城市隧道超前管棚支護(hù)的施工技術(shù)

余建萍

（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518055）

1 應(yīng)用超前管棚支護(hù)技術(shù)的必要性

超前管棚支護(hù)是一種利用小型設(shè)備進(jìn)行的施工技術(shù)，其能有效克服地質(zhì)條件復(fù)雜、施工空間狹小等不良施工條件的影響，將其應(yīng)用于城市隧道施工中，其能順利通過(guò)隧道頂板之間僅為6cm的狹小空間、污水主管道和雨水方溝等，因此，采用該技術(shù)進(jìn)行施工能有效保證城市主干道的安全?？偟膩?lái)說(shuō)，將前管棚支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于城市隧道施工中，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）支護(hù)管棚能起到格柵和骨架的作用，因此能有效保證掌子面巖土體的穩(wěn)定；（2）在一定壓力下，在周?chē)缮?、軟弱的土層中注入水泥，不僅能有效提高巖土體的穩(wěn)定性，同時(shí)還能促進(jìn)地層形成的復(fù)合固結(jié)體更加穩(wěn)定，因此，其能有效保證隧道施工的穩(wěn)固性和安全性，這也是超前管棚支護(hù)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道施工中的主要原因[1]。

2 超前管棚支護(hù)受力原理和施工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

2.1 超前管棚支護(hù)施工原理分析

在開(kāi)挖的隧道、地下洞室等外輪廓周邊上，以一定的間隔、間距和外插角沿著洞軸鉆孔，再將慣性矩較大的鋼管安裝在孔內(nèi)以及做好鋼管的注漿固結(jié)預(yù)支護(hù)的施工過(guò)程被稱(chēng)之為超前管棚支護(hù)施工。該種施工技術(shù)不僅能促進(jìn)整體的支護(hù)性能良好，同時(shí)還能有效降低加固環(huán)的變形，進(jìn)而能有效保障隧道掘進(jìn)和初期支護(hù)施工的安全，原因是環(huán)形固結(jié)層和管棚能促進(jìn)拱部圍巖拼接良好，且當(dāng)隧道開(kāi)挖輪廓周邊密布時(shí)，該種施工結(jié)構(gòu)能促使傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上部的荷載降低。此外，通過(guò)管棚注漿操作，不僅能充分發(fā)揮固環(huán)的承載拱作用，還能促進(jìn)拱頂預(yù)先形成堅(jiān)固的保護(hù)環(huán)，從而使得隧道整體結(jié)構(gòu)能對(duì)地面荷載和拱上部的巖層重量進(jìn)行有效承載和降低了拱部圍巖形變壓力，進(jìn)而為隧道的開(kāi)挖和建設(shè)施工創(chuàng)造了良好的條件[2]。

2.2 超前管棚支護(hù)技術(shù)在城市隧道施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

由于城市隧道的跨度和斷面均較大，且其受地質(zhì)、路面以下眾多管線(xiàn)的影響較大，這些因素不僅給實(shí)際施工過(guò)程帶來(lái)了極大的難度，同時(shí)也易導(dǎo)致隧道頂板發(fā)生較大的沉陷，為此，已有不少施工人員將超前管棚技術(shù)應(yīng)用于城市隧道施工中，并獲得了滿(mǎn)意的效果。超前管棚支護(hù)技術(shù)在城市隧道施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）工藝簡(jiǎn)便，超前管棚支護(hù)和注漿施工操作簡(jiǎn)便、施工速度快，不需大型的機(jī)具設(shè)備便能獲得顯著的預(yù)加固效果，并且，其建立的臨時(shí)支護(hù)還具有加固效果好、安全性能高、阻止嚴(yán)重滲水性能強(qiáng)及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢(shì)。（2）適應(yīng)性較強(qiáng)，超前管棚支護(hù)技術(shù)可適用于洞內(nèi)特殊地段地層和軟弱破碎圍巖、隧道洞口淺埋等多種地段。

