超前小導(dǎo)管支護(hù)快速進(jìn)洞技術(shù)在軟弱圍巖隧道工程中的應(yīng)用

吳旦，皮圣，荊永波，楊玉貴

(1.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001； 2.蒙西華中鐵路股份有限公司；3.中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司； 4.珠海信能建設(shè)工程有限公司)

長(zhǎng)大管棚作為超前預(yù)支護(hù)加固手段因具有防坍塌、阻隔沉降、均勻地層沉降、提高圍巖力學(xué)參數(shù)的作用，廣泛應(yīng)用于淺埋、偏壓、破碎帶以及下穿重要構(gòu)筑物地段。超前小導(dǎo)管作為預(yù)支護(hù)的另外一種加固手段，目前廣泛應(yīng)用于破碎圍巖的輔助加固措施。經(jīng)過(guò)近20年大規(guī)模的隧道工程建設(shè)，大跨度隧道進(jìn)洞施工基本形成了以超前長(zhǎng)大管棚預(yù)支護(hù)，開(kāi)挖過(guò)程中采用超前小導(dǎo)管輔助加固措施，CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺(tái)階七步流水法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法等成熟工法開(kāi)挖，采用長(zhǎng)大管棚作為隧道進(jìn)洞的超前預(yù)支護(hù)已形成了“模塊化”設(shè)計(jì)。在直立性較好的黃土地段，圍巖條件相對(duì)較好的巖質(zhì)地段(Ⅳ2、Ⅴ1級(jí))，在保證安全和方便施工的前提下，可探索直接采用工藝工法更加靈活的超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)措施，采用快挖、快支、快封閉成環(huán)的微臺(tái)階法修建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全快速進(jìn)洞。該文以蒙華鐵路南朝街2#隧道工程為例，闡述超前小導(dǎo)管支護(hù)快速進(jìn)洞技術(shù)在軟弱圍巖隧道工程中的應(yīng)用。

1 南朝街2#隧道工程概況

南朝街2#隧道起訖里程為DK688+915～DK689+307，全長(zhǎng)392 m，隧道最大埋深約為80 m。自然坡度為10°～40°，地勢(shì)起伏較大，相對(duì)高差為30～100 m。穿越地層主要為黃土、泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖、泥巖等軟巖地層。隧道出口段上覆及洞身上部地層為砂質(zhì)黃土，灰黃色～黃褐色，稍密～中密，垂直節(jié)理發(fā)育，直立性強(qiáng)；洞身下部及下伏地層為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)泥巖，弱膠結(jié)，成巖程度相對(duì)較差，其下為強(qiáng)～弱風(fēng)化，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎。地表水欠發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水，欠發(fā)育。出口段地勢(shì)較陡峭，自然坡度約為33°。

隧道出口段進(jìn)洞原設(shè)計(jì)為貼壁進(jìn)洞，采用30 m長(zhǎng)φ108 mm×6 mm長(zhǎng)管棚超前支護(hù)，三臺(tái)階大拱腳法開(kāi)挖。實(shí)際采用長(zhǎng)5.0 m的φ50 mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，護(hù)拱暗挖，三臺(tái)階法開(kāi)挖，并及時(shí)施做洞口鎖口圈。隧道開(kāi)挖方法及φ50 mm超前小導(dǎo)管支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。

2 主要施工工序

2.1 洞頂截排水溝

洞口上方距邊、仰坡開(kāi)挖線邊緣不小于10 m設(shè)置截水天溝，經(jīng)過(guò)黃土平臺(tái)時(shí)距平臺(tái)邊沿不小于2 m，陡坎處設(shè)置跌水，截水天溝接入集水井和自然排水溝，截排洞頂?shù)乇硭?，減少雨水對(duì)洞口的影響。

2.2 洞口邊仰坡處理及防護(hù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，清除邊仰坡表層土，開(kāi)挖后洞口坡面及時(shí)采用錨網(wǎng)噴加固，錨桿采用φ22 mm砂漿錨桿，長(zhǎng)5.0 m，間距為1.5 m×1.5 m，梅花形布置；噴射混凝土采用20 cm厚C25網(wǎng)噴混凝土，鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm。

圖1 隧道超前支護(hù)及施工工法示意圖(單位：m)

