鐵路隧道三線大斷面軟弱破碎圍巖大管棚超前支護(hù)進(jìn)洞施工技術(shù)

閆站偉

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司　重慶　400700）

鐵路隧道三線大斷面軟弱破碎圍巖大管棚超前支護(hù)進(jìn)洞施工技術(shù)

閆站偉

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司重慶400700）

超前大管棚支護(hù)是隧道進(jìn)洞施工中穿越洞口的軟弱破碎圍巖地段、堆積體或淺埋偏壓地段行之有效地重要的支護(hù)措施。黔張常鐵路晏家堡二號隧道出口為三線車站大斷面鐵路隧道，開挖寬度20.8 m，高度16.53 m，出口為軟弱破碎圍巖，采用大管棚超前支護(hù)和預(yù)注漿加固施工技術(shù)，取得良好效果，隧道安全進(jìn)洞，為隧道大斷面施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

三線大斷面大管棚注漿超前支護(hù)

1　引言

黔張常鐵路堪稱鐵路施工的禁區(qū)，地處喀斯特地區(qū)，澧水和溇水將其包夾其中，巖溶地質(zhì)發(fā)育強(qiáng)烈，其地質(zhì)條件之復(fù)雜集山區(qū)鐵路之大成，建設(shè)條件之“艱、難、險”是目前我國山區(qū)鐵路建設(shè)歷史之最。

晏家堡二號隧道為黔張常鐵路控制性工程，其出口為雙線變?nèi)€車站隧道，斷面大，地勢高，洞口圍巖極為破碎，施工風(fēng)險大，難度高。

2　工程概況

晏家堡二號隧道位于湖南省龍山縣猛必鄉(xiāng)與永順縣萬民鄉(xiāng)交界處，為越嶺隧道。高程460～1160 m，相對高差 400～600 m。領(lǐng)脊為分水嶺，是可熔巖與非可熔巖界限。隧道起始里程 DK123+206～DK130+287，總長7 081 m。其中進(jìn)口DK123+206～DK130+075段6869 m為雙線隧道，DK130+075～+287段212 m為三線車站隧道，隧道出口為V級圍巖，開挖斷面276.42 m3/m，開挖寬度20.8 m，高度16.53 m。

3　隧道進(jìn)洞施工方案

3.1隧道進(jìn)洞特點(diǎn)

隧道出口洞口地層主要為頁巖、松散大塊石、炭質(zhì)頁巖地層巖性較軟，層間結(jié)合力較差，且與砂巖互層地段由于軟硬不均，較易發(fā)生圍巖變形、坍塌等失穩(wěn)或滑塌的風(fēng)險。

3.2隧道進(jìn)洞方案

隧道開挖斷面大，每延米方量為276.42 m3/m，開挖寬度20.8 m，高度16.53 m。對于如此大斷面的三線車站隧道及圍巖破碎等條件，隧道進(jìn)洞的邊仰坡開挖、超前支護(hù)及進(jìn)洞開挖方法的選擇，均為施工的重點(diǎn)。

針對大斷面及復(fù)雜的地質(zhì)條件，如何進(jìn)洞成為一個難題，其中洞口大管棚施工成為這個難題中的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)多方案比選并結(jié)合設(shè)計(jì)，進(jìn)洞方案采用長管棚及超前小導(dǎo)管注漿作為隧道開挖的超前支護(hù)體系。對洞口邊仰坡進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨及小導(dǎo)管注漿，在洞口地表寬度40 m、長度20 m范圍預(yù)先采用小導(dǎo)管注漿加固地表，在洞頂拱部設(shè)一環(huán)Φ108管棚，管棚長度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形變更為33 m，環(huán)向間距0.4 m， 并應(yīng)盡量保持原地表的植被完整。進(jìn)口開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

4　超前大管棚支護(hù)施工技術(shù)

4.1施工準(zhǔn)備

在施作長管棚前應(yīng)先完成水準(zhǔn)點(diǎn)及導(dǎo)線點(diǎn)復(fù)測工作；然后測量放樣，進(jìn)行洞口開挖，及完成邊、仰坡的防護(hù)、天溝砌筑。

洞口邊仰坡采用錨、網(wǎng)、噴支護(hù)，Φ22砂漿錨桿，長3.0 m，間距1.2 m×1.2 m，Φ8鋼筋網(wǎng)，間距25 cm×25 cm，噴C25混凝土，厚15 cm；開挖前先對洞頂邊、仰坡周圍的截水天溝進(jìn)行施做。測量定位，放出開挖邊線，明確開挖范圍，判定開挖范圍地質(zhì)狀況；清除隧道洞口的危巖落石，然后對破碎巖石采用防護(hù)網(wǎng)防護(hù)。確保邊仰坡平順、穩(wěn)定，為進(jìn)洞施工創(chuàng)造條件。