3 城市隧道超前管棚支護(hù)的具體施工步驟和方法

在進(jìn)行城市隧道超前管棚支護(hù)開(kāi)挖施工前首先要進(jìn)行長(zhǎng)管棚設(shè)計(jì)，其是限制隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖變形和防止掌子面坍塌的有效預(yù)支護(hù)手段。長(zhǎng)管棚的具體設(shè)計(jì)方法為：在開(kāi)挖隧道前，將一排縱向鋼花管沿隧道襯砌外緣部位進(jìn)行施工，為加固圍巖，施工完畢后還需往管內(nèi)注漿，使鋼管內(nèi)及其與孔壁之間的空隙得到充分填充，這樣不僅能促進(jìn)鋼管與分布架設(shè)的噴射混凝土、鋼拱架、分布鋼筋網(wǎng)片形成綜合防護(hù)體系，同時(shí)還能促進(jìn)鋼管柱體形成穩(wěn)固的棚狀圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從而能有效保障隧道施工安全。在具體施工過(guò)程中，可按如下步驟進(jìn)行施工：

3.1 管棚工作室開(kāi)挖、定向和布孔

由于管棚不可占用隧道結(jié)構(gòu)空間，且其需置于隧道頂板上，為此，在實(shí)際施工過(guò)程中，需嚴(yán)格對(duì)其設(shè)置空間要求。一般來(lái)說(shuō)，管棚工作室是按照中隔斷法和正臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)施工，開(kāi)挖后，為形成穩(wěn)定安全的施工環(huán)境，需及時(shí)做好相關(guān)工序處理，如對(duì)錨桿進(jìn)行施作，對(duì)鋼筋網(wǎng)和鋼拱架進(jìn)行鋪設(shè)和安放以及噴射混凝土等，然后及時(shí)封閉圍巖。而管棚的定向可采用兩種方式進(jìn)行：（1）采用掛線(xiàn)定向，進(jìn)行掛線(xiàn)定向時(shí)需避免線(xiàn)路縱坡影響外插角，并利用前后兩點(diǎn)掛線(xiàn)（兩點(diǎn)間的間距約為 10m）確定管棚的方向。（2）安裝定向套管，由于套管的方向決定了鉆孔的方向，因此，對(duì)定向套管需合理安裝，一般采用2m的套管或比鉆頭稍大的鋼管進(jìn)行套管安裝，安裝完畢后，需在鋼架上對(duì)其進(jìn)行固定。

3.2 鉆機(jī)安裝

首先需在掌子面上將管棚的孔位全部測(cè)量出來(lái)，并做好相應(yīng)的標(biāo)記，然后采用鋼管腳手架搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，應(yīng)一次性將平臺(tái)搭設(shè)好，為保證施工傾角和鉆機(jī)高度符合鉆孔要求，在平臺(tái)搭設(shè)過(guò)程中可根據(jù)鉆孔位置和拱圈形狀進(jìn)行操作。在一般施工過(guò)程中，平臺(tái)支撐點(diǎn)鋼管需進(jìn)入土層50cm，為保證施工平臺(tái)穩(wěn)定，還需采用縱橫掃地桿牢固連接水平向平臺(tái)，這樣也能有效避免鉆機(jī)在施鉆過(guò)程中發(fā)生位移、擺動(dòng)和不均勻下沉等情況，從而導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量受到影響。在管棚施工過(guò)程中，在平臺(tái)上還需采用倒鏈方式調(diào)整鉆機(jī)位移，鉆機(jī)鉆桿軸線(xiàn)需與設(shè)計(jì)鉆孔方向吻合，鉆機(jī)需與設(shè)定好的鉆孔方向平行并保證固定鉆機(jī)的穩(wěn)固牢靠。

