淺談管棚施工技術(shù)在隧洞進(jìn)口段開挖中的應(yīng)用

黃建文

(廈門興海灣工程管理有限公司，福建 廈門 361000)

0 前 言

管棚施工作為工程建設(shè)施工中不可缺少的技術(shù)手段之一，尤其是隧道進(jìn)口開挖施工中。管棚施工技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)主要在于施工范圍廣、安全性可靠性高以及節(jié)省材料等諸多方面。就隧道進(jìn)口段開挖而言，該開挖階段作為城市隧道建設(shè)中不可或缺的一部分。隧道進(jìn)口段開挖好壞對(duì)整個(gè)隧道施工更是有著直接影響。然而，因隧道進(jìn)口段地質(zhì)情況較為復(fù)雜，所以開挖過(guò)程中很容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。面對(duì)該問(wèn)題，為高效施工的同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工經(jīng)濟(jì)效益最大化，就必須將管棚施工技術(shù)合理地應(yīng)用到其中。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道周圍巖土的加固，而且能夠讓隧道進(jìn)口段開挖順利穿過(guò)軟弱巖層段，防止山體坍塌出現(xiàn)。針對(duì)管棚施工技術(shù)在隧道進(jìn)口段開挖中的應(yīng)用，本文首先將對(duì)管棚施工需掌握的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)而以某工程為例，對(duì)管棚施工技術(shù)在其中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，以供參考。

1 管棚施工技術(shù)要點(diǎn)

1)鉆孔精確度的控制。在開始鉆孔前，必須在管棚孔口位置埋置套管，將鋼管放在標(biāo)準(zhǔn)拱架上，測(cè)定鉆孔孔位與鉆機(jī)的中心，并保證兩點(diǎn)之間的一致性。為了避免鉆孔中心振動(dòng)，需要應(yīng)用U型螺栓與拱架對(duì)鋼管進(jìn)行加固。與此同時(shí)，為了防止該過(guò)程中鋼管出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，施工人員需每隔5 m對(duì)正在鉆進(jìn)的鉆孔的彎曲情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在對(duì)松軟土層或者是不均勻土層進(jìn)行鉆進(jìn)的時(shí)候，管棚應(yīng)設(shè)定外插角，通常情況下，應(yīng)將外插角角度控制在1°～3°。

2)鋼管位置的控制。鋼管在打入施工的時(shí)候需要隨鉆孔一同進(jìn)行，并且嚴(yán)格按照規(guī)定要求接長(zhǎng)。為保證接頭連接的可靠性，可在接頭上應(yīng)用厚壁管箍，上滿絲扣的形式進(jìn)行。在土體打入就位后，需要及時(shí)隔孔向鋼管內(nèi)以及周圍壓注水泥漿，或者是水泥砂漿。只有這樣，才能使鋼管與周圍巖體變得更加密實(shí)，才能提升鋼管剛度。

3)注漿效果的控制。在管棚施工中除了需要加大對(duì)上述兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)加以重視之外，還應(yīng)嚴(yán)格控制管棚之間的間距，以此避免管棚之間出現(xiàn)過(guò)大間距情況，或者是偏離管棚弧形中心線。其次，需要嚴(yán)格按照試驗(yàn)參數(shù)對(duì)注漿量進(jìn)行控制，進(jìn)而防止因注漿效果欠佳導(dǎo)致的流砂現(xiàn)象出現(xiàn)。必要時(shí)可通過(guò)與小導(dǎo)管注漿之間的結(jié)合達(dá)到良好的注漿效果。

2 案例工程概況

在新時(shí)代中，隨著管棚施工技術(shù)的越發(fā)完善以及其在工程建設(shè)中發(fā)揮的作用日益突出，管棚施工技術(shù)在隧道進(jìn)口段開挖中的合理應(yīng)用逐漸顯得尤為重要。對(duì)此，本文以某市政隧道工程為例，對(duì)該方面內(nèi)容進(jìn)行深入研究。本文分析的隧道工程主要位于城市中心，隧道總長(zhǎng)度為2 969 m，按左、右線隧道分開設(shè)置，隧道沿地層主要為第四系殘坡積層，單軸飽和抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為3～5 MPa，土體巖性為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，受構(gòu)造影響較大，巖體成散體塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性與自穩(wěn)能力較差，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類。

