長管棚施工技術(shù)在公路隧道軟弱圍巖中的應(yīng)用

呂 鑫

(湖南省醴婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 湘潭 411100)

1 公路隧道軟弱圍巖支護要求

隨著現(xiàn)代公路工程建設(shè)中隧道技術(shù)不斷進步和發(fā)展，有效解決了山嶺地區(qū)交通難題。截止2020年我國公路隧道數(shù)量達到21 316處，總長度2 199.9萬m，成為世界上隧道工程規(guī)模、數(shù)量最多，也是施工難度最大的國家。近年來，基于工程技術(shù)的發(fā)展與交通運輸?shù)男枨?，隧道建設(shè)逐漸深入各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中，由此也對隧道施工與安全產(chǎn)生巨大影響，軟弱圍巖施工問題是必須面臨的一大難題。

公路隧道軟弱圍巖施工中，原始地應(yīng)力平衡被打破，極易產(chǎn)生較大變形，導致開挖洞室失穩(wěn)，常見破壞形式有拱頂下沉、冒頂、掌子面塌方、洞頂?shù)乇硐菘拥?，且軟弱圍巖類型眾多，往往受到高地應(yīng)力、地下水、溫度等多種因素綜合作用，進一步增大施工安全風險。基于多種外界因素的影響與隧道開挖后應(yīng)力重分布的作用，軟弱圍巖容易形成松動圈，圍巖變形量隨著松動圈的擴大而增加，支護結(jié)構(gòu)受力顯著增加，甚至出現(xiàn)圍巖—支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞的情況，對此必須加強公路隧道軟弱圍巖支護工作[1]。超前預(yù)支護技術(shù)正是一項有效措施，可較好的解決公路隧道軟弱圍巖開挖支護難題，采用正確的超前預(yù)支護方法可營造安全的施工環(huán)境，保證隧道作業(yè)穩(wěn)步落地。結(jié)合相關(guān)理論與工程實踐經(jīng)驗總結(jié)，公路隧道軟弱圍巖常用超前支護技術(shù)有管棚法、機械預(yù)切糟法、預(yù)襯砌法、水平旋噴注漿法、超前小導管法、超前錨桿法、預(yù)注漿法、凍結(jié)法等，具體適用情況如表1所示。本文以管棚預(yù)支護為研究對象，自其引入國內(nèi)后在隧道工程中得到了成功應(yīng)用，在確保隧道安全、支護軟弱圍巖方面發(fā)揮著重要作用[2]。

表1 超前預(yù)支護技術(shù)

2 長管棚預(yù)支護原理與應(yīng)用要點

2.1 長管棚預(yù)支護原理

長管棚預(yù)支護是在隧道開挖前，在開挖輪廓外將鋼管打入提前打好的鉆孔內(nèi)，鋼管注入水泥砂漿填充巖體裂縫，實現(xiàn)管棚與周圍巖體的一體化，形成一個棚架體系，如圖1所示?；陂L管棚的施作可形成加固圈，發(fā)揮“承載拱”作用，有效支護上部巖體，令內(nèi)部圍巖與支護系統(tǒng)處于一個不受荷載的狀態(tài)下，拱內(nèi)部圍巖與支護系統(tǒng)只承受通過拱向隧道方向變形而產(chǎn)生的形變壓力[3]。

圖1 管棚預(yù)支護體系示意圖

長管棚預(yù)支護體系作用原理具體可歸納如下：(1)梁式效應(yīng)：長管棚進口端無特殊情況下設(shè)有套拱基礎(chǔ)，遠端布置在巖層內(nèi)，形成一個“簡支梁”支撐結(jié)構(gòu)，有效支撐上部松動產(chǎn)生的壓力或是傳遞上部荷載，防止隧道開挖巖體坍塌。(2)拱的效應(yīng)：隧道未施作長管棚預(yù)支護時，沿隧道橫斷面方向地層拱依托兩側(cè)邊墻周邊性對穩(wěn)定巖體為拱腳創(chuàng)建拱平衡狀態(tài)；長管棚預(yù)支護體系施作后，當間距合適、注入砂漿飽滿，則每個超前管棚單元體間形成拱現(xiàn)象，由此大幅縮短拱跨，促進圍巖迅速達到新的平衡狀態(tài)。(3)加固效應(yīng)：長管棚注漿后砂漿經(jīng)由鋼管孔滲透至巖體裂縫，實現(xiàn)巖體膠結(jié)、固結(jié)，全面改善軟弱圍巖物理力學性質(zhì)，達到預(yù)加固效果。