3.3 鉆孔

安裝完鉆機(jī)后，再安裝鉆桿（長(zhǎng)度約為89m），在進(jìn)行管鉆具和鉆具風(fēng)動(dòng)潛孔鉆施工前，還需對(duì)鉆具進(jìn)行空轉(zhuǎn)檢查，在實(shí)際施工過(guò)程中，地下施工掌子面的風(fēng)可利用高壓風(fēng)管送至，并確保螺桿空壓機(jī)處于隧道一端的地面上，前、后臺(tái)之間可采用對(duì)講機(jī)進(jìn)行聯(lián)系?？辙D(zhuǎn)檢查無(wú)誤后，再安裝套管，利用后臺(tái)送風(fēng)進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，需保持低壓低速進(jìn)行初始鉆機(jī)，鉆孔至1m后，再根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)狀況對(duì)風(fēng)壓和鉆速進(jìn)行調(diào)整。另外，應(yīng)采取跳打措施進(jìn)行鉆孔施工，并認(rèn)真做好鉆進(jìn)過(guò)程的原始記錄，并及時(shí)描述和判斷孔口排渣地質(zhì)情況，當(dāng)鉆孔內(nèi)有水滲出或排渣出現(xiàn)軟泥時(shí)，需立即對(duì)鉆進(jìn)停止，為避免發(fā)生滲水事故，還需及時(shí)采取孔內(nèi)注漿封堵方式進(jìn)行處理。鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，需將高壓氣開(kāi)啟，孔內(nèi)浮渣清理通過(guò)自孔底向孔口進(jìn)行，孔斜與鉆孔深度驗(yàn)收合格后，才可進(jìn)行下一鉆孔施工。

3.4 孔斜測(cè)量與糾傾

為保證管棚精準(zhǔn)的設(shè)置在隧道頂板和各種地下管線(xiàn)之間，在鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)鉆孔的位置需經(jīng)常用測(cè)斜儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)定，一方面以避免其進(jìn)入隧道頂板以下對(duì)隧道結(jié)構(gòu)施工造成影響，另一方面還能避免其損害相鄰的管線(xiàn)?？刹捎盟娇讛?shù)字羅盤(pán)測(cè)斜儀作為孔斜的測(cè)量?jī)x器，并且在施工期間，儀器每鉆進(jìn)鉆孔5m需對(duì)孔斜進(jìn)行一次測(cè)量，然后再依據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)鉆頭所在標(biāo)高和鉆孔傾斜值進(jìn)行計(jì)算，并分析和預(yù)測(cè)繼續(xù)鉆進(jìn)可能出現(xiàn)的偏差程度，若孔斜值在允許誤差范圍內(nèi)，也即鉆孔不會(huì)進(jìn)入隧道頂板以?xún)?nèi)側(cè)且不會(huì)損壞地下管線(xiàn)，便可正常鉆進(jìn)，若超過(guò)誤差范圍，則需及時(shí)行糾傾處理。常用的糾傾處理方法有：若鉆孔傾斜角度較小時(shí)，可利用扶正器對(duì)鉆桿進(jìn)行扶正，再行鉆進(jìn)；若鉆孔傾斜角度較大時(shí)，需從孔內(nèi)抽出鉆具，并對(duì)鉆機(jī)鉆進(jìn)傾角進(jìn)行重新調(diào)整，再行鉆進(jìn)操作；若鉆孔向下傾斜過(guò)大時(shí)，需增大鉆桿仰角1～2°，若鉆孔向上傾斜過(guò)大時(shí)，需對(duì)鉆桿仰角進(jìn)行減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隧道工程在我國(guó)公路建設(shè)中的比例越來(lái)越大，因此探尋安全、有效的隧道施工技術(shù)迫在眉睫。在城市隧道中進(jìn)行施工尤為困難，原因是其存在較多的特殊地段和地質(zhì)，例如存在較多的強(qiáng)膨脹地層、砂土質(zhì)地層、強(qiáng)流變性地層以及極其破碎的塌方體、巖體和淺埋大偏壓的圍巖等，這些因素不僅增加了城市隧道施工的難度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致建成的城市隧道工程結(jié)構(gòu)性能較差，而采用超前管棚預(yù)支護(hù)施工技術(shù)則能有效克服上述問(wèn)題，其在溶?chē)?yán)重流泥地段、流塑狀巖體中均可適用，并且通過(guò)管棚支護(hù)和注漿處理，如采用絕大部分長(zhǎng)度的管棚鋼管支護(hù)在開(kāi)挖隧道洞口，能有效支撐洞口上部荷載，在隧道洞內(nèi)施工中，鋼管的后半段能起到承受上部土體荷載和路面荷載的作用，因此，能使隧道工程獲得良好的加固效果，