跟進(jìn)式管棚在隧道洞口松散破碎地層中的應(yīng)用

鄭寰宇

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

山嶺隧道建設(shè)中，隧道洞口段設(shè)計(jì)多數(shù)采用大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，而隧道洞口往往處于松散破碎地層，使用常規(guī)的引孔頂入法施工管棚，鉆孔成孔難，即使成好孔，也易在送管過程出現(xiàn)坍孔卡管，一旦出現(xiàn)此問題就需要反復(fù)鉆孔或拔出已插入的管棚鋼管重新鉆孔，施工難度大、花費(fèi)成本高、處理時(shí)間長(zhǎng)。跟進(jìn)式管棚施工是在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，管棚鋼管跟隨著鉆頭與鉆桿一起同步鉆進(jìn)，從而使管棚鋼管能及時(shí)對(duì)成孔起到護(hù)壁作用，有效地防止了鉆孔的坍孔。來都高速公路某隧道洞口土層自穩(wěn)能力差，為加快施工進(jìn)度、確保管棚超前支護(hù)效果，以達(dá)到隧道進(jìn)洞安全，應(yīng)用了跟進(jìn)式管棚。本文通過對(duì)跟進(jìn)式管棚施工工程實(shí)例的介紹，為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

來都高速公路某隧道穿越溶蝕峰叢洼地谷地，設(shè)計(jì)為雙洞四車道分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速為100 km/h。出口處巖層走向與線位走向呈大角度相交，自然坡度為15°～25°，巖層產(chǎn)狀262°∠5°，隧道所穿越的山體巖性為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)灰色中厚-厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r，隧道出口覆蓋層主要由角礫土等碎石類土組成，層厚4.9～9.0 m，洞口段設(shè)計(jì)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。隧址區(qū)地下水主要為巖溶裂隙水，水量中等-豐富，雨季洞內(nèi)易出現(xiàn)淋雨?duì)罨蛐」杉谐鏊?。隧道出口設(shè)計(jì)有20 m長(zhǎng)明洞段，暗洞洞口設(shè)置套拱，采用管棚作為暗洞第一環(huán)超前支護(hù)，暗洞洞口有60 m長(zhǎng)度為淺埋段，暗洞最小埋深約0.8 m。

2 套拱與管棚設(shè)計(jì)

隧道明暗洞交界處設(shè)計(jì)厚度為0.7 m、長(zhǎng)度為2 m的C25混凝土套拱，套拱內(nèi)設(shè)置3榀I20b工字鋼型鋼拱架(縱向間距為75 cm)，拱架之間用長(zhǎng)度為125 cm的C22混凝土(環(huán)形間距為100 cm，縱向交錯(cuò)布置)，拱架套拱基礎(chǔ)為C15混凝土(寬0.7 m、長(zhǎng)2 m、高1 m)。管棚設(shè)計(jì)布置在隧道拱部135.8°范圍，共33根，套拱內(nèi)預(yù)埋33個(gè)長(zhǎng)度2 m、直徑127 mm、壁厚4 mm的無縫鋼管作為管棚導(dǎo)向管，導(dǎo)向管間距為50 cm，設(shè)置外插角度為向上0.5°。管棚鋼管每根總長(zhǎng)度為30 m，采用直徑為108 mm、6 mm壁厚的無縫鋼管。

3 工程應(yīng)用

3.1 跟進(jìn)式管棚參數(shù)及工藝原理

本工程的跟進(jìn)式管棚由管節(jié)、管靴、接箍組成。管節(jié)為寶鋼R780，每節(jié)長(zhǎng)1.5 m，兩端設(shè)有內(nèi)螺紋。管棚鉆孔采用C6多功能鉆機(jī)，鉆頭選用與管棚直徑大小相適應(yīng)的偏心鉆頭。管靴連接管節(jié)，管節(jié)之間用接箍相連，鉆頭與鉆桿穿過管靴、管節(jié)、接箍進(jìn)行鉆進(jìn)，邊鉆進(jìn)邊安裝接長(zhǎng)管棚鋼管直至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，然后退出鉆頭和鉆桿，最后安裝止?jié){閥進(jìn)行注漿。跟進(jìn)式管棚的結(jié)構(gòu)組成及鉆頭形式如圖1所示。