本合同段左、右線隧道，按照其設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)、設(shè)計(jì)概況確定淺埋暗挖段施工方法見表1。

表1 淺埋暗挖段施工方法統(tǒng)計(jì)表 單位：m

3 管棚支護(hù)施工與灌漿施工

3.1 管棚受力原理

1)土拱效應(yīng)。第一管棚以掌子面和后支撐為支點(diǎn)，形成梁結(jié)構(gòu)，兩者圍繞隧洞輪廓構(gòu)成殼體結(jié)構(gòu)，可有效抑制圍巖松動(dòng)塌陷。土拱有其自身的形成過(guò)程:在荷載或自重的作用下，土體會(huì)壓縮變形，導(dǎo)致沉降不均勻，導(dǎo)致土體顆粒之間產(chǎn)生“楔密”效應(yīng)，在一定范圍的土層內(nèi)產(chǎn)生“拱效應(yīng)”。在非巖層中開挖隧道時(shí)，隧道周圍的巖層會(huì)發(fā)生變形或錯(cuò)開，產(chǎn)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象，這實(shí)際上是隧道周圍的應(yīng)力向鄰近部位傳遞的結(jié)果，即土拱效應(yīng)。

2)加固效應(yīng) 。灌漿漿體通過(guò)管壁孔壓入圍巖裂隙，改善了軟弱圍巖的物理力學(xué)性能，提高了圍巖的自承載能力，達(dá)到了加固鋼管周圍軟弱圍巖的目的。通過(guò)注漿管,提前形成拱形結(jié)構(gòu)表面的隧道扮演的角色“軸承拱”和地面上的上部拱負(fù)載,而圍巖的變形壓力拱是由拱內(nèi)的圍巖承擔(dān),從而創(chuàng)造理想的開挖條件。

3)緩沖效應(yīng) 。管棚支撐剛度較大。如果在施工過(guò)程中出現(xiàn)塌方，塌方還會(huì)落在巖石上面的管棚起到緩沖作用。即使管棚不穩(wěn)定，其破壞也是緩慢的。當(dāng)隧道沿輪廓開挖并被管棚包圍時(shí)，加固環(huán)的變形變小，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上部荷載將大大減小。同時(shí)，通過(guò)管棚將拱的圍巖連接起來(lái)，形成整體支護(hù)結(jié)構(gòu)，保證了初期支護(hù)和掘進(jìn)施工的安全。

4)能量耗散效應(yīng)。爆破氣體的膨脹和爆炸沖擊波的傳播產(chǎn)生的鉆探和爆破方法將被吸收,反射和漫射滿足管道的環(huán)槽,這可以大大減少造成的巖體破壞和擾動(dòng)范圍反向張力波動(dòng)。

3.2 管棚設(shè)計(jì)

1)管棚選擇。根據(jù)地質(zhì)條件,進(jìn)口淺埋拱部設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)管屋頂采用ф108×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管,40 m的長(zhǎng)度,管屋頂使用鋼拱和拱腹,環(huán)間距35 cm,仰角1°～3°,不入侵隧道開挖線盡可能小,孔徑大于20～30 mm的管棚鋼管直徑,井眼數(shù)目由高到低依次排列。焊接鋼管的前端處理成一個(gè)尖錐。鋼花管部分按梅花形布置Φ12 mm灌漿孔,注漿孔間距15 cm。鋼管方向與路線中線平行。

2)注漿參數(shù) 。灌漿加固參數(shù)是根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果確定的。長(zhǎng)管棚注漿擴(kuò)散半徑0.9～1.2 m,灌漿速度35～50 L/min,設(shè)置時(shí)間45 s～ 6 min,最后灌漿壓力2.0～2.5 MPa,水泥漿水灰比2∶1～1∶1,平均單洞灌漿體積4.2～4.6 m3(孔隙率0.2)。

3.3 管棚施工

1)鉆孔、安設(shè)注漿管。在隧道開挖輪廓線以外現(xiàn)澆C25混凝土護(hù)拱，搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，用管棚鉆機(jī)鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后掃孔，安裝管棚，并在孔口1.5～2.5 m處安設(shè)與鉆孔直徑相同的橡膠套，用水泥砂漿封閉孔口，防止?jié){液沿注漿管與鉆孔壁的縫隙擠出。

