雙層超長管棚在淺埋黃土隧道施工中的應(yīng)用

吳韓飛

（中國中鐵四局集團(tuán)第七工程分公司，安徽 合肥 230022）

在隧道工程施工中，減少洞口開挖量有利于環(huán)境保護(hù)，“零開挖”、“早進(jìn)洞、晚出洞”等環(huán)保理念應(yīng)用于工程實(shí)踐的趨勢(shì)愈明顯。提前進(jìn)入隧道暗洞施工，減少洞口開挖范圍，妥善保護(hù)周圍植被、生態(tài)地貌，必然導(dǎo)致隧道洞口暗挖段處于淺埋地段，因此長管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用尤有必要。

洞口淺埋段暗挖施工，為控制圍巖變形，避免進(jìn)洞時(shí)出現(xiàn)圍巖變形較大，導(dǎo)致隧道變形侵限、甚至坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。在傳統(tǒng)類似項(xiàng)目施工中，多采用30-40m 長管棚進(jìn)行預(yù)支護(hù)，洞身多采用CRD、CD 工法開挖，之后后續(xù)淺埋地段采用洞內(nèi)中、短管棚進(jìn)行循環(huán)預(yù)支護(hù)，存在施工進(jìn)度慢、工序繁多，且相互干擾大、支護(hù)效果差等缺陷。本文結(jié)合寶蘭客專鐵路五星坪隧道出口段超長管棚施工經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)隧道洞口超長管棚施工進(jìn)行總結(jié)，以供類似項(xiàng)目借鑒。

1 工程概況

五星坪隧道出口位于蘭州市七里河區(qū)五星坪后街，下穿當(dāng)?shù)匾晦r(nóng)戶果園，隧道洞口段100m 埋深2.4～11.3m，穿越素填土、雜填土層和砂質(zhì)黃土層，砂質(zhì)黃土具有Ⅳ級(jí)(很嚴(yán)重)自重濕陷性；地基承載力140～220KPa，土體含水率9～15%。因征遷困難，設(shè)計(jì)明洞方案調(diào)整為超淺埋暗挖進(jìn)洞方案，洞口段增設(shè)設(shè)雙層100m 長φ108 超長管棚超前支護(hù)。

圖1 五星坪隧道出口平面圖

2 超前大管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理

大管棚的作用機(jī)理主要是起到簡支梁的效果：管棚的一端深入隧道前方穩(wěn)定地層中，另一端支承在已有變形穩(wěn)定支護(hù)體的上方，沿著隧道開挖輪廓線外的縱向布設(shè)鋼管，對(duì)鋼管內(nèi)部及周圍的圍巖進(jìn)行注漿加固，為隧道后續(xù)開挖的防護(hù)傘（棚）；開挖面至支護(hù)結(jié)構(gòu)未封閉地段圍巖壓力通過管棚自身剛度，可以將局部的應(yīng)力特別是正開挖的拱部應(yīng)力傳遞至管棚固定支承和彈性支承端，避免局部的應(yīng)力集中而失穩(wěn)；管棚外側(cè)局部巖體塌落時(shí)，作為支護(hù)加固支承點(diǎn)，縮小擾動(dòng)范圍和縮短松動(dòng)區(qū)域圍巖暴露時(shí)間。因此，管棚作為隧道拱部超前預(yù)支護(hù)，可以有效防止掌子面的坍塌及地層過量變位，為隧道開挖提供安全保障。

隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步改進(jìn)，長管棚預(yù)支護(hù)工藝發(fā)展愈來愈成熟，特別是在導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)和管棚空間定位后技術(shù)成功應(yīng)用后，借助大功率水平定向鉆機(jī)，管棚施打的精度、打設(shè)長度、沉降控制及施工工效等均有了長足的發(fā)展。

3 施工準(zhǔn)備、施工工藝及方法

3.1 邊、仰坡刷坡及洞口防護(hù)

