公路隧道洞內(nèi)超前管棚支護施工技術(shù)

姜昌銀

（江西有色地質(zhì)探礦工程院，江西 南昌 330000）

1 工程概況

該隧道設(shè)計速度為 60 km/h，為雙向四車道二級公路，分離式隧道。其中左洞起止里程為 L2K7+305-L2K7+732，全長 427 m，隧道穿越圍巖為三疊系中統(tǒng)巴東組中風(fēng)化灰褐色泥質(zhì)灰?guī)r、礫巖、灰?guī)r互層，巖性變化大。

L2K7+500-L2K7+560 段現(xiàn)場為天坑積水處，地表匯水后從此處下滲。根據(jù)揭露的地質(zhì)情況表明，該段巖溶發(fā)育，大小溶洞比較多，地質(zhì)情況復(fù)雜，巖性變化大，巖體節(jié)理發(fā)育、劈理發(fā)育，呈破碎結(jié)構(gòu)，巖體富水性弱，開挖時地下水主要以點滴狀出現(xiàn)，圍巖自穩(wěn)能力差，易產(chǎn)生坍塌及冒頂破壞。

2 施工情況

當(dāng)隧道左洞正常開挖至L2K7+520 斷面時發(fā)現(xiàn)1 個溶洞，溶洞位于隧道襯砌軸線左側(cè)拱腰頂部，一直朝前向上發(fā)育，大部分位于隧道輪廓線外。溶腔體類似一個圓柱體形，直徑3 m 左右，頂部窄下部寬，頂部一直朝上延伸，溶腔內(nèi)無填充物，但一直有突泥，突泥物為黏性土，含水量大，飽和狀?，F(xiàn)場立即采取掌子面反壓回填，準(zhǔn)備對溶洞口進行加密初支、泵送混凝土封堵處理。但正值連續(xù)下雨，地表水沿溶腔處流出，將溶腔內(nèi)的挾泥大量帶出，把原先封堵口沖垮，同時巡查發(fā)現(xiàn)左洞地表也出現(xiàn)塌陷。塌陷區(qū)直徑大約15 m，深度8 m 左右，周邊的地表也慢慢出現(xiàn)裂紋，垮塌范圍有擴大的趨勢。根據(jù)現(xiàn)場洞頂?shù)乇韺崪y標(biāo)高為741.2 m，隧道埋深僅31 m 左右。塌陷區(qū)位于巖溶洼地最低處，存在有溶洞，地表匯水一直從此處下滲。

3 處理方法

3.1 洞頂回填處理

洞頂回填處理主要包括以下4 點措施：1）首先在山頂糧倉塌陷處進行隧道左、中、右軸線的恢復(fù)，然后做好洞內(nèi)和洞外的位移、沉降觀測，待穩(wěn)定后進行洞頂坍塌處的回填。2）塌陷區(qū)回填之前采用挖掘機進行處理，坍塌區(qū)底部必須要夯實，消除空洞的凌空面，周邊刷成穩(wěn)定斜坡，自上而下放坡。3）回填土采用非透水性素土回填，分層填筑，分層夯實。4）表面采用50 cm 厚黏土隔水層進行防水處理，頂面高度超出原地面0.3 m，然后鋪雙層塑料布，用普通碎石土將其覆蓋，周圍設(shè)置排水體系，以防止雨水流入回填處。

3.2 洞內(nèi)管棚施工

3.2.1 施工工藝流程

管棚施工程序有管棚制作、搭設(shè)平臺、安裝鉆機、鉆孔、安裝管棚鋼管、安裝鋼筋籠，注漿。

3.2.2 中管棚設(shè)計參數(shù)

中管棚設(shè)計參數(shù)如下：①鋼管規(guī)格。熱軋無縫鋼管及鋼花管，每循環(huán)單根長度15 m，外徑108 mm，壁厚6 mm。②管距。環(huán)相間距40 cm，縱向間距10 m。③傾角。外插角15°～20°，具體可根據(jù)實際情況調(diào)整。④鋼管接頭。同一環(huán)中相互錯開不小于0.5 m，管棚分節(jié)長度3 m，配備1.5 m的調(diào)節(jié)管。⑤鋼花管上鉆孔注漿，孔徑15 mm，孔間距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段150 cm。⑥管棚鋼管內(nèi)，隔一設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠主筋4φ22，采用φ38 鋼環(huán)（壁厚3 mm）作固定環(huán)，固定環(huán)節(jié)長5 cm，與鋼筋籠主筋焊接。

3.2.3 管棚施工工作面

管棚施工工作面如圖1 所示。該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖差，且掌子面處屬于高風(fēng)險地段，不得擾動塌方體的土體，所以不能在掌子面處擴挖管棚操作空間，只能拆除3 榀已施工的初支，然后將已施工的最后4 榀上導(dǎo)初支作為管棚支撐體，形成管棚工作室。拆除初支處應(yīng)及時初噴混凝土固結(jié)圍巖，施工作業(yè)時隨時觀察初噴情況，如有裂紋痕跡出現(xiàn)立即撤出施工人員。

