淺埋砂質(zhì)新黃土隧道下穿國(guó)道雙層長(zhǎng)管棚進(jìn)洞技術(shù)

蔣寧

Technology for Shallow-buried Sandy New Loess Tunnel Underneath the National Highway

摘要：武家坡隧道進(jìn)口段淺埋黃土及下穿國(guó)道，為預(yù)防塌方、大變形、路面沉陷使隧道安全、順利地完成進(jìn)洞施工、國(guó)道正常運(yùn)營(yíng)，選擇管棚超前支護(hù)措施。通過(guò)介紹86.7m雙層超前長(zhǎng)管棚一次施做施工技術(shù)，為類似工程提供參考。

Abstract： For the shallow-buried loess in the entrance section of Wujiapo tunnel and underpass national highway， to prevent landslides， large deformations and road subsidence and ensure the safely of tunnel， the smooth completion of the tunnel construction and the normal operation of the national highway， the pipe shed advanced support measures are taken. Through the introduction of 86.7m double-decked long pipe roof construction technology， it provides reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：淺埋；下穿國(guó)道；砂質(zhì)新黃土；雙層長(zhǎng)管棚；施工技術(shù)

Key words： shallow-buried；underpass national highway；sandy new loess；double long pipe shed；construction technology

中圖分類號(hào)：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0155-02

1 工程概況

武家坡隧道位于陜西省榆林市靖邊縣小河鄉(xiāng)前河村，為單洞雙線隧道，最大埋深168.88m。距進(jìn)口50m處下穿G307國(guó)道，與線路交角60°，最小埋深約25m，國(guó)道寬度8m。

進(jìn)口處覆蓋砂質(zhì)新黃土，黃褐色，稍密，稍濕，具濕陷性、呈松散狀；砂巖，紫紅色，強(qiáng)～全分化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層至巨厚層狀交錯(cuò)層里結(jié)構(gòu)，成巖作用差，巖質(zhì)較軟。隧道內(nèi)無(wú)水，受大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給。隧道進(jìn)口（DK256+643.25～DK256+670）段上部新黃土，可見(jiàn)階梯狀表層溜塌，厚約1.5m，地形陡峭，自然坡腳約64°，若開(kāi)挖極易造成坡腳失穩(wěn)造成滑塌。

2 超前管棚作用原理

超前管棚將鋼花管作安插在超前鉆孔中，在隧道開(kāi)挖輪廓線外形成鋼管支護(hù)棚架。超前管棚采用套拱作為環(huán)向后支點(diǎn)，利用初支鋼架作環(huán)向支撐，鋼管作為縱向預(yù)支撐組成為預(yù)前棚架結(jié)構(gòu)，其整體剛度大對(duì)整體圍巖變形限制能力強(qiáng)，能提前承受早期壓力。通過(guò)大管棚注漿補(bǔ)充固結(jié)土體，增強(qiáng)上方土體穩(wěn)定性，滿足開(kāi)挖穩(wěn)定的要求。利用超前管棚預(yù)前支護(hù)棚架結(jié)構(gòu)、固結(jié)地層功能加固自穩(wěn)能力低的圍巖，防止軟弱圍巖得下沉、松弛、坍塌。

3 超前長(zhǎng)管棚設(shè)計(jì)

隧道洞口里程256+653.25且隧道DK256+700處既下穿國(guó)道又是淺埋，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。因此DK256+653.25-DK256+740段拱頂中心兩側(cè)60°范圍設(shè)置86.7m長(zhǎng)￠159雙層超前長(zhǎng)管棚。管棚長(zhǎng)度86.75m一次施作。管棚采用節(jié)長(zhǎng)4～6m，？準(zhǔn)159×7mm熱軋無(wú)縫鋼管，管口環(huán)向距離40cm，上下管層距36cm，上層孔數(shù)36個(gè)，下層孔數(shù)33個(gè)，外插角0°～3°；鋼管周圍打設(shè)￠15mm、間距15cm，梅花形布置的注漿孔，尾部設(shè)150cm未鉆孔的止?jié){段。管棚注漿采用水泥漿液（水灰比：0.5：1-2：1）。

