松散堆積土覆蓋層中隧洞超前管棚的施工

鄭漢森

（福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概況

寧波市象山供水（白溪水庫等引水）工程為跨行政區(qū)域的引水工程，供水對象為象山縣中心城區(qū)。引水工程干線全長48.673km，其中由福建省水利水電工程局有限公司承擔(dān)施工的隧洞工程有大雷山隧洞2號出口段1 601.78m；東山隧洞1號進口段672.92m；蔡家岙施工支洞210m。主洞的開挖洞徑為2.2m×2.8m馬蹄形，襯后為D2.2m圓形。支洞斷面為4.5m×3.5m城門洞型，直墻段高2.3m，洞頂為R=2.71m圓弧段，中心角112.3°，洞口底高程61.0m，與主洞交界處底高程41.0m，支洞底坡i=-0.128 5。

輸水隧洞沿線穿越的地層以侏羅系上統(tǒng)c段第一亞段（J3C-1）、第二亞段（J3C-2）為主，局部有e段（J3e）與d段（J3d）地層分布。巖性主要為玻屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)礫巖、角礫玻屑弱熔結(jié)凝灰?guī)r等。距支洞口約40m處有一條河流垂直穿過洞軸線，底高程為55.0～53.0m，上游300m處有一座小型水庫。該段地層地下水豐富，穩(wěn)定性差。

2 問題的提出

在蔡家岙施工斜支洞明挖施工中，按照設(shè)計尺寸及高程開挖后，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)情況發(fā)生很大的變化，開挖面并未見新鮮巖層，而是松散的堆積土覆蓋層，其間夾雜大量的碎石和大孤石，穩(wěn)定性極差，且地下水發(fā)育。根據(jù)地形觀察初步估計，從設(shè)計進洞口軸線點K0+210向洞內(nèi)延伸約20m可能都屬于此類堆積層。因此提出增加明挖、變更進洞口和在原設(shè)計位置采取有效方式進洞3個解決方案，考慮到征地政策條件的限制，決定按照設(shè)計進洞樁號位置強行進洞。

3 施工方案的確定

總體支護原則:根據(jù)圍巖穩(wěn)定程度采用“先護后挖”和“先挖后護”相結(jié)合的方案，第一步先護后挖，第二步挖后再次支護。“先護后挖”支護方案的選擇：

（1）超前錨桿支護:在未擾動而破碎的巖層，結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育的破碎狀巖層或松散滲水的巖層中掘進時，宜采用超前錨桿支護。

（2）超前小導(dǎo)管支護：在松散破碎，漿液易擴散的巖層中掘進時，宜采用小導(dǎo)管注漿支護。

（3）超前管棚支護：在回填土堆積層、斷層破碎帶地層中掘進時，宜采用管棚支護。

本工程洞口進洞段屬于堆積土，選擇第三種管棚支護方案進行支護。在洞內(nèi)開挖遇破碎巖層時采用第一種和第二種方法支護。明挖施工完成后先進行洞臉處理并澆筑長度為5m的鋼筋混凝土明洞，在設(shè)計開挖線以外20cm處，進行隧洞超前管棚施工，管棚施工結(jié)束后進行隧洞開挖。

4 超前管棚設(shè)計

為確保施工過程中的安全，鋼管采用φ76熱軋無縫鋼管，壁厚6.0mm。鋼管節(jié)長為6.0m和4.0m兩種規(guī)格，絲扣連接，單根鋼管總長20m（未包括連接絲扣）。自兩側(cè)起拱部位開始布置孔位，環(huán)向間距30cm。鉆孔方向與洞軸線呈3°交角，偏向洞外。鉆孔施工誤差：隧洞徑向不大于20cm，同一斷面內(nèi)鋼管接頭小于50％，相鄰鋼管接頭要相距大于100cm。鋼管總根數(shù)22根，共計440m。

5 超前管棚施工工藝

超前管棚施工藝流程：導(dǎo)向拱－鉆機就位－鉆孔－安裝鋼管－（鋼管加工）－注漿。

5.1 導(dǎo)向拱施工

導(dǎo)向拱是控制鉆孔方向，保證鉆孔精度的手段。導(dǎo)向拱結(jié)構(gòu)型式為三榀鋼筋拱架立于已澆筑完成的鋼筋混凝土明洞頂上并與預(yù)留鋼筋焊牢，拱架間使用φ22鋼筋連接。拱架架立完成后，進行導(dǎo)向管的安裝，導(dǎo)向管距隧洞開挖線20cm。導(dǎo)向管使用φ108薄壁鋼管，管長4.0～5.0m，開嵌入洞臉邊坡10cm以上。導(dǎo)向管使用經(jīng)緯儀測定方向，并控制好兩端的底高程，現(xiàn)場焊接在鋼拱架上。

5.2 鉆機就位與鉆孔

使用鋼管架搭成作業(yè)平臺，將LF100型快速鉆機安放固定在平臺上，連接管路，接通電源。由于該地段地層松軟，為了減少成孔難度，避免坍孔，采用水循環(huán)跟管鉆進。開孔時鉆機速度要慢，壓力要小，根據(jù)地層及鉆機情況隨時調(diào)整鉆壓及鉆速，以保證成孔的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過要求及時糾正。鉆進中如遇異常情況，應(yīng)立即停鉆查明原因。

