長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)在鐵路隧道洞口施工中的應(yīng)用

王麗軍WANG Li-jun

（中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，西安 710032）

（The Third Engineering Co.，Ltd.of China Railway Seventh Group，Xi'an 710032，China）

1 工程概況

海南西環(huán)鐵路鳳三段新鳳凰二號(hào)隧道全長(zhǎng)805m，位于海南省三亞市鳳凰鎮(zhèn)，為客貨共線雙線鐵路隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)時(shí)速為200km/h，線路縱坡為3‰、-18‰的“人”字坡。隧道內(nèi)輪廓拱頂凈高8.15m，凈寬11.5m，內(nèi)凈空面積81.37m2。該隧道進(jìn)、出口洞口段埋深較淺，屬淺埋型，多通過(guò)強(qiáng)風(fēng)化層，距離較長(zhǎng)，且具球風(fēng)化現(xiàn)象，開(kāi)挖穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)面易被軟化，可能出現(xiàn)巖塊脫落或坍塌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，為了保證洞口邊仰坡安全，能夠順利進(jìn)洞，要求在隧道進(jìn)出口段采用長(zhǎng)度為60mΦ159 超前大管棚支護(hù)和注漿進(jìn)行預(yù)加固處理。

2 管棚受力原理與計(jì)算模型

2.1 受力原理 一般會(huì)在隧道洞口段施工時(shí)采用大管棚超前支護(hù)法，這種方法能夠有效的支撐和加固圍巖，很大程度的防止軟弱圍巖下沉、松弛和坍塌等。它的工作原理是：一是可以通過(guò)管棚注漿使拱頂預(yù)先形成加固的保護(hù)環(huán)。這個(gè)保護(hù)環(huán)能夠?yàn)樗淼朗┕?chuàng)造良好的開(kāi)挖條件，因?yàn)槠淇梢园l(fā)揮“承載拱”的作用，有效的減少拱內(nèi)部圍巖的承載壓力；二是當(dāng)超前管棚沿隧道開(kāi)挖輪廓周邊密布時(shí)，加固環(huán)的變形變小，傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的上部荷載也隨之減小，同時(shí)會(huì)把拱部圍巖的形變應(yīng)力傳遞給支撐拱架。因?yàn)橄嗷ミB接的支持拱架可以形成整體支護(hù)，能夠保證掘進(jìn)施工和初期支護(hù)的安全。

2.2 計(jì)算模型 當(dāng)開(kāi)挖隧道洞口時(shí)，下部土體會(huì)被挖出，管棚端部懸空。這時(shí)因?yàn)榇蟛糠值墓芘镤摴荛L(zhǎng)度都在已預(yù)加固地層內(nèi)，并且它還會(huì)受到地層固定的約束，這時(shí)的懸空段起到支撐洞口上部荷載q1的作用（見(jiàn)圖1）；當(dāng)在隧道洞內(nèi)施工時(shí)，鋼管的前后兩段作用的地方是不同的，這時(shí)中間懸空的鋼管段可簡(jiǎn)化為兩端受固定約束的簡(jiǎn)支梁（見(jiàn)圖2），管棚承受上部土體荷載q1和路面荷載q2的作用。

圖1 管棚支護(hù)計(jì)算模型（洞口）

圖2 管棚支護(hù)計(jì)算模型（洞內(nèi)）

有關(guān)資料顯示，在計(jì)算洞口段和洞內(nèi)段的開(kāi)挖進(jìn)尺尺度的時(shí)候采用懸臂梁和簡(jiǎn)支梁的計(jì)算模型是科學(xué)的。

3 大管棚施工設(shè)計(jì)

3.1 大管棚設(shè)計(jì)參數(shù) ①導(dǎo)管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管，外徑159mm，壁厚8mm。②管距：環(huán)向間距40cm。③傾角：外插角以1°為宜。④大管棚每環(huán)施作長(zhǎng)度為60m，鋼管前段呈錐形。⑤導(dǎo)向管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管，外徑194mm，壁厚5mm。⑥鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠主要由三根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為18mm，鋼筋之間每35cm 間距用3cm 長(zhǎng)Φ50 鋼管連接，鋼管壁厚3.5mm。⑦鋼管上鉆注漿孔，孔徑16mm，孔縱向間距為20cm，呈梅花形布置，尾部留大于等于100cm 的不鉆孔的止?jié){段。見(jiàn)圖3、4。

3.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì) ①灌注漿液：水泥漿液，有時(shí)也可采用水泥玻璃雙液漿；②注漿參數(shù)：水泥漿、水灰比為1:1（重量比），注漿壓力為2.0MPa～2.5MPa；③注漿擴(kuò)散半徑：大于等于0.5m；④為了積累鋼管注漿施工經(jīng)驗(yàn)和合理化注漿參數(shù)，需要在注漿前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)。單根鋼管注漿量為：Q=π·γ2·L+π·R2·L·η·α·β

式中，r 為鋼管半徑；L 為鋼管總長(zhǎng)度；R 為漿液擴(kuò)散半徑，取0.5m；η 為地層孔隙率，堆積體經(jīng)測(cè)試為12%；α為漿液有效充填率，取0.9；β 為漿液損耗系數(shù)，取1.15。經(jīng)計(jì)算單根鋼管注漿量Q=6.927m3。

