軟巖富水條件下隧道高精度大管棚施工技術(shù)

鄢澤紅

摘要：本文以寶峰隧道為工程背景，介紹了隧道超長大管棚施工技術(shù)的跟管導(dǎo)向原理及主要施工藝。施工監(jiān)測結(jié)果表明：整個施工過程中地表沉降均勻穩(wěn)定增長，數(shù)量較小，最終沉降控制在58mm以內(nèi)，此種大管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在隧道施工中遭遇軟弱圍巖時可以確保施工安全快速進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：隧道施工；大管柵超前預(yù)支護(hù)；軟弱國巖安全

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）05-0111-02

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引言

對于軟弱圍巖來說，加強掌子面前方圍巖預(yù)加固技術(shù)的研究和開發(fā)是當(dāng)前軟弱囤巖隧道施工技術(shù)研究的主流。管棚支護(hù)是防止圍巖坍塌及地表沉降的主要手段，經(jīng)過多年來的不斷實踐與發(fā)展，管棚施工已成為淺埋暗挖隧道控制地面下沉和加強隧道圍巖的主要施工方法，隨著隧道施工標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，管棚已經(jīng)向超長、超大方向發(fā)展。

寶峰隧道是改建鐵路擴能改造工程昆玉鐵路控制性工程之一，隧道全長7377m，全隧均為V級圍巖，寶峰隧道出口位于玉溪市北城鎮(zhèn)刺桐關(guān)村東側(cè)坡麓緩坡地帶，線路為雙線隧道；在D2K17+615處與既有昆玉鐵路（YK18+845）相交，交角37°，隧道施工影響范圍為D2K17+635-DK17+595段，此段埋深27m；該段圍巖地層為（Pflhs）炭質(zhì)板巖夾板巖（W3-W4），深灰、灰黑色，富水，巖體呈細(xì)角礫狀，自穩(wěn)性極差。為確保安全快速通過既有昆玉鐵路，經(jīng)多方研究決定，在開挖施工前，先進(jìn)行預(yù)加固措施，即在此段拱部設(shè)一環(huán)φ159高精度定向大管棚超前支護(hù)，每根長50m，環(huán)向間距0.4m。

2 高精度大管棚施工技術(shù)

2.1施工工藝流程

施作管棚工作室→搭設(shè)鉆機平臺安裝鉆機安裝導(dǎo)向鉆頭→鉆孔跟鋼花管→封堵孔口→注漿→效果檢查。

2.2高精度大管棚施工

管棚是將花管（導(dǎo)管）安插在已鉆好的孔中，沿隧道開挖輪廓外排列形成鋼管棚，管內(nèi)注漿，有時可加鋼筋籠，并采用型鋼鋼架組合成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)，以支承和加固自穩(wěn)能力極低的囤巖，對防止軟弱圍巖的下沉、松弛和坍塌等有顯著效果。

一般管棚施工存在施工距離短，工效低，支護(hù)效果差等缺點，寶峰隧道采用高精度大管棚施工技術(shù)，即導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)搭設(shè)管棚方法。

2.3導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)原理

導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)是借鑒水平定向鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展而來。要旨在：鉆進(jìn)過程中能準(zhǔn)確測定鉆頭在地下的位置和方向，據(jù)此確定鉆進(jìn)軌跡同設(shè)計軌跡的誤差，利用能進(jìn)行方向調(diào)節(jié)的導(dǎo)向鉆頭（一般軟土層中用楔型鉆頭）改變鉆進(jìn)方位，從而確保按設(shè)計軌跡精確鉆進(jìn)。

導(dǎo)向鉆頭內(nèi)裝有特制的定位傳感器，傳感器通過信號線穿過鉆桿連接孔外的顯示器。顯示器顯示導(dǎo)向鉆頭的傾角和面向角（如圖1所示，顯示器上有一角度指示鐘，導(dǎo)向板斜面朝下時為12點）。導(dǎo)向鉆頭鉆進(jìn)角度如果偏下，可以把導(dǎo)向鉆頭調(diào)到12點，即導(dǎo)向板斜面朝下，直接頂進(jìn)，此時由于導(dǎo)向板底板斜面面積大，受到一個向上的托力，導(dǎo)向鉆頭軌跡就會朝上運移。同理，在6點時糾偏可以使鉆頭鉆進(jìn)軌跡朝下，9點、3點時分別為左、右糾偏方向。如果角度合適，鉆機勻速旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，導(dǎo)向鉆頭的鉆進(jìn)軌跡是平直的。

2.4導(dǎo)向跟管施工

2.4.1工藝

跟管鉆進(jìn)采用單動雙管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，具體施工鉆具：外管由注漿套管與主動鉆桿組合，內(nèi)管由小鉆頭與主動鉆桿共同組合而成。鉆進(jìn)過程碴土由內(nèi)外管環(huán)空間隙通過復(fù)合接頭處排除，當(dāng)鉆進(jìn)進(jìn)尺緩慢，套管內(nèi)充填碴土較多排除不完全時，用內(nèi)管鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)排除套管內(nèi)的碴土，完畢后接上外管鉆具重新回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，注漿套管用電焊機焊接牢靠，防止因鉆具扭矩過大絲扣產(chǎn)生滑絲而脫扣現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)套管再無法接上。如此循環(huán)鉆進(jìn)直至注漿套管下至設(shè)計深度，然后退出內(nèi)管鉆具。

2.4.2注意事項

由于該圍巖富水，采用風(fēng)動鉆機作業(yè)，并在導(dǎo)向管口按編號施工，順序從低孔開始，在144°范圍內(nèi)，由中間往兩側(cè)對稱交錯施工。