5.3 安裝鋼管

鋼管按要求進行加工，加工時首根鋼管的端部加工成錐型。為保證漿液在各斷面比較均勻分布，按間隔布置一定數(shù)量的鋼花管。鋼花管的出漿孔，要根據(jù)實際地質(zhì)情況確定其孔徑、孔距，一般孔徑10.0～15.0mm，孔距100.0mm，梅花形布置。

成孔后，把事先加工好的鋼管，以內(nèi)外絲相連接，逐根頂入孔內(nèi)，要求管間絲扣連接牢固，相鄰兩根管絲扣位置錯開至少1.0m，每個斷面上絲扣總和小于50％。具體施工時，要先進行鋼花管施工，注漿后再打普通鋼管。普通鋼管孔可以作為檢查孔檢查注漿質(zhì)量。準(zhǔn)確控制鉆機立軸方向，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進一根鋼管。

5.4 注 漿

每完成一根鋼管，即開始進行注漿施工。注漿使用JZB-2型擠壓式注漿泵。注漿液采用孔內(nèi)循環(huán)分段注漿，分段長度一般取5.0～8.0m。漿液配合比根據(jù)實際地質(zhì)情況確定，一般采用0.8∶1，1∶1、1.5∶1等3個比級。水泥使用普通硅酸鹽或硅酸鹽水泥，標(biāo)號不小于42.5R。在水泥漿中摻入5％～8％水玻璃作為阻水速凝劑，水玻璃濃度35玻美度，模數(shù)2.4。注漿擴散半徑不小于0.8m。注漿壓力也要根據(jù)實際地層情況。出口施工時，由于上覆蓋薄，在0～8m內(nèi)，壓力控制在0.1～0.2MPa；8～20m內(nèi)，壓力控制在0.2～0.5MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在規(guī)定壓力下，吃漿量小于0.1L/min，持壓10min即可結(jié)束。

6 隧洞施工

隧洞開挖施工采用新奧法，按“管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的原則進行。

由于堆積土層較松軟，隧洞的開挖以人工為主，并輔以ZL-50型號裝載機挖掘、出碴。采用全斷面開挖方法，每循環(huán)開挖進尺嚴(yán)格控制在0.6m以內(nèi)。自開始進洞，每隔0.5m布置一榀槽鋼拱架，拱架底部為200mm×200mm×5mm鋼板。在設(shè)置拱架部位，加打φ22錨桿，錨桿間距1.0m，L=3.0m，兩榀拱架之間使用φ22@200鋼筋縱向連接。支承結(jié)構(gòu)完成后，邊頂拱素噴混凝土15cm進行封閉，陽拱底板澆40cm厚鋼筋混凝土。每完成5m洞挖及支護作業(yè)，進行永久混凝土襯砌。在開挖過程中，如遇拱部鋼管露出，使用φ22鋼筋把鋼筋拱架和鋼管焊成一體。

7 施工中應(yīng)注意的問題和采取的措施

（1）采用超前管棚進行施工，保證要有一定的仰角，以防止鋼管形變侵占隧洞開挖時的設(shè)計斷面。

（2）在隧洞開挖和支護中，要使鋼管的間距盡量達到最小，并且及時進行臨時支護。對漏水較大的隧洞，要使用現(xiàn)澆混凝土封閉頂拱。

（3）在施工過程中，要加強對隧洞洞線及斷面的量測工作，同時，在鋼管內(nèi)安裝應(yīng)力應(yīng)變儀，量測鋼管的應(yīng)力應(yīng)變，在保證施工作業(yè)安全的情況下，可以適時地改變鋼拱架支承的間距，降低工程成本。

（4）采用鉆、沖結(jié)合法造孔，比較完整的巖石硬度較強段采用沖擊法，巖石較破碎地段采用旋轉(zhuǎn)法，取出巖芯。如遇巖石破碎造孔難度大的地段，采用套管護孔，長短套管結(jié)合推進，工作結(jié)束后再撥出套管。由于土層松散，當(dāng)鉆孔過程中局部產(chǎn)生塌孔時，宜采用鋼管代替鉆桿，其前端焊接鉆頭鉆孔，鉆頭與鋼管鉆進后不取出，作為管棚鋼管，直接進行注漿。

（5）應(yīng)加強支護的施工監(jiān)測和施工時的地表監(jiān)測。洞口應(yīng)設(shè)置與施工的監(jiān)測相結(jié)合的位移安全監(jiān)測點，監(jiān)測地表下沉及邊坡穩(wěn)定情況。在鋼支撐外側(cè)設(shè)定監(jiān)測點，根據(jù)新奧法施工特點，通過信息反饋及時確定和修改支護系數(shù)，確定是否加強支護，選擇加強支護和后續(xù)襯砌的時間。

（6）在鉆孔過程中，應(yīng)及時測量鉆孔方位，每次測量的方位孔，其桿偏差不應(yīng)超過1％。當(dāng)鉆孔偏斜率超過允許偏差時，應(yīng)在孔內(nèi)注入水泥砂漿，并待水泥砂漿的強度達到10MPa后，方可重新鉆孔，并經(jīng)檢查其位置、方向、深度、角度均符合要求后方可進行注漿施工。

8 結(jié)語

超前管棚對堆積土覆蓋層等地質(zhì)條件差的隧洞工程有較好的適用性。但畢竟投入大、成本高、施工進度慢。因此，要根據(jù)工程的實際情況及地面建筑物的要求，確定是否采用超前管棚施工方案。