管棚內(nèi)設(shè)由4根Ф22螺紋鋼筋及固定環(huán)組成的鋼筋籠增加管棚抗拉強(qiáng)度和抗彎剛度。

為保證管棚整體穩(wěn)定和鉆孔施工方向設(shè)置縱向長(zhǎng)度2m、厚度1m的導(dǎo)向墻。同時(shí)穩(wěn)定洞口掌子面。

4 鉆機(jī)選型

根據(jù)本隧道的工程地質(zhì)制約即黃土具有大孔隙、易沖刷沖蝕和濕陷性特點(diǎn)。采用常規(guī)水鉆成孔再進(jìn)行管棚推進(jìn)的方法極易導(dǎo)致黃土遇水濕陷性增大造成較大空洞并沖蝕洞內(nèi)圍巖。使用鉆桿鉆孔試孔判斷巖層易于成孔、采用頂進(jìn)法施工（定位導(dǎo)向一次跟管作業(yè)法）。鉆機(jī)配設(shè)定位導(dǎo)向儀器，孔位成孔跟管棚安設(shè)一次性成型并滿足管棚長(zhǎng)度87.65m。為滿足以上施工條件和要求，對(duì)施工管棚鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)查選型，選擇北京通鐵恒大工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TTHD-100型水平定向管棚鉆機(jī)。導(dǎo)向儀采用美國(guó)DCI月蝕水平導(dǎo)向儀，隨著鉆桿鉆進(jìn)，可隨時(shí)采集鉆進(jìn)的方位角、深度、水平偏差等，發(fā)現(xiàn)有偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)，隨時(shí)校正。

鉆機(jī)主要參數(shù)：鉆孔直徑180mm，鉆孔深度100～120m，鉆孔角度范圍正負(fù)20°，電動(dòng)機(jī)功率55kW，重量800～1000kg，回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，采用可變形機(jī)身，可在現(xiàn)場(chǎng)方便的任意改變機(jī)身長(zhǎng)度（可調(diào)節(jié)為9m-6m-3.5m），而不影響打設(shè)質(zhì)量。

5 超前長(zhǎng)管棚施工

使用鉆桿鉆孔試孔判斷巖層易于成孔、采用跟管鉆進(jìn)的法施工，鉆孔采用間隔鉆孔方法，成孔1個(gè)即安裝鋼管，同時(shí)鋼管內(nèi)安設(shè)鋼筋籠。在全部管棚安裝完成后采取隔二注一的方法進(jìn)行注漿。

管棚施工主要工序：準(zhǔn)備工作（洞口開(kāi)挖及坡面防護(hù)）、長(zhǎng)管棚鋼花管制作、導(dǎo)向墻施作、鉆孔頂管、安裝管棚鋼筋籠、注漿。

5.1 準(zhǔn)備工作（洞口開(kāi)挖及坡面防護(hù)）

開(kāi)挖洞口，將洞口邊仰坡一次開(kāi)挖到位，噴錨支護(hù)防護(hù)坡面、施作截排水水溝防止雨水沖刷坡面保護(hù)洞內(nèi)圍巖，減少雨水對(duì)黃土的沖刷沖蝕。洞口預(yù)留核心土以便管棚施工，并做好洞口排水系統(tǒng)。

5.2 長(zhǎng)管棚鋼花管制作

長(zhǎng)管棚第一節(jié)頂進(jìn)鋼管前端加工成尖錐形長(zhǎng)10cm；剩余鋼管的兩端加工外絲扣，長(zhǎng)15cm，以便連接接頭鋼管，同一斷面內(nèi)的接頭數(shù)不超過(guò)總管數(shù)的50%。鋼管按照設(shè)計(jì)打設(shè)注漿孔。