圖1 跟進(jìn)式管棚組成及鉆頭形式示例圖

3.2 施工流程

施工準(zhǔn)備→洞口土石方開挖→邊仰坡防護(hù)→套拱施工→管棚鉆孔及安管→管棚注漿→進(jìn)洞準(zhǔn)備。

3.3 施工方法

3.3.1 施工準(zhǔn)備

施工前進(jìn)行測(cè)量放樣，核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形是否與設(shè)計(jì)文件相符，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地形確定設(shè)計(jì)文件中的隧道明暗交界位置是否合理，如設(shè)計(jì)隧道明暗交界位置不合理則應(yīng)聯(lián)系業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等相關(guān)單位到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)后，進(jìn)行調(diào)整。測(cè)量放樣出隧道洞口邊仰坡開挖線。

3.3.2 洞口土石方開挖

洞口土石方開挖前，結(jié)合地形先在邊、仰坡開挖線3～5 m以外設(shè)置截水溝。對(duì)隧道洞口不穩(wěn)定的地表土和山坡危石等進(jìn)行清除、防護(hù)或加固，確保洞口安全。按照邊仰坡開挖線，對(duì)隧道洞口的土石方采取拉槽開挖。邊仰坡的開挖應(yīng)自上而下進(jìn)行，注意不能上下重疊開挖或掏底開挖。開挖方式為優(yōu)先人工，配合機(jī)械開挖，如需進(jìn)行爆破，應(yīng)采用控制爆破以減少對(duì)邊仰坡及圍巖的擾動(dòng)。

3.3.3 邊仰坡防護(hù)

邊仰坡防護(hù)要及時(shí)施作。邊仰坡采用錨噴支護(hù)，鉆孔安裝長(zhǎng)度為3.5 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的小導(dǎo)管，小導(dǎo)管設(shè)置間距為100 cm×100 cm。小導(dǎo)管灌注水灰比為(0.3～0.8)∶1的水泥凈漿，掛B8鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)格間距為25 cm×25 cm，最后噴射10 cm厚C20早強(qiáng)混凝土。

3.3.4 套拱施工

開挖套拱基礎(chǔ)，套拱基礎(chǔ)開挖至基底后，復(fù)核基底地基容許承載力，如承載力小于設(shè)計(jì)要求值300 kPa，采用C15素混凝土進(jìn)行換填基底，換填深度較深時(shí)，則應(yīng)聯(lián)系設(shè)計(jì)確定加固處理措施。澆筑基礎(chǔ)混凝土，在基礎(chǔ)上架立工字鋼拱架，用連接鋼筋焊接穩(wěn)固，將導(dǎo)向管用C16鋼筋箍焊在工字鋼拱架上，外插角度為0.5°。按照套拱設(shè)計(jì)尺寸安裝套拱模板，進(jìn)行套拱混凝土澆筑?；炷翝仓r(shí)，套拱左右側(cè)必須對(duì)稱澆筑，左右側(cè)混凝土高差<0.5 m。

3.3.5 管棚鉆孔及安管

待套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，開始管棚鉆孔。鉆孔前，先將管棚孔從左至右按順序進(jìn)行編號(hào)。鉆孔的整體順序?yàn)橄茹@高位孔，再鉆低位孔，以奇偶數(shù)孔交錯(cuò)跳孔施工為原則。鉆孔開孔時(shí)，以低鉆速低鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)，管棚孔鉆進(jìn)到一定深度后再提高鉆速鉆壓至正常值。鉆進(jìn)過程中，鉆頭牽引著管靴拉動(dòng)管棚鋼管，隨著鉆桿的鉆進(jìn)，管棚鋼管跟著鉆桿同步進(jìn)入地層，通過接箍不斷接長(zhǎng)安裝管棚鋼管。鉆到設(shè)計(jì)深度后，將鉆頭和鉆桿從管棚鋼管中間抽出，管棚安管完畢。