4.2管棚加工

大管棚采用Φ108 mm×6 mm的熱軋無縫鋼管，節(jié)長3 m，6 m加工制成，交替使用，以保證隧道縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50 %。管身鉆孔，孔眼直徑6 mm，間距25 cm，按梅花形交錯布孔以加大漿液滲透能力，管頭加工成錐形以便于送入，管棚尾部預(yù)留100 cm止?jié){段不鉆孔，為確保接頭質(zhì)量，鋼（花）管接頭兩端均預(yù)加工成外長15 cm的絲扣連接。同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過總鋼管數(shù)的50 %。

4.3導(dǎo)向墻施工

導(dǎo)向墻長度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地形變更為2 m，拱架間距50 cm，每榀拱架底部施做4根長4 m的φ42鎖腳鋼管，并注水泥-水玻璃雙漿液，導(dǎo)管角度斜向下45°，起加固地基并鎖腳作用。

混凝土導(dǎo)向墻在明洞襯砌輪廓線以外施作，截面尺寸2×1 m，采用C25鋼架混凝土，內(nèi)埋設(shè)I20 a型鋼鋼架及Ф140×5 mm導(dǎo)向套管，導(dǎo)向套管沿拱圈環(huán)向布設(shè)，間距、位置及方向應(yīng)準(zhǔn)確，固定鋼筋與導(dǎo)向管采用雙面焊接，焊接長度不小于5 d，導(dǎo)向墻與明洞襯砌之間預(yù)留25 cm變形量。

鋼（花）管接頭兩端均預(yù)加工成外絲扣連接，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過總鋼管數(shù)的50 %，相鄰鋼管的接頭至少錯開。

4.4安裝導(dǎo)向鋼管

導(dǎo)向管采用φ140 mm無縫鋼管，壁厚5 mm，每根L=1 m；環(huán)向間距為400 mm；用全站儀定出隧道中線，均勻劃出導(dǎo)向管位置。導(dǎo)向管平行線路設(shè)計(jì)線，安裝傾角為 3度，實(shí)際測量放樣中要考慮路線縱坡。為防止導(dǎo)向管在長管棚施工鉆孔過程中的振動松動，導(dǎo)向管焊接在鋼拱架外側(cè)，并用Φ22鋼筋焊接加固，Φ22固定筋與導(dǎo)向管、I20a工字鋼焊接成整體，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移。管棚及導(dǎo)向墻布置見圖1、圖2。

圖1　洞口長管棚橫斷面布置圖

圖2　洞口長管棚縱斷面布置圖

4.5管棚施工

管棚施工時，對鋼管主要材料進(jìn)行材質(zhì)檢驗(yàn)，遵守隧道施工技術(shù)安全規(guī)則和鉆眼注漿作業(yè)操作規(guī)則，施工工藝見圖3。

圖3　長管棚工藝流程

4.5.1管棚參數(shù)

鋼管規(guī)格：長管棚為熱軋無縫鋼管及鋼花管，管徑為外徑108mm、壁厚6mm。鋼（花）管接頭兩端均預(yù)加工成外絲扣連接，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過總鋼管數(shù)的50 %，相鄰鋼管的接頭至少錯開1m。

鋼管上鉆孔注漿，鉆孔孔徑為6 mm，孔間距25 cm，呈梅花形布置，尾部留100 cm不鉆孔作為止?jié){段。

管距：環(huán)向間距中至中為40 cm，布設(shè)在拱部120°范圍內(nèi)，共57根。傾角：鋼管軸線與襯砌外緣線夾角0～3°。

鋼管施工誤差：徑向不大于20 cm，相鄰鋼管環(huán)向不大于10 cm。鋼管中增設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠由4根φ18鋼筋和固定環(huán)組成。

4.5.2管棚施工方法

（1）管棚鉆機(jī)施做大管棚

①測量放樣出隧道設(shè)計(jì)輪廓線并按40 cm間距標(biāo)出管棚的位置。

②管棚鉆機(jī)移動、定位：鉆機(jī)平臺用鋼管腳手架搭設(shè)，鉆孔由一臺鉆機(jī)由高孔位向低孔位進(jìn)行，平臺支撐要著實(shí)地，連接要牢固、穩(wěn)定。防止在施鉆時鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質(zhì)量。

③在標(biāo)出的管棚位置上使用測斜儀調(diào)整鉆桿角度，鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的孔口管方向平行，用全站儀、掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

④巖質(zhì)較好的可以一次成孔；鉆進(jìn)時若產(chǎn)生坍孔、卡鉆，需補(bǔ)注漿后再鉆進(jìn)。

⑤鉆機(jī)開鉆時，可低速低壓，待成孔1.0 m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

⑥鉆進(jìn)過程中經(jīng)常用測斜儀測定其位置，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的現(xiàn)象及時判斷成孔質(zhì)量，并及時處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事故。

