長大管棚超前支護(hù)在鐵路隧道洞口施工中的應(yīng)用

張 哲

（中交路橋華北工程有限公司，北京 100000）

1 工程概況

新建池州至黃山高速鐵路站前工程，施工總價承包HCZQ-4標(biāo)位于黃山市黃山區(qū)和黟縣境內(nèi)，起訖里程DK86+860.115～DK121+625。

正線全長為34.765 km，跨雙溪河、S218、湯劉河、武備河、曉源水、X031、虞山溪、Y031等，止于黟縣源川村。

2 管棚受力原理與計算模型

2.1 受力原理

在隧道洞口段施工時，通常運(yùn)用大管棚超前支護(hù)法，以此達(dá)到支撐和加固圍巖的效果，有效預(yù)防軟弱圍巖下沉、松弛和坍塌等現(xiàn)象。

工作原理：利用管棚注漿使拱頂預(yù)先形成加固的保護(hù)環(huán)。該保護(hù)環(huán)可以為隧道施工創(chuàng)造良好的開挖條件，承擔(dān)了承載拱的重要功能，降低拱內(nèi)部圍巖的承載壓力；如果超前管棚沿著隧道挖掘的方位展開分布，加固環(huán)的變形力顯著減弱，導(dǎo)致隧道支護(hù)荷大幅度降低。還能夠?qū)⑿巫儜?yīng)力第一時間傳輸?shù)街喂凹苤?。互相扶持的拱架可以成為整體支護(hù)，確保掘進(jìn)施工如期進(jìn)行以及支護(hù)的絕對安全[1]。

2.2 計算模型

挖掘隧道洞口時，下部土體自然會被挖掘出來，管棚端部處于懸空。管棚鋼管大多處于加固地層內(nèi)部，還受到地層的大加約束。懸空部分最重要的效用為有效支撐上部荷載，如果施工場地在隧道內(nèi)部，鋼管的前段與后段存在差異。此時，中間懸空的鋼管段可以簡化，簡化后變?yōu)楹喼Я?，管棚能夠有效承載兩方面的荷載，即上部土體荷載、路面荷載。

3 大管棚施工設(shè)計

3.1 大管棚設(shè)計參數(shù)

（1）導(dǎo)管是無縫鋼管形式，外徑尺寸為108 mm，管壁厚度為6 mm。

（2）環(huán)向間距保持在40 cm左右。

（3）外插角以1°為最佳。

（4）對于大管棚每環(huán)施作而言，長度在60 m左右，鋼管前段基本形狀為錐形。

（5）熱軋無縫鋼管，外徑114 mm，管壁厚度6 mm。

（6）在鋼管內(nèi)部設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠的主要組成部分包括主筋、固定環(huán)。

（7）在鋼管上部鉆入注漿孔，注漿孔的直徑16 mm，注漿孔的縱向間距為113 mm，形狀為梅花形，尾部預(yù)留大約100 cm的距離，作為止?jié){段。

3.2 注漿參數(shù)設(shè)計

（1）灌注的漿液主要有兩種，即水泥漿液、水泥玻璃雙液漿。

（2）水泥漿、水灰比為1∶1（重量比），注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

（3）≥0.5 m。

（4）開展注漿作業(yè)之前，先進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗，通常試驗收集注漿參數(shù)和積累鋼管注漿施工的經(jīng)驗，根據(jù)所得結(jié)果科學(xué)確定注漿參數(shù)。

單根鋼管注漿量：

式中：Rk——漿液擴(kuò)散半徑，取0.65 m；L——鋼花管長（m）；ζ——注漿飽滿系數(shù)，取0.85；η——空隙率（%），風(fēng)化巖層取2%～3%，斷層破碎帶取5%～8%，溶槽溶隙地層取10%～15%，黏土取20%～40%，砂土取40%～60%。