圖3 大管棚超前支護(hù)正面圖

圖4 大管棚超前支護(hù)縱面圖

圖5 大管棚施工工藝流程

4 大管棚施工

大管棚施工工藝流程如圖5。

4.1 施工準(zhǔn)備 ①做好孔口定位可以保證管棚施工質(zhì)量，最好先試著鉆幾個(gè)孔再正式鉆孔，尤其是對(duì)于那些復(fù)雜地層來(lái)說(shuō)。②為了不影響注漿效果和管棚施工質(zhì)量，在高壓注漿之前，一定要把各孔口封堵完好。③在開(kāi)挖過(guò)程中，為了防止鋼管脫節(jié)，造成塌方，應(yīng)該保證鋼管之間的連接質(zhì)量。

4.2 大管棚導(dǎo)向墻工字鋼支撐施工 洞口前端采用1m導(dǎo)向墻，截面為1m×1m。導(dǎo)向墻在洞口襯砌外輪廓以外施作。先施作3 排20a 工字鋼，間距為50cm，在工字鋼拱部144°范圍內(nèi)均勻布設(shè)40 個(gè)導(dǎo)向管，導(dǎo)管長(zhǎng)度1m，環(huán)距為40cm，導(dǎo)向管的外插角保證不小于1°。對(duì)導(dǎo)向管與三榀工字鋼支撐進(jìn)行焊接，并采用Φ22 鋼筋將大管棚的導(dǎo)向管焊接在工字鋼導(dǎo)向墻上，用C20 砼澆筑導(dǎo)向墻混凝土。

4.3 鉆孔 ①鉆孔時(shí)導(dǎo)向管可以考慮導(dǎo)向墻中預(yù)埋的鋼套管，為了保證掌子面在壓力注漿時(shí)不出現(xiàn)漏漿、坍塌，必須在掌子面上先噴一層素混凝土才能作為止?jié){墻；②在保證鉆機(jī)機(jī)械正常的情況下才可以進(jìn)行鉆孔，在鉆孔的過(guò)程中，是否加泥漿或水泥漿應(yīng)該依據(jù)實(shí)際的情況確定；③為了避免發(fā)生加鉆現(xiàn)象，應(yīng)該控制好鉆進(jìn)速度，保證勻速前進(jìn)，尤其是在鉆頭遇到夾泥夾砂層時(shí)；④應(yīng)該把開(kāi)鉆上挑角度控制在3°-5°之間，并控制量測(cè)角度和鉆進(jìn)方向。

4.4 大管棚安裝 ①為了避免出現(xiàn)塌孔，應(yīng)該在鉆孔結(jié)束后及時(shí)的安設(shè)管棚鋼管；②鋼管逐節(jié)頂入，采用長(zhǎng)15cm 的絲扣連接；③應(yīng)該及時(shí)填塞密實(shí)鋼管和鉆孔壁間的縫隙，在鋼管外漏段焊上法蘭盤(pán)、止?jié){閥，且保證焊接強(qiáng)度和密實(shí)度。

4.5 注漿施工

4.5.1 大管棚注漿施工程序及方法如下：①只有保證管路和機(jī)械設(shè)備正常才能開(kāi)始?jí)簼{試驗(yàn)，因?yàn)檫@時(shí)獲得的注漿參數(shù)是合理的，才能開(kāi)始注漿；②在注漿的過(guò)程中，應(yīng)該不定期的檢查各處是否有異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)該立即采取必要的防治措施，比如馬上停止注漿或封堵串漿口等；③如果注漿壓力持續(xù)保持5min 以上達(dá)到2.5MPa，就可以停止注漿，立即封堵注漿口；④在注漿過(guò)程中，應(yīng)該安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)填寫(xiě)《注漿記錄表》，記錄各相關(guān)數(shù)據(jù)，觀察壓力表值，監(jiān)控聯(lián)通裝置。

4.5.2 注漿效果評(píng)定 評(píng)定注漿效果應(yīng)該注意如下細(xì)節(jié)：①要想觀察注漿充填情況，可以采取對(duì)注漿加固區(qū)進(jìn)行鉆孔取芯的方式獲??；②應(yīng)該先觀察好孔內(nèi)涌水顏色及涌水量，只有涌水顏色較澄清或夾帶水泥渣塊，或涌水量小于0.4L/min 時(shí)才可以進(jìn)行鉆孔施工，反之，則應(yīng)該補(bǔ)注或重注。

5 結(jié)語(yǔ)

①超前管棚支護(hù)結(jié)合注漿技術(shù)能夠有效的改善松軟破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，采取這種技術(shù)時(shí)水泥漿液能夠充滿(mǎn)鋼管周?chē)鷰r石的縫隙，達(dá)到固結(jié)圍巖的效果。

②大管棚和注漿施工操作非常方便，工藝也簡(jiǎn)單，不需要大型機(jī)具設(shè)備，但是效果也非常明顯，同時(shí)它不僅施工速度快、安全性能高，也具有很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益等。

③該方法已經(jīng)在新鳳凰二號(hào)隧道進(jìn)出口端淺埋級(jí)圍巖工程中得到了應(yīng)用，效果非常明顯，不僅保證了工程的順利完成，也取得了很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

總之，長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)技術(shù)能夠在應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件的隧道掘進(jìn)施工和塌方處理時(shí)起到非常關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗粌H具有很高的可靠性和支護(hù)能力，適用于很多的地段，比如含水的沙土質(zhì)底層或破碎道等，還能夠增加施工安全度，保證巖體穩(wěn)定，減少地表下沉和防止圍巖松弛、坍塌，是新奧法與其他輔助施工方法的完美結(jié)合。

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