⑦鉆進(jìn)過程中確保動力器，扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn)。

⑧認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述。作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報，作為指導(dǎo)洞身開挖的依據(jù)。

清孔、驗(yàn)孔：用地質(zhì)巖芯鉆桿配合鉆頭進(jìn)行來回掃孔，清除浮渣至孔底，確?？讖健⒖咨罘弦?、防止堵孔，用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣，量測檢查孔深，傾角，外插角。

⑨安裝管棚鋼管：鋼管應(yīng)在專用的管床上加工好絲扣，絲扣長為 15cm。棚管四周鉆Φ6mm出漿孔；管頭制作成圓錐形，便于入孔。

（2）管棚注漿

①安裝好剛花管并對管內(nèi)注漿，檢查注漿質(zhì)量并以此調(diào)整鋼管的注漿質(zhì)量。

②注漿參數(shù)：水泥漿水灰比1∶1（重量比）

③注漿采用水泥漿液，注漿參數(shù)為：水泥漿液水灰比為1∶1（重量比）。注漿壓力：初壓0.5～1.0MPa，終壓2.0 MPa。

④注漿結(jié)束后用M10標(biāo)號的水泥砂漿充填鋼管，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。

⑤單根注漿量：Q=πR2Lη

式中R為漿液擴(kuò)散半徑，取R=0.6Lo；Lo為注漿鋼管中至中的距離；L為鋼管長；η為圍巖空隙率，各種地層條件下圍巖空隙率參考值：砂土40 %，粘土20 %，斷層破碎帶5 %。

（3）施工效果

通過開挖面情況揭示，水泥漿液在壓力作用下向四周擴(kuò)散，充滿了鋼管周圍巖體的裂隙，起到了有效固結(jié)圍巖的作用。為隧道開挖進(jìn)洞提供一個安全可靠的施工環(huán)境。施工效果見圖：圖4、圖5。

圖4　管棚及注漿后效果圖

圖5　雙側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)洞施工圖

4.6管棚施工控制要點(diǎn)

（1）鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角。并對每個孔進(jìn)行編號。

（2）鉆孔仰角的確定視鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度而定，一般控制在0°～3°。

（3）嚴(yán)格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

（4）經(jīng)常量測孔的斜度，嚴(yán)格控制管棚打設(shè)方向，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時糾正。

（5）掌握好開鉆與正常鉆進(jìn)的壓力和速度，防止斷桿。

（6）在遇到松散的堆積層和破碎地質(zhì)時，在鉆進(jìn)中可以考慮增加套管護(hù)壁，確保鉆機(jī)順利鉆進(jìn)和鋼管順利頂進(jìn)。

5　結(jié)語

三線車站大斷面軟弱破碎圍巖鐵路隧道進(jìn)洞施工，先期施工的管棚和注漿預(yù)先加固了洞身圍巖，而管棚及后施工的初期支護(hù)（拱架和噴射混凝土）和二次襯砌共同形成一個統(tǒng)一的整體，共同受力，使整個開挖處于整體結(jié)構(gòu)的保護(hù)之中，因此采用大管棚超前支護(hù)及預(yù)注漿加固技術(shù)對于大斷面軟弱破碎圍巖地段、堆積體或淺埋偏壓地段隧道進(jìn)洞施工非常安全可靠，為相似條件下隧道施工積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

［1］黃倡富.超前支護(hù)大管棚導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)［J］.巖土工程界，2006（1）：78-80

［2］高懷鵬，毛海東.長管棚預(yù)注漿超前支護(hù)在淺埋偏壓大跨度隧道洞口施工中的應(yīng)用［J］.公路，2005

［3］淺埋隧道洞口段施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2007

On the Tunnel-entering Working Mechanism of Pipe Umbrella Advance Support in Three-line Large Cross-section Weak Surrounding Rock Mass for Railway Tunnels

YAN Zhan-wei
（Tunnel Engineering Company Limited， China Railway 18 Bureau Group Co.， Ltd.Chongqing400700）

The pipe umbrella advance support is an effective protection measure for going through the weak surrounding rock， tacked body or shallow unsymmetrial area in the mouth of a tunnel for a tunnel construction. The Yanjiabao No.2 tunnel in the Qianzhangchang Railway belongs to the three-line large cross-section railway tunnel， with an excavation width of 20.8 meters and a height of 16.53 meters. And the exit of this tunnel is full of weak surrounding rock， and the construction of it adopted technologies of large pipe umbrella advance support and pre-grouting reinforcement， which achieved an excellent result. The construction for entering the tunnel is so smooth and safe， so as to accumulated rich experience for large cross-section engineering.

three-line large cross-sectionlarge pipe umbrellagroutingadvance support

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A

1673-1816（2015）04-0017-06

2015-10-14

閆站偉（1980-），男，陜西咸陽人，研究方向工程施工管理。