松散地質隧道工程超前大管棚支護施工技術

尚偉

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

隧道工程地質條件復雜，隧道開挖及其他項目施工會對隧道圍巖造成較大的擾動，若情況嚴重，還會發(fā)生涌水、突泥等安全事故，影響隧道工程施工的安全性和施工效率。超前大管棚支護具有很大的剛度和強度，如果在隧道施工中發(fā)生塌方問題，渣土、巖石等只會掉落在管棚上部。管棚具有良好的緩沖作用，即便是遇到比較嚴重的問題，導致管棚發(fā)生失穩(wěn)，管棚也可降低破壞程度，為隧道開挖和其他施工營造相對良好的環(huán)境，保證施工的安全性[1]。近年來，超前大管棚支護施工技術得到了進一步發(fā)展，使用長度大幅度增加，管徑也隨之擴大，因此，帶來的施工難度也隨之增加。若隧道工程長度都比較長，如何保證大長度下，超前大管棚支護及注漿效果，是應用超前大管棚支護技術必須解決的問題。早期施工方法中分段、分塊注漿施工效率低，而且無法保證長距離注漿效果，已經難以滿足目前超前大管棚支護施工的要求。在屏峰山隧道松散地質超前大管棚支護中，如何控制施工導向，確保注漿效果，保證隧道圍巖結構的穩(wěn)定性，是目前亟待解決的問題?；诖?，開展松散地質隧道工程超前大管棚支護施工技術的分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

屏峰山隧道位于嵊州市鹿山街道舍姆崗村，穿越屏峰山，隧道全長左線665 m，起訖樁號：ZK1+550～ZK2+215；右線655 m，起訖樁號：K1+540～K2+195。該隧道為小凈距+分離隧道，最大埋深約84 m。左右幅隧道出口段均為下坡，左線縱坡坡度為-2.50%/450 m，-2.446%/215 m，右線縱坡坡度為-2.50%/655 m。左線進口明洞為6 m，出口明洞25 m。右線進口明洞24 m，出口明洞30 m。隧道進出口洞門均為端墻式洞門。設計行車速度30 km/h。隧道限界：凈寬13.25 m(單洞)，凈高5.0 m。地震設防烈度為Ⅵ度。

案例隧道工程的調查區(qū)域為剝蝕丘陵區(qū)域，山頂為玄武巖臺地，地勢起伏較大，周邊為低山丘陵區(qū)，山脈走向以東南—西南向展布為主，溝谷發(fā)育，山體坡度變化較大，地勢呈中間(山頂)高，東西兩側(坡度及山谷)低。隧道出洞口位于丘陵西側坡麓沖溝處，坡度較緩，植被茂盛，表部自上而下分別為種植土、殘破積含礫粉質黏土，下伏中風化砂礫巖，層狀構造，巖石屬軟巖。隧道出口段洞身需穿殘坡層、強風化及中風化基巖，埋置淺，地下水類型主要為潛水和基巖裂隙水，雨季具有一定匯水面積，水量較大。隧道施工時風化基巖可能會有少量出水現象。圍巖破碎，穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌、掉塊。

2 超前大管棚支護施工的重難點

超前大管棚支護的工作原理是在其開挖洞頂的輪廓線外一定角度范圍內，按照一定間距超前打入一個大型環(huán)向鋼管，并利用鋼管向其松散巖層中壓注水泥漿，從而固結管棚周邊的圍巖，有效改善原本松散破碎巖層物理性質，形成大型的環(huán)向鋼管棚架。通過這種方式能夠有效提高土體強度，抵御形變，且操作相對簡便，加固效果理想，能夠有效起到超前支護效果[2]，提升隧道工程安全，值得推廣。

在超前大管棚支護施工中，經常需采取淺埋暗挖施工方法，易引起施工區(qū)域水土流失，進而引發(fā)地表下沉，影響施工安全，且不利于生態(tài)環(huán)境的保護。此外，案例工程超前大管棚支護施工長度比較長，難以控制施工導向，注漿效果也難以保證，這些都是本工程施工的重難點。

3 超前大管棚支護施工方法

3.1 超前地質預報

超前地質預報是隧道工程超前大管棚支護施工的第一步，為降低影響程度，需要做好超前地質預報，以便于有效調整施工方案。通過地質素描、地質勘查、TSP地震波反射等方法探測和分析隧道前方的地質條件，做好地質預報分析，為制定隧道工程超前大管棚支護施工方案提供有效的數據支持，從而更好地規(guī)避地質風險，保證隧道工程超前大管棚支護施工的有效性[3]。在本工程施工中，超前地質預報選擇用地質雷達對掌子面前方圍巖進行預測，通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率在12.5～1 200 MHz，脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波，電磁波在均質底層中會勻速傳播，如遇巖溶、裂隙、富集水等不良地質，會立即返回到接收機，接收機和計算機互聯，就能確定隧道地質條件以及不良地質的范圍、規(guī)模、距離掌子面的距離等，從而為隧道工程超前大管棚支護施工提供真實有效的數據支持。