在洞口開挖線外側(cè)2～5m 施做截水天溝，洞口施工場(chǎng)地開挖平整完畢后及時(shí)施做排水溝，保證場(chǎng)地內(nèi)不積水。

暗洞進(jìn)洞處洞頂埋深約5.0m，仰坡坡度設(shè)置為1∶0.75 和1∶0.5 兩種，其中坡口至拱頂以上2m 采用1∶0.75。

邊、仰坡臨時(shí)坡面采用噴網(wǎng)錨進(jìn)行防護(hù)，具體參數(shù)為：噴C25 砼厚10cm；錨桿采用φ22 砂漿錨桿，間距1.5m×1.5m，梅花型布置，每根長3m；φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25cm×25cm。

圖2 洞口邊仰坡刷坡橫斷面示意圖

3.2 挖孔樁施工

為增強(qiáng)管棚導(dǎo)向墻地基承載力，防止隧道下臺(tái)階及落底開挖階段導(dǎo)向墻（護(hù)拱） 出現(xiàn)“落拱”，影響初期支護(hù)穩(wěn)定，擬在左右邊墻兩側(cè)各設(shè)2 根樁徑1.0m、樁長15m 挖孔樁。樁頂設(shè)1.25×1.0×4.0m（寬×高×長） 冠梁形成管棚導(dǎo)向墻基礎(chǔ)。

3.3 導(dǎo)向墻施工

導(dǎo)向墻在開挖輪廓線以外拱部144°范圍內(nèi)施作，厚度1.2 米，長4.0m。導(dǎo)向管安設(shè)時(shí)嚴(yán)控平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度。孔口管牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移，為了減少導(dǎo)向墻的沉降，在拱腳處設(shè)挖孔樁。

先安裝內(nèi)層工字鋼，內(nèi)層工字鋼拱架固定牢固后，檢查凈空尺寸無誤后，開始鋪設(shè)導(dǎo)向墻底層模板。模板鋪設(shè)完成后開始安裝導(dǎo)向墻中的工字鋼。導(dǎo)向墻內(nèi)的工字鋼縱向采用鋼筋連接，環(huán)向間距1 米，調(diào)整兩榀工字鋼的前后標(biāo)高，以控制導(dǎo)高管的外插角度。

導(dǎo)向管安裝：導(dǎo)向拱架安裝調(diào)試完成后進(jìn)行導(dǎo)向管安裝，導(dǎo)向管采用φ140 鋼管，長度4.0 米環(huán)向間距40cm。導(dǎo)向管平行線路設(shè)計(jì)線，外插角為1.5°（不含線路縱向坡度）。采用焊接的方式將調(diào)節(jié)好的導(dǎo)向管與拱架聯(lián)接成為一個(gè)整體。

導(dǎo)向墻內(nèi)側(cè)模板采用竹膠板，外側(cè)及堵頭模采用5cm木板。澆筑混凝土?xí)r兩側(cè)對(duì)稱澆筑，嚴(yán)格控制兩側(cè)高差不大于1m，混凝土振搗密實(shí)。

3.4 超長管棚施工工藝

施做鉆機(jī)平臺(tái)→測(cè)量放樣→鉆孔→管棚鋼管制安→安裝鋼筋籠→注漿→洞身開挖支護(hù)。

3.5 施工方法

采用HTG-200 全液壓驅(qū)動(dòng)型水平定向鉆機(jī)，功率：55KW；頂進(jìn)/回拖力：250KN；扭矩：9000NM。

（1） 鉆機(jī)工作平臺(tái)搭設(shè)

在導(dǎo)向墻施工完畢后，導(dǎo)向墻前端場(chǎng)地進(jìn)行平整，壓實(shí)，采用混凝土硬化，在其位置進(jìn)行鉆機(jī)機(jī)架搭設(shè)。機(jī)架采用型鋼焊接制作，機(jī)架高度按照能夠滿足施工最高點(diǎn)管棚高度為準(zhǔn)，機(jī)架下方設(shè)置機(jī)架走行軌道，走行軌道需與線路方向相垂直。

