金星9000專業(yè)管棚機(jī)施作及無(wú)工作室施作管棚，及時(shí)對(duì)管棚進(jìn)行注漿，目的是對(duì)圍巖起加固作用。

6 無(wú)工作室大管棚施作

1)無(wú)工作室大管棚施作方案:為更好地固結(jié)塌方影響范圍內(nèi)松散土體，在里程DK75+262～DK75+193段加設(shè)超前大管棚支護(hù)，采用專業(yè)鉆孔機(jī)金星9000鉆孔，該段初支預(yù)留變形量取70 cm，依托1榀Ⅰ25a的鋼架采取無(wú)工作室管棚施工。采用φ108超前大管棚，長(zhǎng)15 m，環(huán)向間距40 cm，外插角1°～3°，31根并及時(shí)注漿。

2)施工技術(shù)要點(diǎn)。a.施工工序與步驟。開(kāi)挖一榀拱架間距→立帶有鉆孔的Ⅰ25工字鋼→C25混凝土封閉鋼架上→修筑鉆孔機(jī)操作平臺(tái)→鉆孔→裝管→安裝止?jié){閥→施作止?jié){墻→管棚注漿。b.大管棚與預(yù)注漿。第一，管棚參數(shù)。鉆孔仰角1°～3°，鉆孔孔徑135，管棚間距30 cm，管棚長(zhǎng)度15 m，采用φ108(厚6 mm)無(wú)縫鋼管，共計(jì)31根管棚，鋼管前端20 cm做成尖錐狀，尾部2 m設(shè)止?jié){段，尾口設(shè)止?jié){塞、止?jié){閥。溢漿孔直徑10 mm、間距15 cm，梅花形布置。第二，管棚注漿。注漿材料采用雙液漿，雙液漿∶水泥漿(W∶C)=0.8∶1 ～1.5∶1，水玻璃漿35 Be'，C∶S=1∶1 ～1∶0.7，注漿終壓0 MPa～7 MPa，注漿原則:從下往上，間隔跳孔注漿，以加強(qiáng)鋼管的剛度。

7 技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵

1)鉆孔時(shí)鉆孔機(jī)就位，由于圍巖土體松散，鉆孔機(jī)本身角度不能自由調(diào)節(jié)，只能靠加固土體，牢固穩(wěn)定的基礎(chǔ)才能為鉆孔機(jī)施作準(zhǔn)確的角度提供有利條件，加固基礎(chǔ)是施作管棚的關(guān)鍵技術(shù)。2)塌方體內(nèi)圍巖是膨脹土，膨脹土含有豐富的蒙脫石與漿石，且膨脹土長(zhǎng)期在水的作用下，失去粘性，無(wú)強(qiáng)度，基本呈流塑狀態(tài)，大管棚施鉆困難，成孔性差、容易卡鉆、下管難度大。這些問(wèn)題的解決直接關(guān)系到15 m管棚的安裝成功率和注漿的效果，也是管棚施作的難點(diǎn)所在。3)塌方體松散度大，且在塌方段存在二襯臺(tái)車空腔段，初支空腔段等。由于注漿區(qū)域廣而連通性好，因此必須對(duì)注漿順序及注漿工藝進(jìn)行詳細(xì)計(jì)劃，以防止?jié){液向空腔地區(qū)擴(kuò)散，控制注漿量，盡量以最小的注漿量獲得最好的注漿效果。