3.2 合理選擇施工材料

在本工程施工中，超前大管棚支護布置在隧道出口段，防止隧道開挖發(fā)生塌方和仰坡變形。本隧道的超前大管棚支護，左洞支護長度需要達到80 m，右洞需要達到70 m，管棚每次可支護的長度控制在10～45 m即可滿足施工要求，在超前大管棚支護之間可設置超前小導管支護，相互間的縱向水平搭接長度控制在3 m以上。

本隧道超前大管棚支護中，鋼管選擇了Φ108 mm×6 mm熱軋無縫鋼管，鋼管連接處采用絲扣長度不小于15 cm的厚壁套筒進行連接，保證每節(jié)鋼管的長度在4～6 m，每處的結構和相鄰鋼管接頭之間的距離不能小于50 cm。本隧道超前大管棚支護布置在隧道拱部120°范圍內，每環(huán)46根鋼管偏離設計位置的施工誤差控制在20 cm以內，沿著隧道縱向相同斷面，接頭數量不能超過50%，而相鄰鋼管接頭必須錯開1 m。

本隧道超前大管棚支護選擇的管棚節(jié)長有2種，一種是4 m，另一種是6 m。在具體施工中，為最大限度提升管棚的剛度，在注漿結束后，管道內部要以M30號水泥砂漿進行填充。為有效保證鉆孔方向，在明洞襯砌外部設置了厚度為50 cm的C30混凝土套拱，其縱向長度為2.0 m。為提升套拱的強度，在套拱內部設置I18a鋼架，間距為50 cm，鋼架頂部混凝土保護層厚度為20 cm，為方便本隧道超前大管棚支護，在套拱內部還要設置Φ140 mm×4 mm孔口管，通過直徑為20 mm的鋼筋將孔口管定位，并焊接到套拱內的工字鋼架上。在松散地質隧道工程施工中，突水、涌泥災害會對隧道正常施工造成嚴重的干擾，給人員安全、工程工期帶來不利影響[4]，為控制隧道突水、涌泥等，考慮到超前大管棚支護鉆進時，鉆頭發(fā)生下垂問題，孔口管可設置3°的仰角。本工程套拱施工大樣圖如圖1所示。

圖1 套拱大樣圖(單位：cm)

3.3 導向墻施工

在隧道明挖施工預留的臺階上，通過腳手架搭設作業(yè)平臺，安裝上I18a工字鋼4榀，間距控制在50 cm左右。各工字鋼之間通過直徑不小于20 mm的鋼筋進行縱向連接，以提升鋼架整體結構的穩(wěn)定性。管棚中心線在隧道開挖輪廓線內側70～90 cm位置，呈現框架式分布，設計外插角為3°，在第一層管棚施工完成后，向前開挖5 m后，再進行第二層管棚施工[5]。在工字鋼上部安裝和固定導向管，保證導向管安裝過程中，仰角控制在1°～2°，在本工程施工中導向墻內模用工字鋼作為內支撐，并在上部鋪設木板，外模則采用直徑為20 mm的鋼筋作為支撐，以保證支撐的牢固性。以免在混凝土澆筑過程中發(fā)生變形，導向管、模板需要進行質量檢驗[6]，確認達標后，再澆筑上C30混凝土，本工程導向墻的縱向長度為2 m，厚度為80 cm，具體施工現場如圖2所示。

圖2 導墻施工現場

3.4 套拱混凝土澆筑

本工程超前大管棚支護數量大，支護范圍長，為滿足混凝土澆筑的連續(xù)性，混凝土采用集中拌合，通過運輸車運輸到施工現場，采用機械配合澆筑C30套拱混凝土，澆筑和振搗同時進行，以保證混凝土的密實度符合要求。導向墻采用C30混凝土，截面尺寸為0.5 m×2 m，管棚鋼管軸線和混凝土襯砌外緣夾角控制在3°以下，注漿水泥漿液水灰比為1∶1，注漿壓力為0.5～2.0 MPa[7]。

3.5 超前大管棚施工

以導向墻內的導向鋼管定位、定向，嚴格控制其上抬量和角度，將外插角控制在3°。開孔位必須準確，保證各開孔孔眼和終孔都在同一個界面上，避免存在較大的偏差和變形。在鉆孔時采用風動干鉆法成孔。鉆孔過程中，風動沖擊回旋鉆頭的直徑、鉆壓、轉速等要結合施工工藝確定好工藝參數，鉆孔現場如圖3所示。