4 大管棚施工

4.1 施工準(zhǔn)備

（1）管棚施工的第一步為嘗試進(jìn)行鉆孔，符合施工條件后開始正式施工，保證施工質(zhì)量。

（2）為保證注漿順利進(jìn)行以及管棚施工的有序進(jìn)展，高壓注漿前，務(wù)必封堵各個孔口。

（3）開挖前，為了防止出現(xiàn)脫節(jié)的情況，必須確保鋼管連接時不能出現(xiàn)差錯[2]。

4.2 不良地質(zhì)處理

針對試鉆不理想地段，應(yīng)對不良地質(zhì)進(jìn)行處理，一般采用超前小導(dǎo)管注漿，如果效果不理想可以采用山體注漿。

（1）超前小的導(dǎo)管施工。

對小導(dǎo)管進(jìn)行施工前，先噴射混凝土，混凝土厚度最低為3 cm，最高為5 cm，以對拱部進(jìn)行封閉，有效防止工作面出現(xiàn)裂縫。后續(xù)循環(huán)可以充分利用循環(huán)間的搭接部分，并將其作為止?jié){墻。

小導(dǎo)管采用Ф42小導(dǎo)管，長5～7 m，間距1.5 m×1.5 m，造孔時可以使用鉆孔臺車，也可以使用手持式風(fēng)鉆造孔。造孔間距可以根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，圍巖不理想地段可以適當(dāng)減小小導(dǎo)管間距。

注漿液采用水泥凈漿，水泥∶水=1∶1。

（2）山體注漿。

對小導(dǎo)管注漿效果不理想地段可采用山體注漿，山體注漿前先噴射混凝土，混凝土厚度最低為3 cm，最高為5 cm，以對山體進(jìn)行封閉，有效防止工作面出現(xiàn)裂縫[3]。

山體注漿采用Ф108 mm無縫鋼管，從山體頂垂直鉆孔，鉆孔間距1.5 m×3 m，鉆孔深度根據(jù)現(xiàn)場情況不要侵占隧道輪廓線為宜。

注漿液采用水泥凈漿，水泥∶水=1∶1。

4.3 導(dǎo)向墻施工

長管棚需要設(shè)置導(dǎo)向墻，導(dǎo)向墻寬1 m，截面為1 m2。導(dǎo)向墻的施工范圍為洞口襯砌外輪廓外。設(shè)置工字鋼，工字鋼型號為I18輕型工字鋼，數(shù)量為2排，同時將導(dǎo)向管焊接于導(dǎo)向墻中，導(dǎo)向管采用Ф140 mm鋼管。澆筑導(dǎo)向墻混凝土?xí)r運(yùn)用的標(biāo)號為C20混凝土。

4.4 鉆孔

（1）為避免漏漿等情況的出現(xiàn)，有必要將素混凝土噴射于掌子面，將其作為止?jié){墻。

（2）鉆機(jī)采用KG940A型露天潛孔鉆車，只有對機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)檢查，并確保一切正常時，才可以進(jìn)行鉆孔，鉆孔時應(yīng)根據(jù)實際情況確定是否加入泥漿或水泥漿[4]。

（3）為防止出現(xiàn)加鉆的情況，必須對鉆進(jìn)速度進(jìn)行有效的掌控，確保前進(jìn)的勻速性，特別是遭受到夾泥層時，更應(yīng)當(dāng)注意進(jìn)度。

（4）對于開鉆上挑角度而言，最低為3°，最高為5°，不僅應(yīng)對鉆進(jìn)角度進(jìn)行有效控制，同時應(yīng)對鉆進(jìn)方向進(jìn)行有效控制。

（5）環(huán)向間距40 cm。

（6）如果遇到比較復(fù)雜的地質(zhì)情況，可以利用跟管鉆進(jìn)的技術(shù)。

4.5 大管棚安裝

（1）大管棚設(shè)計參數(shù)。

①熱軋無縫鋼管及鋼花管，長度通常在10～16 m，用每節(jié)長4～6 m的熱軋無縫鋼管Ф108 mm，壁厚6 mm，采用絲扣連接的方式，鋼管及鋼花管同一截面內(nèi)的接頭數(shù)必須少于管數(shù)的50%。