3.2.4 測量定位、鉆機就位

采用全站儀免棱鏡三維坐標(biāo)進行管棚鉆點放樣，采用水泥釘作準(zhǔn)確標(biāo)記，并用醒目的油漆對孔口位置作明顯標(biāo)識，對管棚位置進行編號。管棚平面位置如圖2 所示。管棚鉆孔采用履帶式液壓鉆機施工。鉆孔順序由高孔位向低孔位進行。將鉆機導(dǎo)梁固定于導(dǎo)向工字鋼支架上，保證鉆孔時的穩(wěn)定性。鉆桿前端準(zhǔn)確就位于測量放樣點位，鉆機后端根據(jù)三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)嚴(yán)格調(diào)整水平分角和豎直分角，保證鉆孔角度符合要求。為了避免鉆桿及鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進方向不易控制等現(xiàn)象， 鉆孔角度可以根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔情況作適當(dāng)調(diào)整， 并隨時用測斜儀量測角度和鉆進方向。

3.2.5 鉆孔與跟管

圖1 管棚工作面示意圖

圖2 管棚平面位置圖

掌子面坍塌冒頂，填充物為淤泥質(zhì)土，夾雜著砂礫，含水量大、黏性強，采用先成孔后送管方式，雖然工藝簡單，但是鉆孔過程存在塌孔現(xiàn)象，無法成孔，送管困難。為解決無法成孔送管的問題，根據(jù)現(xiàn)有施工方法及工藝，最終確定采用跟管鉆進施工方法成孔和送管。鉆孔時記錄圍巖變化情況，及時了解掌子面前方的地質(zhì)情況。

管棚鉆孔與跟管采用履帶式液壓鉆機施工。跟管鉆進工作原理：鉆進時潛孔沖擊器震動沖擊中心鉆頭，中心鉆頭傳遞沖擊給管棚鉆頭并帶動管棚鋼管鉆頭轉(zhuǎn)動鉆進，每根管棚之間靠鋼管連接頭連接到鉆孔所需的長度，管棚與回轉(zhuǎn)動力頭無連接。沖擊器與內(nèi)鉆桿聯(lián)接，內(nèi)鉆桿聯(lián)接到鉆孔所需的長度通過連接頭的內(nèi)螺紋與回轉(zhuǎn)動力頭連接，回轉(zhuǎn)動力頭通過連接頭傳遞扭矩給管棚和鉆桿，鉆進時的排渣通過管棚和內(nèi)鉆桿的間隙排出，當(dāng)鉆進到所需長度時，反向旋轉(zhuǎn)內(nèi)鉆桿90°即可將中心鉆頭與管棚鉆頭分離，將內(nèi)鉆桿全部取出孔外，即可將管棚留在孔內(nèi)，達(dá)到成孔與送管一次性完成。

3.2.6 安裝管棚鋼管、鋼花管

管棚鋼管、鋼花管節(jié)與節(jié)之間通過長300 mm 的Ф114鋼管用絲扣連接。

同一環(huán)管棚內(nèi)接頭位置應(yīng)相互錯開不小于0.5 m，分別采用1.5 m、3 m 鋼管錯開布置。

管節(jié)分節(jié)長度為：

①3m+3m+3m+3m+3m，②1.5m+3m+3m+3m+3m+1.5m。

3.2.7 插入鋼筋籠

管棚內(nèi)隔一設(shè)置鋼筋籠補強，鋼筋籠由4 根主筋直徑φ22 組成，中間采用φ38 鋼環(huán)（壁厚3 mm）作為固定環(huán)，固定節(jié)長5 cm，與鋼筋籠主筋焊接。

主筋長度采用焊接，焊接長度符合設(shè)計及規(guī)范要求，單面焊接長度不下于10 倍鋼筋直徑，雙面焊接長度不小于5 倍鋼筋直徑，焊接質(zhì)量應(yīng)符合要求，飽滿、不得有裂紋。

3.2.8 注漿

為了有效地防止水泥漿液沿掌子面流出，在注漿前用噴射混凝土將整個掌子面封閉，最后用高溶度的水泥漿液封層處理，堵住掌子面處裂隙。

鋼花管：編號為單號的鋼花管注水泥單液漿，注漿前進行現(xiàn)場注漿試驗，根據(jù)實際情況調(diào)整注漿參數(shù)，取得管棚注漿施工經(jīng)驗，尾部150 cm 段作為止?jié){段，注漿完后，關(guān)閉預(yù)先設(shè)置好的閥門。

設(shè)計注漿參數(shù)為42.5 級普通硅酸鹽水泥，水灰比1 ∶1（重量比），注漿壓力為2.0 MPa～2.5 MPa。

注漿順序：打好一孔，注漿一孔，先注無水孔，后注有水孔，從拱頂順序向下進行，如遇竄漿或拒漿，則可間隔一孔或數(shù)孔注漿。

注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)：1）注漿壓力逐步升高，達(dá)到設(shè)計終壓并保持終壓10 min 以上。2）進漿量一般為20 L/min～30 L/min。