圖3 超前大管棚支護鉆孔現場

鉆孔到位后及時用高壓風清掃鉆孔，之后對鉆孔的質量進行詳細檢查，確認達到施工要求后，通過鉆機將鋼管旋轉進入鉆孔中。管棚鋼管在加工廠集中加工，而在頂進過程中鋼管需要分節(jié)接長。在管棚節(jié)連接時可采用絲扣連接，隧道縱向相同截面處，鋼管接頭數量不能超過50%，并保證鋼管接頭能夠適當錯開[8]，第一節(jié)采用4 m和6 m的長度交替布置，之后都采用6 m的長度鋼管，鋼管通過鉆機緩慢頂進。

管棚鋼管安裝頂進前，先進行孔道掃孔作業(yè)，目的是清除孔內巖碴，以順通孔道。管棚鋼管由機械頂進，鋼管節(jié)段間用絲扣連接[9]，頂進時，節(jié)長4 m或6 m的管節(jié)交替使用，以保證隧道縱向同一斷面內的接頭數不大于50%，管壁上按照設計要求鉆注漿孔。管棚頂到位后，鋼管與導向管間隙用速凝水泥等材料堵塞嚴密，以防注漿時冒漿。

3.6 注漿施工

當鋼管頂進完成后，及時用高風壓對鋼管中的雜物進行清理，管口位置可采用麻絲、錨固劑聯合封堵，鋼管自身通過孔口安裝的封頭將密封圈壓緊，并在壓漿管口上安裝三通接頭，注漿施工現場如圖4所示。

圖4 注漿施工現場

超前大管棚支護施工中注漿是非常重要的一道工序，為保證施工質量，本工程在注漿時，采用全孔壓入式向大管棚內壓注水泥漿液，注漿設備可采用高壓注漿泵，按照先下后上、先稀漿后稠漿的原則間隔跳孔進行注漿[10]，初始注漿時壓力可控制在0.5～1.0 MPa，終壓控制在2.0 MPa，達到終壓后需要穩(wěn)壓10 min以上，再停止注漿。

超前大管棚支護注漿施工中需要按照固結管棚周圍有效范圍內的土體設計，將漿液擴散的半徑控制在0.7δ以上，δ為相鄰兩根鋼管的中心距離。水泥漿液中可添加體積5%的水玻璃，可通過現場試驗確定注漿參數，本工程選擇的注漿參數如表1所示。

表1 超前大管棚支護注漿參數

3.7 計算結果分析

為便于超前大管棚受力分析計算，可選擇拱頂，拱部左側30°、60°的3根管棚，分別記為1號管棚、2號管棚、3號管棚，并對其進行分析。3根管棚各自的剪力大小在管棚縱向長度上的分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 超前大管棚剪力縱向分布規(guī)律

從圖5可看出，在隧道工程上臺階開挖時，會引起超前大管棚剪力發(fā)生劇烈變化，在下臺階開挖時，造成的影響比較小。從管棚剪力值可以看出，1號管棚的剪力值大于3號管棚的剪力值，3號管棚的剪力值大于2號管棚的剪力值。其中剪力最大值位于掌子面前方1.5～3.0 m(管棚縱向11～12單元)。1號管棚的最大剪力值為24 kN，3號管棚的最大剪力值為16 kN，2號管棚的最大剪力值為12 kN。管棚的剪力值在掌子面前后-1～6 m(管棚縱向1～2單元及10～14單元)，其剪力值為正數，其余部位的剪力值為負數。

4 施工效果分析

在案例工程超前大管棚支護施工中，通過超前地質勘探和超前大管棚支護相互結合的方法，保證了隧道圍巖結構的穩(wěn)定性，為隧道施工營造了良好的環(huán)境，有效降低了地質災害發(fā)生的幾率和危害程度。同時，為更改設計方案和施工方案提供了可靠的依據，有效保證了隧道施工的安全性，取得了良好的經濟效益。

5 結語

綜上，松散地質隧道工程采用超前大管棚支護施工技術可有效提升隧道圍巖的安全性和穩(wěn)定性。但需要注意，超前大管棚支護難度比較大，需要結合隧道工程實際情況，嚴格把控各道工序，才能發(fā)揮出超前大管棚的預期效果。通常情況下，超前大管棚支護施工技術多應用在地質條件比較差的地段，支護長度通常在20～30 m，管棚多選擇壁厚為6 mm的鋼管，直徑為108 mm。超前大管棚支護既能作為頂板使用，也可以作為側壁支撐，可為后期施工提供良好的環(huán)境，而且施工速度快、安全性系數高、工期短，是解決隧道施工中冒頂問題的最佳技術。