5.3 導(dǎo)向墻施作

導(dǎo)向墻縱向長(zhǎng)度2m、厚度1m，內(nèi)設(shè)置拱架定位預(yù)埋導(dǎo)向管。為保證管棚有效維護(hù)拱頂圍巖及管棚不傾入隧道洞內(nèi)鋼架定位要精確，導(dǎo)向墻基礎(chǔ)應(yīng)穩(wěn)定。當(dāng)基礎(chǔ)位于濕陷性黃土上時(shí)基礎(chǔ)下施作2根擠密樁并澆筑30cm厚混凝土預(yù)埋鋼筋固定鋼架，安裝鋼架時(shí)考慮導(dǎo)向鋼管角度并用全站儀復(fù)測(cè)并放樣導(dǎo)向管的坐標(biāo)定點(diǎn)。拱架制作考慮洞口沉降量。

5.4 鉆機(jī)平臺(tái)架設(shè)、鉆孔頂管

為確保鉆機(jī)鉆進(jìn)穩(wěn)定，黃土隧道洞口使用黃土回填，壓路機(jī)壓實(shí)并用C20砼硬化場(chǎng)地，做好排水設(shè)施，用枕木搭設(shè)井字臺(tái)確保鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)牢固。以減小鉆機(jī)工作時(shí)偏斜，提高施鉆精度。保證鉆孔方向，鉆機(jī)鉆速及頂推壓力要隨著鉆進(jìn)情況變化調(diào)節(jié)。

開(kāi)挖前對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)垂直方向跟水平方向設(shè)計(jì)一定的糾偏值，定位導(dǎo)向儀器隨時(shí)監(jiān)控，特制的楔形鉆頭及時(shí)進(jìn)行糾正。鉆頭為可變鉆進(jìn)方向?qū)蜚@頭，偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)可隨設(shè)定的程序進(jìn)行軌跡調(diào)整。從而保證實(shí)際鉆進(jìn)的軌跡跟設(shè)計(jì)軌跡不出現(xiàn)大的偏差，保證鉆孔質(zhì)量。

為了更好掌控現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)所需的各種參數(shù)，探尋針對(duì)此地質(zhì)鉆進(jìn)的偏斜規(guī)律，正式施工前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，先鉆1～2個(gè)孔位，根據(jù)鉆設(shè)時(shí)的涌水、涌沙、孔位偏斜量、鉆進(jìn)速度等因素，探索出規(guī)律，從而選定特定的技術(shù)參數(shù)。試驗(yàn)孔位一般選取中心的拱頂部位。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本著盡量減少地層擾動(dòng)，充分維持土體自穩(wěn)性，便于施工，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工采用“先上部后下部，先易后難”的原則。主要施工順序?yàn)椋合裙绊敽蠊把?，上下孔位錯(cuò)開(kāi)鉆孔，梅花形雙側(cè)對(duì)稱式鉆孔。

5.5 安裝鋼筋籠

管棚鋼管安裝好后，放置鋼筋籠。鋼筋籠穿入時(shí)防卡籠措施：因?yàn)楣芘铿F(xiàn)場(chǎng)采用內(nèi)絲扣的連接方式，所以穿如鋼筋籠時(shí)容易發(fā)生鋼筋籠端頭被內(nèi)絲扣鋼管卡頓的情況發(fā)生，為解決此問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了楔形鋼板尖頭，將其與鋼筋籠端頭焊接，以此保證鋼筋籠順利穿入。

5.6 管棚鋼管注漿

管棚注漿采用1：1純水泥灰漿，按配比進(jìn)行均勻攪拌，然后由注漿機(jī)進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿時(shí)隨時(shí)控制注漿量及注漿壓力，注漿施工時(shí)要采取低壓力中流量注入的方法，同時(shí)要保證在注漿的過(guò)程中壓力要逐漸增大，漿液的流量呈逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)壓力升至注漿終壓時(shí)，繼續(xù)壓注，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)每孔注漿終壓達(dá)到1.0MPa并穩(wěn)定10～15min，且注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量的95%時(shí)，可結(jié)束注漿。

注漿順序：注漿采用鉆好一孔注一孔的方式進(jìn)行，自上而下，隔孔鉆孔，隔孔注漿。

串漿時(shí)及時(shí)堵塞串漿孔，泵壓突然升高時(shí)，可能發(fā)生堵管，應(yīng)停機(jī)檢查，進(jìn)漿量很大，壓力長(zhǎng)時(shí)間不升高，應(yīng)重新調(diào)整漿液濃度及配合比，縮短膠凝時(shí)間，采用小流量低壓力注漿或間歇式注漿。