8 主要技術(shù)措施

1)鉆頭革新。專業(yè)鉆孔機(jī)結(jié)合空壓機(jī)采用孔徑為135的沖擊鉆對(duì)膨脹土隧道施工，由于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查不清楚，膨脹土在水的作用下，失去粘性，基本呈流塑狀態(tài)，又加塌方體坍碴情況比較復(fù)雜，沖擊鉆在施作鉆孔6 m的位置卡鉆無(wú)進(jìn)尺，為保證φ135管棚的順利施作，有必要對(duì)鉆頭進(jìn)行改革，采用鑲有合金的三翼鉆頭，三翼鉆頭在流塑狀態(tài)下施工很順利，很快達(dá)到10 m，膨脹土中還有豐富的蒙脫石加漿石，三翼鉆頭無(wú)力，只能換沖擊鉆，在沖擊鉆和三翼鉆頭結(jié)合使用情況下，φ135鉆孔勉強(qiáng)鉆進(jìn)14.5 m，在此期間耗費(fèi)時(shí)間整整48 h，為了提高鉆進(jìn)速度與質(zhì)量，有必要再次對(duì)鉆頭革新，采用螺旋鉆施鉆，在螺旋鉆的施鉆下，15 m成孔只需4 h，克服了沖擊鉆與三翼鉆頭的難題，鉆孔最深可達(dá)20 m，施工事實(shí)證明，螺旋鉆為膨脹土隧道管棚成孔創(chuàng)造了有利的條件。2)機(jī)械配合鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)頂管。裝管過(guò)程中，鋼管前端20 cm做成尖錐狀，采用機(jī)械配合鉆機(jī)頂推裝管，由于鋼管與成孔之間摩擦造成許多坍碴、碎石，使管壁的摩阻力加大，鉆進(jìn)負(fù)荷扭矩變大，致裝管困難，同時(shí)也容易產(chǎn)生管接頭因推力過(guò)大而發(fā)生斷管等嚴(yán)重事故，一旦發(fā)生斷管現(xiàn)象，則整個(gè)管將被廢棄。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試鉆情況，鋼管在頂推到不能掘進(jìn)的里程后，在距鋼管尾部1 m的地方鉆孔，孔徑φ22。使φ22螺紋鋼穿過(guò)此孔，利用專業(yè)管棚機(jī)鉆孔底座，旋轉(zhuǎn)頂管以達(dá)到理想的裝管情況。3)總體施工工序的調(diào)整。按設(shè)計(jì)，應(yīng)首先鉆孔、裝管、安裝止?jié){閥、施作止?jié){墻、注漿的順序，由于土體松散，管棚注漿量大，注漿工作時(shí)間長(zhǎng)，管棚施工完成后不得急于開(kāi)挖。為此，對(duì)施工工序進(jìn)行了調(diào)整，即在管棚機(jī)鉆孔半幅完成后，及時(shí)裝管，并做止?jié){閥，封閉導(dǎo)向鋼架，施作注漿，管棚機(jī)可調(diào)轉(zhuǎn)方向進(jìn)行下半幅的鉆孔掘進(jìn)與裝管，但為確保已施作好的半幅管棚孔的注漿加固效果不干擾相鄰鉆孔效果，在注漿時(shí)采用由下往上、間隔跳孔注漿原則，鉆孔從上往下跳孔鉆孔，間隔裝管的原則?？傮w施工工序的調(diào)整為施工工期爭(zhēng)取了時(shí)間，同時(shí)也保證了周邊注漿加固與鉆孔的效果。

9 結(jié)語(yǔ)

1)采用螺旋鉆鉆孔以后，管棚施工僅用了不足6 d時(shí)間即完成15 m管棚的裝管、注漿全過(guò)程，整個(gè)管棚施工過(guò)程安全順利，為隧道施工節(jié)約了時(shí)間。這進(jìn)一步驗(yàn)證了螺旋鉆在膨脹土隧道無(wú)工作室管棚施工中起到很重要作用。2)根據(jù)開(kāi)挖中揭示的情況，注漿固結(jié)體與管棚的共同棚架護(hù)拱作用是確保開(kāi)挖順利，防止塌方繼續(xù)發(fā)展，在管棚施工中必須重視注漿對(duì)地層的改良作用。3)無(wú)工作室大管棚的施工技術(shù)為處理坍塌的膨脹土隧道提供了安全與質(zhì)量保證。

［1］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］.

［2］鐘桂彤.鐵路隧道［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1990.