2)漿液選用及注漿。用超細(xì)水泥配制注漿液，采用后退式分段注漿，關(guān)閉孔口閥門，開啟注漿泵進(jìn)行管路壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力等于注漿終壓，如有漏水及時(shí)檢修。注漿時(shí)采取低壓力、中流量注入，注漿過(guò)程中壓力逐步上升，流量逐步減小，當(dāng)壓力升至終壓時(shí)，繼續(xù)壓注5 min 再結(jié)束注漿。注漿孔在注漿結(jié)束后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，并用30號(hào)水泥砂漿填充，以增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。

3)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。每段注漿施工正常，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%及以上，或雖未達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，但注漿量已達(dá)設(shè)計(jì)注漿量，即可結(jié)束單孔注漿，設(shè)計(jì)的所有注漿孔均達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)漏注現(xiàn)象，注水試驗(yàn)地層吸水率0.05 L/min，黏土固結(jié)強(qiáng)度大于0.4 MPa時(shí)即可結(jié)束全段注漿。

4)洞身開挖。在完成鋼管安裝，并形成棚頂后，在棚頂保護(hù)下，逐漸開挖進(jìn)鉆。采用CD法開挖，從上往下，分步開挖成洞的方式掘進(jìn)。因本工程施工中的圍巖地質(zhì)存在有地質(zhì)較差的特征，所以，需要在一邊開挖一邊支護(hù)，并及時(shí)封閉成環(huán)。采用短進(jìn)尺、多循環(huán)、強(qiáng)化支護(hù)的開挖方式，穿過(guò)軟弱巖層帶。

4 管棚施工技術(shù)應(yīng)用的安全控制措施

1)在鋼管型號(hào)與規(guī)格等的選擇上，必須根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)情況及規(guī)范要求進(jìn)行選擇。

2)鋼管插入孔內(nèi)的長(zhǎng)度不能小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%。

3)完善施工安全保障體系，加強(qiáng)施工作業(yè)中的安全檢查，讓整個(gè)作業(yè)規(guī)范化有所提升。

4)為保證施工安全性，必須要為現(xiàn)場(chǎng)施工安排統(tǒng)一的指揮人，并設(shè)置1名專職安全員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)施工的安全工作，堅(jiān)持班前進(jìn)行安全教育。

5)在進(jìn)行注漿施工的時(shí)候，必須由1名技術(shù)人員統(tǒng)一指揮，各就其位，嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行注漿施工。在完成注漿施工后，需認(rèn)真清洗注漿設(shè)備，并在設(shè)備退場(chǎng)后對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。

6)根據(jù)隧洞進(jìn)口開挖工程施工實(shí)際情況，合理調(diào)配資源，保證施工質(zhì)量，尤其是重難點(diǎn)工程上的質(zhì)量保障上。以上就是管棚施工技術(shù)應(yīng)用的安全控制措施，有關(guān)人員必須對(duì)其加以重視。只有這樣，才能在保證管棚施工技術(shù)得到科學(xué)、合理應(yīng)用的同時(shí)，在隧洞進(jìn)口開挖施工中發(fā)揮自身最大化的優(yōu)勢(shì)，提高隧洞進(jìn)口開挖質(zhì)量，保證工程施工順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著新時(shí)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)工程建設(shè)項(xiàng)目逐漸變得越來(lái)越多，尤其是市政工程項(xiàng)目。通過(guò)對(duì)該方面內(nèi)容的深入研究可知，管棚施工技術(shù)是我國(guó)眾多工程施工中的一種施工手段。由于管棚施工技術(shù)自身有著安全可靠性高，節(jié)省材料等優(yōu)勢(shì)，并且在隧洞進(jìn)口開挖施工中的應(yīng)用，將給隧道進(jìn)口開挖工程給帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)。因此，有關(guān)人員必須對(duì)其加大重視，并通過(guò)對(duì)管棚施工技術(shù)的合理應(yīng)用，促進(jìn)工程施工的順利進(jìn)行。

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