6 施工遇到的問(wèn)題及采取的措施

長(zhǎng)大管棚注漿超前在大孔隙的黃土隧道施工中注漿效果較好，開(kāi)挖后能看見(jiàn)土塊滲進(jìn)水泥漿膠結(jié)成整體，長(zhǎng)管棚補(bǔ)注的水泥漿增大了鋼管的截面模量，提高了橫向荷載能力。在開(kāi)挖過(guò)程中拱頂未出現(xiàn)塌方掉塊現(xiàn)象增加施工安全系數(shù)。但在具體施工過(guò)程中仍遇到許多問(wèn)題，應(yīng)采取相應(yīng)的措施及時(shí)解決。

①由于鉆孔長(zhǎng)86.75m，各孔易出現(xiàn)漏風(fēng)、無(wú)渣排除、鉆不進(jìn)情況，采用慢進(jìn)慢出多次竄動(dòng)，每鉆進(jìn)10m，退出20m，同時(shí)以高壓風(fēng)不斷吹動(dòng)，然后緩慢鉆進(jìn)，待正常排渣后，再加鉆桿鉆入。鉆孔順先單后雙施做，為避免串孔現(xiàn)象。同時(shí)為保證成孔質(zhì)量應(yīng)鉆孔后立即安裝管棚鋼管。

②精確定位鉆孔角度和方位并控制鉆孔角度，尤其是接長(zhǎng)鉆桿后鉆進(jìn)角度應(yīng)嚴(yán)格控制。水平鉆孔難免有些彎曲，且向隧道設(shè)計(jì)斷面彎曲，可以先鉆不易傾入隧道設(shè)計(jì)斷面的最低的孔試鉆并用測(cè)孔器探測(cè)得出下沉高差以此適當(dāng)抬高。應(yīng)經(jīng)常測(cè)量軸線與襯砌外緣夾角。

③施工中應(yīng)提前做好導(dǎo)向墻施工準(zhǔn)備工作，導(dǎo)向管的外徑厚度、連接管棚鋼管的套管外徑厚度選擇很重要，避免鉆孔時(shí)鉆機(jī)吹不出渣、無(wú)法鉆進(jìn)或無(wú)法安裝管棚等現(xiàn)象。由于采用內(nèi)絲扣應(yīng)改正鋼筋籠的直徑并打磨好端頭及接頭部位確保鋼筋籠能有效順利地進(jìn)入管棚鋼管中。

④由于地質(zhì)狀況原因會(huì)出現(xiàn)軟質(zhì)圍巖、流塑狀黏土、砂卵石或破碎帶不易成孔時(shí)應(yīng)改用低壓鉆進(jìn)或者采用套管跟管鉆成孔。鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意鉆孔速度、返回介質(zhì)的成分?jǐn)?shù)量、地質(zhì)水文等資料的收集與記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)解決。

⑤鉆孔時(shí)如出現(xiàn)卡鉆、嚴(yán)重塌孔、漏風(fēng)等現(xiàn)象，應(yīng)停止鉆進(jìn)，注漿后再鉆。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)使用TTHD-100型水平定向管棚鉆機(jī)說(shuō)明該設(shè)備滿足在淺埋砂質(zhì)新黃土地層中水平鉆孔深86.75m施工要求。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析：DK256+653.25～DK256+715段內(nèi)的全部測(cè)量斷面，穩(wěn)定后最大累計(jì)沉降值為18.3mm（DK256+680），最大周邊收斂值為12.1mm（DK256+691），日拱頂沉降平均值約0.9mm，收斂值約為0.2mm，國(guó)道側(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)最終累計(jì)最大沉降值為9.8mm，說(shuō)明在黃土隧道洞口淺埋段施作雙層超前長(zhǎng)管棚能夠有效控制塌方、大變形、路面沉陷以及承受國(guó)道上行車荷載影響。管棚超前支護(hù)措施能夠滿足隧道進(jìn)洞施工要求，保證隧道施工安全和質(zhì)量。

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