（2） 鉆孔

管棚采用跟管定向鉆進(jìn)法，即直接用管棚鋼管做鉆桿，前端加特制導(dǎo)向鉆頭鉆至預(yù)定深度，鋼管及鉆頭留在孔內(nèi)，然后注漿。鉆進(jìn)過程中通過安裝于鉆頭后部的導(dǎo)向儀探頭隨時(shí)監(jiān)控鉆進(jìn)方向并及時(shí)做出校正。

鉆頭采用與鉆管等徑的楔型鉆頭，楔板回轉(zhuǎn)半徑略大于鉆管半徑，鉆頭前端有φ10～15mm 的高壓通風(fēng)孔，通過輸送高壓空氣的方式，邊鉆進(jìn)邊排渣。鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆頭由于某種原因偏離預(yù)定軌跡偏向某一方向時(shí)，需要進(jìn)行糾偏。采用將鉆頭楔面調(diào)至已經(jīng)偏斜的方向，鉆機(jī)停止回轉(zhuǎn)加力頂進(jìn)，鉆頭由于斜面的作用就會(huì)向相反的方向偏斜，以此調(diào)整鉆進(jìn)的方向。

圖3 鉆頭示意圖

鉆孔采用管棚鉆機(jī)進(jìn)行，鉆機(jī)平臺(tái)的高度，根據(jù)鉆機(jī)的可調(diào)控范圍以及鉆孔順序進(jìn)行確定。鉆孔采用隔孔鉆孔，首先完成奇數(shù)號(hào)孔位，鋼管安裝完成后，在進(jìn)行偶數(shù)號(hào)孔位鉆孔。鉆進(jìn)過程中經(jīng)常測(cè)定其鉆進(jìn)軌跡，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時(shí)處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事件。鉆進(jìn)過程中確保動(dòng)力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn)。

（3） 管棚的加工

鋼管連接采用絲扣連接，絲扣采用專用車床進(jìn)行加工，每節(jié)鋼管長度宜為4.5 米，兩端分別加工成內(nèi)車絲，絲長15cm；接頭管30cm 長加工成外車絲。

（4） 管棚安裝

管棚鋼管分為管尖段、標(biāo)準(zhǔn)段。管尖段鋼管長為3m，標(biāo)準(zhǔn)段鋼管長為4.5m。

管棚鋼管安裝時(shí)，首先用電葫蘆吊起管尖段鋼管，人工進(jìn)行對(duì)孔，然后鉆機(jī)推頂，鉆機(jī)頂進(jìn)完成一根鋼管后，吊裝下一根，采用接頭管進(jìn)行對(duì)接，管棚鋼管相鄰接頭相互錯(cuò)開距離不得小于1 米。

單根管棚安裝完畢后，管內(nèi)安裝鋼筋籠。鋼筋籠采用4根φ18mm 螺紋鋼筋等間距焊接在固定環(huán)上，固定環(huán)采用φ42mm 鋼管，長度為5cm，間距按照150cm 進(jìn)行安裝。

中西方科學(xué)模式的差異來自思維方式的差異。我國傳統(tǒng)哲學(xué)的整體思維方式基于“有機(jī)論”的觀點(diǎn)，即把自然界看成各部分相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體，最典型的代表就是中醫(yī)學(xué)。中醫(yī)學(xué)理論是建立在整體觀基礎(chǔ)上的整體論模式。其實(shí)，與中國古典哲學(xué)相類似，希臘早期也是整體論哲學(xué)。比如講萬物起源，中國有所謂陰陽、五行，希臘則有水、火、土、氣和以太。但是，進(jìn)入近代初期，歐洲出現(xiàn)了揚(yáng)棄整體論的，以分解分析為特征的“新哲學(xué)”，哲學(xué)史上稱之為“哲學(xué)革命”。中國近代則未發(fā)生類似的哲學(xué)革命。

鋼筋籠采用鋼筋加工場(chǎng)分節(jié)加工，單根鋼筋籠長度為4.5m，現(xiàn)場(chǎng)吊裝焊接接長入管。鋼筋籠焊接完畢后，通過鉆機(jī)頂推入管，以此類推完成整根管道鋼筋籠的安裝。