注漿完成后，管內(nèi)應(yīng)以M20 水泥砂漿填充。雙號孔為鋼管，待單號孔（鋼花管）全部注漿完畢后，再向雙號孔中灌注M5 水泥砂漿。

3.3 掌子面開挖、護拱及初支的施工

掌子面開挖采用3 臺階短臺階法開挖。1）先開挖上臺階，不采用爆破施工，采用機械開挖或弱爆破施工。開挖完成后，立即施作30 cm 厚C25 噴射混凝土護拱（內(nèi)設(shè)I20b 工字鋼），并打設(shè)固定鎖腳錨桿，鎖腳錨桿為φ42 鎖腳小導(dǎo)管，長為4 m，總共4 根，一邊兩根，鎖腳錨桿應(yīng)和水平線呈10°～15°的夾角向下打入并和型鋼焊接牢固。上臺階一次掘進1 榀型鋼拱架的長度，確保每循環(huán)開挖范圍內(nèi)有超前棚護。2）上臺階弧形導(dǎo)坑開挖支護4 榀護拱拱架后，開挖中臺階，中臺階高度與護拱拱腳平齊。為避免上臺階鋼架整體懸空，影響安全，開挖完中臺階后立即進行混凝土護拱施工，同時在護拱拱腳施作固定錨桿，鎖腳錨桿為φ42 鎖腳小導(dǎo)管，長為5 m，總共4 根，一邊2 根，鎖腳錨桿應(yīng)和水平線呈30°～45°的夾角向下打入并和型鋼焊接牢固，且應(yīng)深入穩(wěn)定圍巖的長度不小于2 m，確保護拱拱腳穩(wěn)定。中臺階一次倔進2 榀拱架的長度。中臺階開挖支護完成4 榀護拱拱架后，護拱施作完成后，及時進行該循環(huán)的初期支護施工，該段初期支護工字鋼調(diào)整為I20 b，縱向間距50 cm。初期支護噴射混凝土施工結(jié)束后打入系統(tǒng)錨桿。系統(tǒng)錨桿調(diào)整為φ42 mm×3.5 mm 注漿小導(dǎo)管，長度5 m，縱環(huán)間距為50 cm×100 cm。3）當(dāng)完成中臺階的初期支護后，重新開挖上臺階，循環(huán)作業(yè)。4）中臺階開挖至20 m 后，開挖下臺階，下臺階開挖和中臺階一樣，一次開挖2 榀拱架。開挖完成后，立即進行初期支護，并打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿長為4 m，一邊2 根，鎖腳錨桿應(yīng)和水平線呈10°～15°的夾角向下打入并和型鋼焊接牢固。5）最后開挖仰拱，全斷面開挖，開挖長度不超3 m，一次澆筑成型，為不影響掌子面開挖，采用自制棧橋通行掌子面施工的機械。

3.4 防排水及二襯的施工

3.4.1 防排水施工

該段為溶洞發(fā)育區(qū)，溶洞內(nèi)巖體有侵蝕的跡象，地表水經(jīng)溶腔裂隙排走地面，此處更應(yīng)注意排水系統(tǒng)的暢通，杜絕今后隧道運營時的滲水問題。

加強施工時的臨時排水，在護拱及初支背部預(yù)埋臨時排水孔，2 m 一道，每環(huán)向可根據(jù)需要加密設(shè)置，在掌子面至中央排水溝處用明溝的形式排出；加密永久排水系統(tǒng)，將臨時排水孔與二襯背后的環(huán)向排水管以三通的方式連接，環(huán)向排水管作加密處理，2 m 設(shè)置一道。其他的防排水施工按原設(shè)計施工。

3.4.2 二襯的施工

根據(jù)監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，待初支穩(wěn)定后開始施作隧道的二次襯砌。二次襯砌厚度調(diào)整為60 cm，主筋直徑調(diào)整為φ25，縱向間距調(diào)整為15 cm。

4 安全、質(zhì)量保證措施

為了確保該段施工的安全及施工質(zhì)量，做出如下6 點要求：1）成立質(zhì)量領(lǐng)導(dǎo)小組，建立質(zhì)量保證體系。2）加強施工過程中的質(zhì)量控制，做好技術(shù)交底。嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場材料進場檢驗制度、質(zhì)量“三檢”制度、隱蔽工程檢查制度。3）加強隧道觀測頻率主要包括2 個方面，首先是洞內(nèi)外沉降觀測，隨時掌握山體變形狀況；其次是加強洞內(nèi)凈空收斂狀況監(jiān)測，有利于二次襯砌的及時施工。4）成立安全領(lǐng)導(dǎo)小組，建立安全保證體系。5）加強安全教育學(xué)習(xí)，要讓所有參建人員了解施工現(xiàn)場安全狀況與環(huán)境，警戒到位，防止傷害。保證特種作業(yè)人員持證上崗，加強現(xiàn)場的機械設(shè)備的日常保養(yǎng)管理。6）特殊地段的處理，應(yīng)保證有專職安全員在現(xiàn)場，注意圍巖支護變化情況，如果有突發(fā)狀況能及時撤離人員。