管棚在軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用

朱金濤

摘要：在軟弱圍巖隧道進行的施工時，極易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)及地表下沉的現(xiàn)象。以科學(xué)、合理的支護方法增強支撐力，能夠有效控制施工問題的出現(xiàn)，管棚技術(shù)就是其中一種有效的方法。本文以某軟弱隧道工程為例探討了其施工技術(shù)要點。

關(guān)鍵詞：管棚；軟弱圍巖；注漿

一、工程概況

長壽山隧道位于黃河北岸的大砂坪鄉(xiāng)與富民村之間，橫穿蘭州市兩區(qū)一縣，起點里程HDK41+910，終點里程HDK54+425，全長為12515m，屬于中鐵二十局集團蘭州樞紐項目控制性節(jié)點工程。自開工以來，項目部把長壽山隧道列為創(chuàng)魯班獎工程。隧道進HDK54+265～HDK54+425段有一個喇叭口斷面，為雙線集裝箱喇叭口隧道，該里程段隧道地質(zhì)條件較差，施工難度大，技術(shù)含量高，線路穿越Ⅴ級全～強風(fēng)化花崗巖。洞口段表層為坡積土，層厚0.5m～2m，進洞口 30m淺埋段為全風(fēng)化花崗巖，巖體呈角礫碎塊松散狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性差，洞口邊仰坡及圍巖自穩(wěn)能力弱。

自隧道準備開始進洞，隨著清除洞口表層土后，仰坡地表處產(chǎn)生裂縫，最大裂縫5cm，形成3～4cm的錯臺，且裂隙水入滲時，有滴水現(xiàn)象，洞口開挖工作面產(chǎn)生坍塌，施工進洞困難。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)合其他隧道施工經(jīng)驗，認為較為合理的施工方法是采用長管棚超前預(yù)注漿，先對洞口段進行固結(jié)處理，以保證洞口淺埋段經(jīng)濟、快速、安全的進洞。

二、管棚注漿法工藝原理

注漿管棚通過注漿填充圍巖裂隙，提高圍巖的強度和剛度，從而提高圍巖的整體承載能力。通過向圍巖注漿形成的加固圈起到“承載拱”的作用，支承“承載拱”上部的巖層重量，使拱內(nèi)部的圍巖與支護系統(tǒng)處于免壓狀態(tài)。拱內(nèi)部的圍巖與支護系統(tǒng)受到的力僅是由于隧道變形引起的形變壓力，當(dāng)管棚為慣性力矩較大的厚壁鋼管，且沿隧道開挖輪廓線周密布置時，加固圈的變形較小，因此，隧道支護結(jié)構(gòu)所承受的上部荷載大大減小。另外，在管棚進口端一般加有套拱基礎(chǔ)，另一端深入到隧道圍巖較為完整、堅硬處，這樣可以對上部的破碎軟弱圍巖形成一個穩(wěn)定的“簡支梁”支撐結(jié)構(gòu)，此簡支梁可起到承受上部壓力或者傳遞上部荷載的作用。

管棚作為隧道施工的輔助方法之一，適用于軟弱砂土質(zhì)地層、砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質(zhì)粘土地層，裂隙發(fā)育巖體、斷層破碎帶、淺埋大偏壓等圍巖，并對地層變形有嚴格要求的工程。通常情況下，在穿越鐵路修建地下工程、穿越地面及地下結(jié)構(gòu)物修建地下工程、修建大斷面地下工程、隧道洞口段加固等特殊地段施工時，一般采用管棚進行超前支護。

三、管棚在軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用

（一）施工參數(shù)

1、長度的選擇

管棚長度應(yīng)視隧道所處地形、地質(zhì)等情況而定，首先必須要穿過掌子面上的土體破裂面一定的長度，使土壓力傳到已封閉的支護結(jié)構(gòu)上，其次滿足鉆機設(shè)備的工作參數(shù)要求。特別是在地質(zhì)重要任務(wù)比較復(fù)雜的情況下，一般應(yīng)沿隧道軸向進行試鉆，取得詳細資料，從而決定長管棚的施工區(qū)長度。本隧道管棚長度為32m。

2、鋼管的選擇

管棚鋼管型號的選擇根據(jù)地質(zhì)條件和支護條件，本隧道采用Ф108mm熱軋無縫鋼管，壁厚6mm，節(jié)長分別為4m和6m。

3、鋼管的間距

管棚環(huán)向布設(shè)鋼管間距多為30～50mm。間距布設(shè)對防止洞口上方土體坍落及松馳有很大的影響，施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合理的間距。本隧道鋼管采用33cm。

4、注漿參數(shù)

注漿采用水灰比1：1（重量比）單液水泥漿，在早期強度要求較高時可采用雙液漿。在鋼管最外端1.5m范圍內(nèi)不設(shè)置注漿孔，采用M10水泥砂漿灌注?？卓谟煤穸?-5mm鋼板鑿孔焊接注漿管等直徑小導(dǎo)管來封堵；鋼管與孔壁空隙得封堵，利用自制工具將早強水泥砂漿塞入孔口封堵，封堵材料入孔內(nèi)不小于1m長度，確保封堵質(zhì)量。注漿量及注漿結(jié)束與否，不是以時間來判斷，而是以注漿壓力來控制，當(dāng)注漿壓力持續(xù)升高，接近或達到注漿額定壓力時，該管注漿即可結(jié)束。注漿初壓0.5～1.0Mpa，終壓2～2.5Mpa。