開鉆時，先低速低壓，等成孔幾米后，再加速加壓。鉆進(jìn)過程中，必須沿鉆機位確定的基線鉆孔，隨時檢查鉆孔方向的準(zhǔn)確度，由于整個隧道均為V級圍巖，富水破碎，自穩(wěn)性極差，難以成孔，故采用跟進(jìn)跟管方式成孔。

在鉆孔施工中，為減少因鉆具漂移或下垂引起的鉆孔偏差，鉆機立軸方向必須控制準(zhǔn)確，鉆進(jìn)過程中根據(jù)導(dǎo)向顯示器顯示數(shù)據(jù)和鉆孔長度采用測斜儀量測鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設(shè)計要求應(yīng)及時糾正或調(diào)整。

鉆孔過程中應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)的速度、巖土取芯、司鉆壓力等情況判斷此鉆孔管段的地質(zhì)情況，及時做好施工記錄，并根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制地質(zhì)剖面圖和展開圖，為開挖施工提供參考。

2.5孔口密封

用帶連接注漿管的鋼板與管棚鋼管焊接牢固，注漿連接管可采用閥接式。將管棚鋼管與鉆孔環(huán)形空間用于硬砼料封堵密實，封堵環(huán)形空間前必須用壓力風(fēng)將孔口部位砼墻面上的泥土及浮塵清理干凈。

2.6注漿

該段大管棚采用φ159，壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，每節(jié)鋼管兩端加工成外絲扣，采用中168，壁厚10mm接頭鋼管加工成內(nèi)絲扣，布置在拱頂144°范圍內(nèi)，管棚外插角為3°-5°。在光滑管上梅花形鉆設(shè)注漿孔，孔徑為100mm，間距1.5m，尾部2m范圍內(nèi)為止?jié){段，注漿采用BW-250泵對管棚進(jìn)行注漿。

由于采用間隔施工大管棚，為了避免先期注漿結(jié)石影響后期成孔（主要是滲入地層中的水泥結(jié)石極易造成鉆孔偏斜，誘發(fā)孔內(nèi)事故），大管棚第一次注漿壓力不宜過大，待周圍管棚施工完成后加大注漿壓力再次注漿。

注漿參數(shù)：水泥漿與水玻璃體積的比例為1：0.5；注漿采用0.5-0.8：1水泥漿，水玻璃濃度35°Be；水玻璃模數(shù)2.4，注漿壓力為0.5-2.5Mpa。

采用kby50/70液壓注漿機將雙液漿注入管棚鋼管內(nèi)，初壓0.5mpa-1.0mpa，終壓2.5Mpa，持壓15min后停止注漿。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。

注漿結(jié)束后及時清除管內(nèi)漿液，并用30#水泥砂漿充填，增強管棚的剛度和強度。

注漿完成固結(jié)后隨即采用三臺階加預(yù)留核心土的辦法進(jìn)行開挖。

3施工監(jiān)測及效果評價

施工時，在既有線路40m范圍內(nèi)對既有線路地表進(jìn)行沉降觀測，每天觀測兩次。通過對既有昆玉鐵路路基面、邊坡進(jìn)行監(jiān)測，及時反饋信息，保證結(jié)構(gòu)物的安全。

當(dāng)既有線出現(xiàn)18m范圍內(nèi)大于4mm的三角坑、路基有沉降但小于15mm、兩股軌道高程偏差大于8mm等情況時，及時將觀測結(jié)果上報工務(wù)段以及相關(guān)單位，并同工務(wù)段配合人員共同做現(xiàn)場處理。同時增加監(jiān)控量測頻率，加大巡視力度，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。

由上圖2可見，施工前期地表沉降穩(wěn)定在8mm以內(nèi)，施工中期增加沉降逐步增加，進(jìn)入施工期最后階段，地表沉降趨于穩(wěn)定，大約在32-57mm之間。整個施工期內(nèi)地表沉降隨施工量增加逐步增長，累計沉降保持在較小的范圍內(nèi)。

此外，隧道開挖只經(jīng)歷20天即通過既有昆玉鐵路段，隧道開挖過程中沒有出現(xiàn)任何坍塌事故，以上結(jié)果表明本支護(hù)結(jié)構(gòu)效果顯著，可以確保施工快速安全進(jìn)行。

4 結(jié)語

4.1高精度大管棚優(yōu)點

能有效控制棚管搭設(shè)方向，精度高，外插角可調(diào)節(jié)；

管棚施作距離長，工效高，一次性施作可超過100m：

將鋼管作鉆桿直接打入，不擴大孔位，注漿后地面沉降接近零；

孔底注漿，孔口返漿，必要時封口注漿，可硬化管外土體；

能按特殊要求的軌跡鉆進(jìn)，在隧道內(nèi)搭設(shè)管棚無需預(yù)設(shè)導(dǎo)向管。

4.2對于隧道的軟弱破碎圍巖地段、淺埋地段采用長大管棚施工工藝，提前發(fā)揮超前支護(hù)作用，增加了施工安全度，提高隧道的長期穩(wěn)定性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4.3在軟弱圍巖施工中，及時封閉斷面是極為重要的。長大管棚鉆孔結(jié)束后應(yīng)立即注漿，使?jié){液有效擴散半徑重疊，形成合理的棚架受力結(jié)構(gòu)。

4.4不能將管棚施工單純地看作一種隧道施工的超前支護(hù)手段，而應(yīng)作為超前支護(hù)、超前探測和施工監(jiān)測的綜合手段，形成新的管棚設(shè)計和施工理念。

4.5通過施工監(jiān)測驗證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確認(rèn)支護(hù)參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性，并及時的為調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法提供依據(jù)，以確保和優(yōu)化下一步施工參數(shù)，做好信息化施工，保證施工質(zhì)量。