2.3 護(hù)拱施工

(1) DK689+297～DK689+302共計(jì)5 m上臺(tái)階預(yù)留核心土，架設(shè)11榀H230格柵鋼架，間距50 cm，鋼架間采用φ22 mm鋼筋縱向連接；在1、4、7榀鋼架處打設(shè)長(zhǎng)5 m的φ50 mm超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距40 cm，布設(shè)范圍為拱部150°，外插角按5°～10°控制；每榀鋼架基腳處設(shè)置U形混凝土墊塊并各打設(shè)4根長(zhǎng)4.0 m的φ50鎖腳錨管，錨管角度斜向45°；采用濕噴機(jī)械手由內(nèi)至外噴射30 cm厚C25噴射混凝土(圖2)。

圖2 上斷面護(hù)拱支護(hù)(DK689+297～DK689+302)(單位：m)

(2) DK689+302～DK689+306共計(jì)4 m洞身兩側(cè)采用掏槽開(kāi)挖，一次開(kāi)挖至基底，中間預(yù)留3～6 m高的核心土，兩側(cè)基底采用設(shè)置厚50 cm的混凝土條形基礎(chǔ)；架設(shè)8榀H230格柵鋼架，間距50 cm，采用整榀鋼架一次由內(nèi)至外架設(shè)；鋼架底部基腳采用36a槽鋼縱向連接，確保鋼架基腳的穩(wěn)定性；采用濕噴機(jī)械手由內(nèi)至外噴射30 cm厚C25噴射混凝土(圖3)。

圖3 洞身護(hù)拱支護(hù)(DK689+302～DK689+307)(單位:m)

2.4 洞身開(kāi)挖及超前支護(hù)

(1) 洞身開(kāi)挖：開(kāi)挖采用上、中、下臺(tái)階平行作業(yè)的三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階長(zhǎng)為5 m并預(yù)留核心土，中臺(tái)階長(zhǎng)5 m，下臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖，初支仰拱全斷面封閉成環(huán)形成鎖口圈。上臺(tái)階每次開(kāi)挖1榀鋼架間距，中、下臺(tái)階每次開(kāi)挖1～2榀鋼架間距。具體流程為：上臺(tái)階開(kāi)挖并預(yù)留核心土→中臺(tái)階開(kāi)挖出碴→上、中臺(tái)階立架、下臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖→上、中臺(tái)階噴混凝土、下臺(tái)階及仰拱立架→下臺(tái)階及仰拱噴混凝土→及時(shí)回填洞碴至仰拱填充面標(biāo)高→下一循環(huán)(圖4)。

圖4 臺(tái)階法開(kāi)挖步距示意圖(單位：m)

(2) 超前支護(hù)：超前支護(hù)采用長(zhǎng)5 m的φ50 mm超前小導(dǎo)管，孔距環(huán)向?yàn)?0 cm，布設(shè)范圍為拱部150°。鉆孔采用氣腿式鑿巖機(jī)，在上臺(tái)階預(yù)留核心土上進(jìn)行操作，鉆孔外插角按5°～10°控制，鉆孔直徑比鋼管直徑大3～5 mm，采用頂進(jìn)方式將小導(dǎo)管頂至設(shè)計(jì)深度，并用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的砂土吹出。注漿采用水泥漿，水灰比為1∶1(重量比)，注漿壓力按0.5～1.0 MPa控制；注漿順序由兩側(cè)向拱頂隔孔對(duì)稱進(jìn)行，注漿采用“雙控法”控制，單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.0～1.2倍或單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力并穩(wěn)定10 min后結(jié)束注漿。每隔3榀鋼架施做一循環(huán)超前小導(dǎo)管，兩排小導(dǎo)管縱向搭接長(zhǎng)度不小于1.5 m(圖5、6)。

圖5 超前小導(dǎo)管縱向布設(shè)圖

圖6 超前小導(dǎo)管構(gòu)造圖(單位：mm)

超前小導(dǎo)管支護(hù)快速進(jìn)洞施工現(xiàn)場(chǎng)主要工序見(jiàn)圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)主要工序圖

3 超前小導(dǎo)管進(jìn)洞技術(shù)應(yīng)用效果分析

3.1 監(jiān)控結(jié)果

(1) 地表沉降

為監(jiān)測(cè)地表沉降情況，在里程為DK689+294斷面設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，以隧道拱頂為中線，沿兩邊分別間隔5 m共計(jì)布設(shè)9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，地表穩(wěn)定后沉降槽曲線見(jiàn)圖8。

圖8 地表沉降槽曲線(DK689+294)

從圖8可知：斷面DK689+294隧道中線處地表沉降值最大，為30.1 mm；遠(yuǎn)小于正常限值90 mm的變形總量管理等級(jí)。說(shuō)明采用小導(dǎo)管超前支護(hù)，微臺(tái)階開(kāi)挖，在快挖、快支、快封閉成環(huán)的指導(dǎo)思想下，圍巖受開(kāi)挖擾動(dòng)的影響較小，地層位移得到有效控制。