單孔注漿量：式中為漿液擴散半徑，取=0.6，為鋼花管長，取0.85為注漿飽滿系數(shù)，為地層孔隙率，根據(jù)現(xiàn)場土工試驗測得，由此算得單孔注漿量為0.9～2.0。

（二）施工技術(shù)

1、安設(shè)鉆機

采用MGJ―50型錨桿工程鉆機，無伸縮臂功能，鉆機升降采用在底架上用千斤頂升降，加設(shè)枕木垛調(diào)節(jié)所需高度。

2、開孔

開孔前必須檢查設(shè)備，保證設(shè)備狀況良好，對組合好的鉆具要檢查絲扣聯(lián)結(jié)是否緊密，偏心擴孔器轉(zhuǎn)動是否靈活。在架設(shè)好鉆機、調(diào)整好孔位的水平位置及仰角后，采用大于鋼套管直徑1～2級的潛孔錘，鉆鑿2～3m深的孔口，然后退出潛孔錘。

3、安裝管棚鋼管、鋼花管

（1）頂進鋼管采用4m和6m兩種長度規(guī)格，管棚鋼管、鋼花管節(jié)與節(jié)之間通過絲扣接頭連接，絲扣長15cm。為使鋼管接頭錯開，編號為奇數(shù)的第一節(jié)管采用3m鋼管，編號為偶數(shù)的第一節(jié)管采用6m鋼管，以后每節(jié)鋼管采用6m長鋼管，以保證同一斷面上接頭數(shù)不超過50%。鋼管節(jié)段間接頭采用企口焊接，確保連接可靠。（2）對有孔鋼管前4.5m不開孔，作為止?jié){段，其余部分按20cm間距交錯設(shè)置10㎜的注漿孔，管頭設(shè)置為圓錐形，以便入孔。（3）安裝鋼管前期靠人工送管，當(dāng)阻力增大，人力無法送進時，采用鉆機頂進，頂進困難時，用錘擊鋼管或用卡鉗扭轉(zhuǎn)鋼管，以取得較好的頂進效果。在下管前，將要頂進的鋼管節(jié)搭配到設(shè)計長度并試拼接，并做好記錄。

4、鉆進

將第一節(jié)帶有套管靴的鋼套管套入鉆具，使偏心鉆頭露出到套管外，檢查扶正器、導(dǎo)正器、鉆桿三者是否同軸，以避免在鉆進中鋼套管歪斜，導(dǎo)致發(fā)生孔斜和加不進鉆桿和鋼套管的困難。鉆機加壓進入正常鉆進作業(yè)后，要注意排屑是否正常，要經(jīng)常調(diào)整鉆壓，力求保持一個恒定的排屑速度。

5、退鉆：在退鉆倒換鉆具或退出孔口之前，沖擊器應(yīng)后退進行吹孔或注水清洗，把環(huán)狀空間的巖屑清除干凈后，再把鉆桿及鉆具退出。反轉(zhuǎn)鉆具時不要太猛，防止鉆桿或沖擊器脫扣。

6、注漿

管棚安裝完成后，旋上孔口閥，連接注漿管路。利用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，再做壓水試驗，以沖洗巖石裂隙，擴大漿液通路，增加漿液充塞的密實性，正式注漿時應(yīng)保證注漿的連續(xù)性，這樣才能更好的保證上部固結(jié)層的受力均勻。

在注漿前應(yīng)由試驗確定漿液配比、注漿壓力、漿液初凝時間等注漿參數(shù)。漿液配比選擇要考慮巖石裂隙情況及漿液擴散半徑，現(xiàn)場通過試驗孔確定。配制漿液時，要注意加料順序和速度，先加水后加水泥及外加劑，按照現(xiàn)場施工進度配置，防止?jié){液結(jié)塊。

清孔后，按由下至上，由中心至兩側(cè)的順序施工，漿液先稀后濃、注漿量先大后小，如遇串漿或跑漿則隔孔灌壓。

采用終壓和注漿量雙控制。以單管設(shè)計注漿量為標準，當(dāng)注漿壓力達到設(shè)計終壓 不小于20min，進漿量仍達不到設(shè)計標準時，也可結(jié)束注漿，如進漿量大于試驗或設(shè)計量的1.5倍時，應(yīng)停止注漿，查看周圍是否存在漏漿或地下河流，待處理完后再行注漿。

結(jié)束語

隧道采用超前管棚支護注漿施工，順利通過隧道進洞頂淺埋段及出口嚴重偏壓地段。現(xiàn)場情況表明，超前管棚支護結(jié)合注漿技術(shù)很好地改善了松軟破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，水泥漿液在壓力的作用下向四周擴散，充滿了鋼管周圍地質(zhì)的縫隙，起到了固結(jié)圍巖的作用。管棚支護和后期施工的初期支護形成一個統(tǒng)一整體，縱橫交錯，共同受力，使整個開挖工作面處在管棚的“保護”之中。進洞口地段均采用管棚注漿施工進洞，達到了“零進洞、零開挖、零擾動”的目的，且順利進洞，實際施工效果證明，采用管棚支護和預(yù)注漿加固技術(shù)對于偏壓、淺埋隧道進出洞口段安全進洞開挖是安全、可靠的。

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