②鋼花管上鉆注漿孔，孔徑在10～16 mm之間，控制間距為11 cm，采用梅花形布置，尾部留不鉆孔止?jié){段110 cm。

③徑向不大于20 cm，相鄰鋼管之間環(huán)向不大于5 cm。

（2）大管棚安裝。

①大管棚安裝前先對導(dǎo)向墻上導(dǎo)向管從左往右進(jìn)行編號，安裝順序為先奇數(shù)號管棚再偶數(shù)號管棚。

②偶數(shù)號管棚連接的方式應(yīng)與奇數(shù)號管棚的連接方式不同，以此達(dá)到同一截面內(nèi)的接頭數(shù)不超過管數(shù)的50%。例如30 m的長管棚奇數(shù)孔可采用6 m+4 m+6 m+4 m+6 m+4 m，偶數(shù)孔可采用4 m+6 m+4 m+6 m+4 m+6 m。

③大管棚安裝可利用人工或機(jī)械的方式安裝。

（3）注意事項。

①為了有效防止塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)在鉆孔完成后設(shè)置管棚鋼管。

②鋼管嚴(yán)禁一次性全部進(jìn)入，應(yīng)利用逐節(jié)進(jìn)入的形式，最好的連接材料是絲扣，絲扣長度保持在15 cm左右[5]。

③鋼管與鉆孔不可避免會形成一定的縫隙，對于這些縫隙，必須第一時間展開填充，在鋼管的外漏部位焊接一個止?jié){閥，確保焊接的強(qiáng)度和密實度。

4.6 注漿施工

（1）注漿前，確保管路與機(jī)械處于正常狀態(tài)，對導(dǎo)管內(nèi)部的灰塵、雜物等進(jìn)行及時清除，與注漿管進(jìn)行有效連接，使用塑膠泥對孔口予以封閉。

（2）注漿時，應(yīng)對各處的情況進(jìn)行及時、全面檢查，只有一切正常才能繼續(xù)進(jìn)行注漿，如果出現(xiàn)特殊情況，應(yīng)第一時間采取補(bǔ)救舉措[6]。

（3）如果注漿壓力在2.5 MPa以上，壓力持續(xù)時間超過5 min，必須立刻停止注漿作業(yè)。

（4）在注漿的過程中，及時、全面填寫《注漿記錄表》，對各項數(shù)據(jù)信息進(jìn)行精準(zhǔn)記錄，對壓力表值進(jìn)行觀測，對聯(lián)通裝置進(jìn)行監(jiān)控。

4.7 注漿效果評定

全方位、認(rèn)真細(xì)致地觀察注漿的充填狀況；對孔內(nèi)涌水顏色及孔內(nèi)涌水量進(jìn)行觀察，涌水清澈、涌水量為0.4 m/L時才能施工，否則需要立即進(jìn)行補(bǔ)充。

5 結(jié)語

長大管棚超前支護(hù)技術(shù)能夠使巖層的物理力學(xué)性質(zhì)得到有效改善，尤其是松軟巖層，利用此技術(shù)時，水泥漿能夠?qū)r石縫隙進(jìn)行充分填充，對圍巖進(jìn)行固結(jié)；大管棚與注漿施工工藝簡單、操作簡便，不需要大型機(jī)械就能夠完成施工，取得顯著的效果，具有較高的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益等；在隧道進(jìn)出口端淺埋級圍巖工程中，該技術(shù)應(yīng)用的效果比較好，保證了工程的有序完成。綜上所述，長大管棚超前支護(hù)技術(shù)不僅能在隧道掘進(jìn)工程中發(fā)揮重要作用，在處理塌方時作用也非常關(guān)鍵。其具有可靠性及較高的支護(hù)能力，在較多地段都有所應(yīng)用，特別是沙土質(zhì)段，應(yīng)用效果更顯著。長大管棚超前支護(hù)技術(shù)能夠有效提升施工的安全度，確保巖體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，有效防止地表出現(xiàn)下沉、松弛等情況。