(2) 拱頂沉降

在隧道洞口段，隧道洞內(nèi)每隔5 m在拱頂布設(shè)一沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，里程為DK689+294、DK689+289、DK689+284斷面處隧道初支結(jié)構(gòu)拱頂沉降時(shí)程曲線詳見(jiàn)圖9。

圖9 初支拱頂沉降

從圖9可知：上臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖后，初支拱頂沉降值為5～6 mm，初支結(jié)構(gòu)變形速率較緩；隨著中臺(tái)階的開(kāi)挖，開(kāi)挖跨度和臨空面進(jìn)一步增大，初支結(jié)構(gòu)變形速率快速增長(zhǎng)，直至中臺(tái)階完成開(kāi)挖，初支拱頂沉降值達(dá)到12 mm，達(dá)到實(shí)際總變形量的50%；在下臺(tái)階帶仰拱開(kāi)挖階段，初支結(jié)構(gòu)變形速率增長(zhǎng)達(dá)到最大值，初支拱頂沉降值達(dá)到20 mm，但在初支結(jié)構(gòu)全斷面封閉成環(huán)后，由于初支結(jié)構(gòu)整體剛度和強(qiáng)度得到極大提升，初支結(jié)構(gòu)變形迅速得到控制，此后階段的初支變形量?jī)H占總沉降值的15%～20%，最終沉降值穩(wěn)定為23.4～24.2 mm，遠(yuǎn)小于正常限值90 mm的變形總量管理等級(jí)。說(shuō)明采用小導(dǎo)管超前支護(hù)，微臺(tái)階開(kāi)挖，在快挖、快支、快封閉成環(huán)的指導(dǎo)思想下，初支結(jié)構(gòu)能夠確保圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)安全快速進(jìn)洞。

3.2 施工進(jìn)度及資源投入

按照超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)的進(jìn)洞專項(xiàng)施工方案，截水溝施作(2 d)，DK689+297～DK689+302段上臺(tái)階開(kāi)挖、架立鋼架及噴射混凝土(5 d)，DK689+302～DK689+307段邊墻基礎(chǔ)開(kāi)挖、架立鋼架及噴射混凝土(5 d)，DK689+294～DK689+297段上臺(tái)階開(kāi)挖、架立鋼架及噴射混凝土(2 d)，共計(jì)14 d。較原設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)大管棚預(yù)支護(hù)措施節(jié)省了導(dǎo)向墻和管棚施作的時(shí)間，共計(jì)15 d。由于導(dǎo)向墻和管棚的取消，以及貼壁進(jìn)洞減少了部分邊仰坡刷方量，節(jié)省工程費(fèi)用20余萬(wàn)元。從節(jié)省工期、費(fèi)用，保護(hù)環(huán)境方面均取得了良好效果。

3.3 蒙華項(xiàng)目應(yīng)用情況

蒙華鐵路全線228座隧道，經(jīng)逐工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)，結(jié)合洞口地形地貌、地質(zhì)條件，以確保安全和方便施工為原則，強(qiáng)調(diào)隧道進(jìn)出洞“少擾動(dòng)”，全線共計(jì)200多處洞口(主要為直立性較好的黃土地段、圍巖條件相對(duì)較好的巖質(zhì)地段(Ⅳ2、Ⅴ1級(jí))，將超前長(zhǎng)大管棚優(yōu)化為超前小導(dǎo)管?？s短了隧道進(jìn)洞工期且節(jié)省了部分費(fèi)用；減少了邊仰坡刷方量，基本維持了原有地貌，實(shí)現(xiàn)了“零開(kāi)挖”進(jìn)洞。部分工點(diǎn)采用小導(dǎo)管進(jìn)出洞如圖10所示。

圖10 部分工點(diǎn)隧道小導(dǎo)管進(jìn)(出)洞

4 結(jié)論與建議

當(dāng)洞口段主要為直立性較好的黃土地段，圍巖條件相對(duì)較好的巖質(zhì)地段(Ⅳ2、Ⅴ1級(jí))時(shí)，采用超前小導(dǎo)管支護(hù)能有效保證隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)快速、安全進(jìn)洞；該技術(shù)能盡可能地保持洞口原有地貌，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著；建議對(duì)類似地層應(yīng)大膽采用，避免洞口段采用單一的超前長(zhǎng)大管棚的“模塊化”設(shè)計(jì)施工方法。