3.3.6 管棚注漿

注漿前，將開挖工作面用噴射混凝土封閉防止跑漿。在管棚鋼管管口上焊接好止?jié){閥，進(jìn)行止?jié){處理。開始注漿，管棚注漿的漿液為水泥漿，水灰比為1∶1。注漿應(yīng)連續(xù)不間斷，注漿壓力初壓為0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后穩(wěn)壓時(shí)間為1～5 min。注漿后，及時(shí)清除干凈管棚鋼管內(nèi)的水泥漿液，用M30水泥砂漿密實(shí)填充，以增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度。

3.3.7 進(jìn)洞準(zhǔn)備

管棚施工完成后，在管棚注漿范圍鉆探孔對(duì)管棚注漿情況進(jìn)行驗(yàn)證，確保管棚注漿效果合格后才能進(jìn)洞開挖。隧道進(jìn)洞前，要按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求在隧道洞頂布設(shè)好地表沉降監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，并測(cè)取初始讀數(shù)。

4 施工效果

隧道洞口管棚支護(hù)段采用三臺(tái)階七步開挖法施工，在隧道洞口淺埋段施工時(shí)，嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的原則。隧道洞口管棚支護(hù)段的施工過程中，經(jīng)過對(duì)地表下沉、洞頂下沉及周邊位移等三個(gè)必測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)控量測(cè)，變形速率與變形量均未超標(biāo)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，隧道變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 施工注意事項(xiàng)

(1)隧道洞口開挖盡可能避開雨季。雨季施工時(shí)，應(yīng)采取防止坍塌的安全保護(hù)措施。

(2)隧道洞口開挖前，要做好隧道洞口周邊的截排水措施，防止洞頂積水軟化圍巖或沖刷洞口。

(3)套拱基底承載力必須滿足設(shè)計(jì)要求，套拱一旦下沉開裂變形，套拱對(duì)管棚一端的支撐作用將失效，反之變成在管棚一端的負(fù)載。

(4)套拱內(nèi)導(dǎo)向管的外插角度及方向位置要定位準(zhǔn)確，管棚鉆孔安管要及時(shí)糾偏。管棚鋼管如外插角度過大，相同長(zhǎng)度的管棚鋼管所起到的有效支護(hù)長(zhǎng)度將減短。管棚鋼管如出現(xiàn)左右間距與方向偏差，隨著管棚深度的加大，其間距可能出現(xiàn)過大或過小的現(xiàn)象，間距過大降低了管棚的支護(hù)效果，隧道開挖至此處易增加坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

(5)管棚鋼管之間的連接必須緊密，管棚鋼管管節(jié)、接箍、管靴的螺紋不得有磨損，各部位連接時(shí)要擰緊螺紋。

(6)管棚注漿必須達(dá)到設(shè)計(jì)壓力及理論注漿量，否則應(yīng)查明原因并做相應(yīng)處理。

6 結(jié)語

由跟進(jìn)式管棚在來都高速某隧道洞口超前支護(hù)的應(yīng)用中可以得到以下結(jié)論：

(1)跟進(jìn)式管棚施工工藝方法簡(jiǎn)便，且超前支護(hù)效果出色，能有效解決在松散破碎地層成孔困難的問題。

(2)跟進(jìn)式管棚施工時(shí)必須加強(qiáng)監(jiān)管機(jī)制，施工過程嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)的質(zhì)量是該工藝成功的基礎(chǔ)與保障。在此工藝中，鉆孔安管的角度及方向、管節(jié)間的連接、注漿等工序是重點(diǎn)與核心，必須定人實(shí)時(shí)監(jiān)管。

(3)跟進(jìn)式管棚工藝應(yīng)用的成功與否，材料起到關(guān)鍵作用，必須選用優(yōu)質(zhì)、高性能的材料，尤其注意各部件接口的質(zhì)量，確保能連接緊密牢固。

(4)從跟進(jìn)式管棚工藝的原理及應(yīng)用效果分析，此施工工藝也可應(yīng)用于隧道洞內(nèi)塌方段處理。