（5） 注漿

管棚及鋼筋籠安裝完成后進(jìn)行注漿，漿液采用水灰比為1∶1 的水泥漿液，注漿順序原則上由低孔位向高孔位進(jìn)行。注漿壓力取0.5～2.0MPa。

4 施工控制要點(diǎn)

（1） 鉆機(jī)就位時(shí)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)鉆桿軸線和導(dǎo)向軸線相吻合，鉆頭安裝完畢，在鉆進(jìn)前，先對(duì)鉆頭楔形塊的方向進(jìn)行記錄。

（2） 鉆進(jìn)過程中，常通過鉆頭內(nèi)裝有的特制傳感器，檢查鉆進(jìn)軌跡，發(fā)現(xiàn)誤差超限應(yīng)及時(shí)糾正。

（3） 在鉆孔時(shí)，若出現(xiàn)卡鉆、塌孔時(shí)應(yīng)注漿后再鉆。管棚施工過程中通過鉆進(jìn)速度及時(shí)分析前方圍巖情況，為下一步的隧道開挖，提供可靠的圍巖參數(shù)。

（4） 漿液配制：水泥漿采用臥式攪拌機(jī)拌和。在注漿前試驗(yàn)合理確定漿液配比、注漿壓力等注漿參數(shù)。

（5） 注漿施工：采用2 臺(tái)BW-250/50 型注漿泵注漿。清孔后，按由下孔至上孔的順序施工，漿液先稀后濃、注漿量先大后小程序注漿，如遇串孔或跑漿則隔孔灌壓。

（6） 注漿壓力控制：注漿壓力按分級(jí)升壓法控制，由注漿泵油壓控制調(diào)節(jié)。

（7） 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：采用終壓和注漿量雙控制。一般以單管設(shè)計(jì)注漿量為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓不小于20min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，也可結(jié)束注漿。

5 施工效果

（1） 本施工方法通過采用大功率的水平定向鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)工藝，提高鋼管頂進(jìn)能力和施工效率。同時(shí)借助專用導(dǎo)向儀精確控制管棚鋼管頂進(jìn)的軌跡線，確保超長管棚鋼管按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)，有利于控制隧道施工時(shí)的開挖量，減少施工成本。并解決了施工空間對(duì)施工的影響，避免了洞內(nèi)施工短管棚時(shí)的工序?qū)λ淼朗┕さ母蓴_，縮短了隧道封閉時(shí)間，從而確保了隧道的施工安全。

（2） 通過采用洞外超長管棚施工所形成的連續(xù)棚護(hù)結(jié)構(gòu)，解決了短管棚施工搭接效果對(duì)支護(hù)的影響。

（3） 通過采用超長管棚所形成的棚護(hù)結(jié)構(gòu)，控制了圍巖的變形量，避免了采用CRD、CD 等開挖工法，對(duì)隧道施工所帶來的不利影響。

（4） 通過超長管棚施工所采用的定向鉆進(jìn)技術(shù)，解決了管棚鉆進(jìn)軌跡難以控制的弊端，確保棚護(hù)結(jié)構(gòu)的整體效果。

6 結(jié)語

本隧道采用2 臺(tái)鉆機(jī)30 日完成了99 根100m 長管棚的鉆孔及注漿，洞身掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，說明類似地層采用風(fēng)動(dòng)跟管鉆進(jìn)的施工工藝合理可行，工效良好。通過對(duì)寶蘭客專鐵路五星坪隧道出口淺埋暗挖段洞外雙層超長管棚施工，利用管棚定向技術(shù)，大大提高了管棚施工精度，提高了管棚棚護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。避免了在暗洞內(nèi)采用短管棚支護(hù)所帶來的循環(huán)時(shí)間長，搭接效果不理想的弊端。通過該施工方法的應(yīng)用，體現(xiàn)了管棚連續(xù)支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，避免洞內(nèi)循環(huán)施工所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，為類似項(xiàng)目的施工提供了較高的參考價(jià)值。