隧道復(fù)雜破碎巖層超前管棚施工關(guān)鍵技術(shù)研究

徐昆杰 袁楓杰

摘? 要：大管棚支護(hù)方式是保證隧道安全穿越多裂隙地層，軟弱破碎帶等不良地質(zhì)作用發(fā)育段的有效手段。本文以雞公咀隧道為工程實(shí)例，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測(cè)手段，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)與分析，有效預(yù)測(cè)了鉆孔施工過程中可能存在的塌孔、掉渣等問題及其可能發(fā)生的位置，并對(duì)清孔設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工工作。這優(yōu)化設(shè)計(jì)在很大程度上緩解了被動(dòng)清孔的盲目性，提高了施工效率，對(duì)該施工技術(shù)的發(fā)展具有較大的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：淺埋隧道;大管棚施工;清孔;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TD321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-2064（2020）03-0000-00

1 研究背景

多裂隙地層淺埋隧道施工中，大管棚設(shè)計(jì)的采用十分常見。大管棚支護(hù)是隧道通過多裂隙地層，軟弱破碎巖體等不良地質(zhì)地段開挖時(shí)的一種超前支護(hù)。在多裂隙地層淺埋隧道大管棚施工中，無論是目前較新的跟管技術(shù)，還是較老的手段，都不可避免的存在需要清孔的環(huán)節(jié)。

而由于鋼管清孔存在不確定性，其退鉆清孔米數(shù)的確定和清孔的設(shè)計(jì)大多取決于鉆孔設(shè)備的配置和施工經(jīng)驗(yàn)，這種不可控的經(jīng)驗(yàn)判斷給施工帶來了極大阻礙，輕則影響施工進(jìn)度，重則危害工程質(zhì)量。

本文結(jié)合新建重慶鐵路樞紐東環(huán)線DHZQ-4標(biāo)段雞公咀隧道的大管棚施工中的實(shí)際問題，立足于地質(zhì)科學(xué)，保證了施工質(zhì)量，做到科學(xué)管理[1]。

2 工程簡(jiǎn)介

雞公咀隧道為上下層重疊隧道，下層為東環(huán)正線雙線隧道，中心里程DK63+911.375，全長(zhǎng)472.75m。

全隧除DK63+935-DK64+010段為75米Ⅳ級(jí)圍巖外，其余400余米皆為Ⅴ級(jí)圍巖。出口端DK64+100-DK64+065處為導(dǎo)大管棚超前支護(hù)（圖1），共設(shè)計(jì)48根鋼管，每根長(zhǎng)35米。

下層隧道大管棚施工過程中，出現(xiàn)孔內(nèi)掉渣，卡管現(xiàn)象嚴(yán)重。退管清孔，重新送管至原位置后幾米后，仍出現(xiàn)卡管現(xiàn)象。個(gè)別孔的卡管現(xiàn)象嚴(yán)重，退管耗時(shí)耗力，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，甚至出現(xiàn)送不到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度又退不出管的隱患。

3 原因分析

孔內(nèi)部分地段發(fā)育節(jié)理縫，巖石易破碎掉渣，在送管過程中，管頭及孔內(nèi)管身部分?jǐn)_動(dòng)節(jié)理縫中易破碎巖土，導(dǎo)致掉渣，甚至塌孔。在節(jié)理縫少的孔中，掉渣量少或不足以卡管，整體上不影響送管進(jìn)度;在節(jié)理縫密集的孔中，在送管過程中的掉渣會(huì)隨著穿過節(jié)理縫的增多而累積，從而塌孔或卡管。

由于未科學(xué)設(shè)計(jì)退管清孔設(shè)計(jì)米數(shù)，該處大管棚全部孔號(hào)的退管清孔均按現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)安排，這種“送不進(jìn)就退管清孔”的做法具有臨時(shí)性和盲目性，導(dǎo)致退管米數(shù)設(shè)計(jì)不合理：部分孔號(hào)的退管米數(shù)正處于節(jié)理縫中，退管清孔后，重新送入的鋼管會(huì)導(dǎo)致前次未影響、未充分掉渣的地段，從而繼續(xù)出現(xiàn)塌孔或卡管的現(xiàn)象[2]。

4 研究方法

根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特點(diǎn)，通過進(jìn)行充分的野外數(shù)據(jù)收集和整理，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)手段，查明施工地段地質(zhì)背景，根據(jù)節(jié)理分布位置合理設(shè)計(jì)退管細(xì)孔米數(shù)，以提高大管棚施工效率，達(dá)到科學(xué)施工[3]。

5 超前地質(zhì)分析

5.1 地質(zhì)背景

出口端DK64+100處出露巖性為T3xj砂巖及頁(yè)巖，砂巖：淺灰～灰白色（弱風(fēng)化或未風(fēng)化）和土黃色（強(qiáng)風(fēng)化），中厚～塊狀，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，礦物無定向性。頁(yè)巖，灰褐色～黑褐色，泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾煤線。同砂巖產(chǎn)狀，薄層狀?yuàn)A于砂巖之間。

該處發(fā)育兩組節(jié)理J1：節(jié)理面閉合，無填充。其中，J2經(jīng)過后期經(jīng)歷構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成斷裂，與圍巖接觸部位出現(xiàn)變質(zhì)現(xiàn)象，砂巖中礦物開始出現(xiàn)定向性，節(jié)理面風(fēng)化嚴(yán)重，局部發(fā)育裂理、泥化，出現(xiàn)擦痕，導(dǎo)致同產(chǎn)狀裂隙發(fā)育，如圖2所示。

5.2 掌子面地質(zhì)雷達(dá)

為準(zhǔn)確了解DK64+100～DK64+065段地質(zhì)情況，本文采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)DK64+100～DK64+070進(jìn)行探測(cè)，以查明巖石裂隙發(fā)育程度及分布部位。

本次研究采用中國(guó)電波傳播研究所所生產(chǎn)的LTD-2100型高速地質(zhì)雷達(dá)，配備主頻為100MHz的天線對(duì)隧道掌子面前方的圍巖進(jìn)行探測(cè)。介電常數(shù)設(shè)7.5，測(cè)程參數(shù)設(shè)為580ns，掃描速度16，采樣點(diǎn)數(shù)1024。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)，將天線貼緊掌子面沿AB測(cè)線從左側(cè)向右側(cè)緩慢勻速地移動(dòng)，同時(shí)采集數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)測(cè)方式，測(cè)點(diǎn)間隔10～15cm，測(cè)線長(zhǎng)度約為8m。

6 結(jié)果分析

地質(zhì)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，施工處巖石巖性均為 T3xj 砂巖，風(fēng)化程度為強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙極其發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化的砂巖呈土黃色，較前者相比易碎。其節(jié)理縫中巖石呈土渣狀，用手一碰即碎。該節(jié)理縫的存在是導(dǎo)致大管棚施工過程中掉渣、塌孔和卡管的主要原因。預(yù)報(bào)雷達(dá)探測(cè)深度為 30 m，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)資料，將整個(gè)施工部位分析（圖3）如下：掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)，雷達(dá)回波能量異常較強(qiáng)，局部反射明顯，同相軸連續(xù)性差，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況推測(cè)對(duì)應(yīng)段落圍巖與掌子面基本保持一致，主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化崩塌，暴露易風(fēng)化崩解，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，自穩(wěn)能力差，易掉塊崩塌。節(jié)理分布分析如圖4左下為DK64+100～DK64+070大管棚施工段節(jié)理分布圖，紅線表示節(jié)理，粗紅線代表節(jié)理密集，細(xì)紅線代表節(jié)理稀疏。圖右地質(zhì)雷達(dá)分析結(jié)果，紅線框體表示巖石介質(zhì)變化較大（裂隙）部位;圖左下為DK64+100～DK64+070大管棚施工段節(jié)理分布圖，紅線表示節(jié)理，粗紅線代表節(jié)理密集，細(xì)紅線代表節(jié)理稀疏[4]。

圖4 地質(zhì)綜合分析圖

7 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于中-弱風(fēng)化部位節(jié)理縫中的巖石強(qiáng)度與整體強(qiáng)度差異不大，故暫不涉及優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，略有卡管現(xiàn)象時(shí)，一般鋼管已穿過3-4處密集發(fā)育

的節(jié)理縫。故設(shè)計(jì)如下：20-25號(hào)孔，于18米處設(shè)計(jì)退管清孔;25-30號(hào)孔，于12米處設(shè)計(jì)退管清孔;30-48號(hào)孔于18米處，24米處設(shè)計(jì)退管清孔?，F(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證了地質(zhì)探測(cè)準(zhǔn)確性，提高了大管棚施工的效率、質(zhì)量[5]。

8 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、數(shù)值模擬等手段，對(duì)雞公咀隧道淺埋段復(fù)雜破碎圍巖大管棚施工清孔技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，結(jié)論有：（1）通過現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育是導(dǎo)致大管棚施工過程中掉渣、塌孔和卡管的主要原因。（2）根據(jù)地質(zhì)分析結(jié)果，通過數(shù)值模擬分析，得出最佳的清孔施工位置和時(shí)機(jī)，并很好地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性，大大提高了大管棚施工的效率，保證了大管棚施工的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]白太亮.富水砂層隧道超前大管棚支護(hù)技術(shù)優(yōu)化研究[J].鐵道建筑，2014（12）：60-63.

[2]黨榮.隧道大管棚超前支護(hù)施工技術(shù)研究[J].黑龍江交通科技，2015，38（3）：66+68.

[3]耿大帥.探析大管棚施工技術(shù)在隧道工程施工中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2017（49）：243-244.

[4]黃昌富.超前支護(hù)大管棚的導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)技術(shù)[J].巖土工界，2007（1）：78-80.

[5]馬卓軍.淺埋隧道中管棚超前支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].天津建設(shè)科技，2004（3）：36-37.

收稿日期：2020-01-22

作者簡(jiǎn)介：徐昆杰（1980—），男，四川儀隴人，本科，中級(jí)工程師，研究方向：隧道地質(zhì)災(zāi)害防治。

通訊作者：袁楓杰（1992—），男，四川南充人，碩士研究生，中級(jí)工程師，研究方向：隧道與地下工程方向。