2.2 長管棚預(yù)支護布置形式與施工方法

(1)長管棚預(yù)支護布置形式

長管棚預(yù)支護體系在以下情況運用效果明顯[4]：地質(zhì)條件差、巖體破碎，自穩(wěn)能力極差的圍巖；隧道塌方段，裂隙發(fā)育的圍巖；人工填土、強膨脹、強流變性地層；淺埋偏壓隧道等。根據(jù)隧道地質(zhì)條件、管棚發(fā)揮的支護效果以及隧道與結(jié)構(gòu)物的物質(zhì)，決定了管棚有不同配置形式，其各有特點與適用范圍，具體如表2所示。

表2 管棚布置形式

(2)長管棚施工方法

隧道工程長管棚施工主要工序包括測量定位、施作套拱、鉆孔、鋼管施作、注漿封口等[5]。目前，工程實踐中管棚施工方法主要有水平鉆進法、夯管施工法、水平導向跟管鉆進法，具體如下：①水平鉆進法：采取高壓噴射水軟化土體+鉆機鉆孔的方法，施工速度快、環(huán)保且施工精度大，但是對土體存在一定的擾動[6]。②夯管施工法：以夯管錘將鋼管打入圍巖，鋼管選用敞口管，并用氣壓清除管內(nèi)土體，此設(shè)備簡單、施工精度高，但是鋼管長度較長時精度控制難度增大。③水平導向跟管鉆進法：以棚管代替鉆桿，使用水平定向鉆機將管棚打入土體，施工精度高，一次性可施作超過100 m的長管棚，土體擾動小且較為環(huán)保。

隧道工程建設(shè)中，需根據(jù)項目實際情況合理選擇施工方法，同時每道工序規(guī)范完成方可保證支護有效性。在實際施工中因地層、鉆孔坍塌、鉆具不穩(wěn)定等諸多因素的影響，極易導致管棚打入過程中出現(xiàn)偏離，導致鉆進軌跡與設(shè)計軌跡發(fā)生偏差，直接導致管棚施作失敗，無法發(fā)揮應(yīng)有的預(yù)支護效果。對此，在隧道工程長管棚施工過程中，必須加強糾偏控制，及及時調(diào)整施作角度，并利用鋼尺測距儀等設(shè)備對鋼管方向、角度進行調(diào)節(jié)，此外加強施鉆人員培訓，也有利于提高管棚施工精度與最終支護效果。

3 實例探析長管棚施工技術(shù)在公路隧道軟弱圍巖中的應(yīng)用

3.1 項目背景

本項目為某高速公路工程，全長8.85 km，其中，隧道左、右幅全長分別為5 067 m、5 143 m，隧道由兩端向中間施工，本標段負責出口段，左、右幅施工長度2 543 m、2 603 m，路段縱坡-1.206%、-1.205%。此隧道穿越山體，進出口段位于斜坡，存在偏壓情況，屬構(gòu)造—侵蝕、剝蝕型低中山地貌。

3.2 軟弱圍巖施工方案

本項目偏壓段為V級圍巖，經(jīng)綜合分析決定選用預(yù)留核心土臺階法開挖，采用機械+人工+局部弱爆破施工方法，開挖循環(huán)進尺0.6 m、臺階長度9 m。本次隧道支護方法與參數(shù)如表3所示，通過隧道三維有限元模型模擬分析顯示長管棚超前支護工況下施工周邊圍巖更穩(wěn)定。

表3 隧道支護方法與參數(shù)

3.3 長管棚預(yù)支護施工技術(shù)要點

①搭設(shè)施工平臺：使用方木搭設(shè)，先下后上、先兩邊后中間，按孔位順序安裝。②鉆進：根據(jù)地質(zhì)情況與施工條件配備2臺電動鉆機同時作業(yè)，按導向管口編號從高孔位朝著低孔位施工，鉆桿對齊導向管，鉆機先低速運轉(zhuǎn)后加速作業(yè)，鉆孔直徑115～130 mm。③掃孔：本項目選用Φ108 mm巖芯管(長度>2.5 m)對鉆孔進行清理，當下管困難時采用高壓空氣多次掃孔。④下管：鋼花管按梅花形鉆孔，孔徑12 mm，孔間距15 cm；止?jié){段長度為2.5 m，前端頭加工為10 cm錐頭。下管時，孔壁穩(wěn)定時采用直接撞擊法，否則導管與鉆頭齊頭并進，管節(jié)之間使用絲扣連接，管棚間縱向搭接長度≥1 m。⑤注漿：本項目配備2臺BW-250/50型機械注漿泵，注入P.O42.5硅酸鹽水泥漿，水灰比1∶1，現(xiàn)場進行注漿試驗確定注漿參數(shù)，初壓0.5～1.0 MPa、終壓2.0 MPa，排氣孔溢漿時進行終壓注漿。

3.4 長管棚預(yù)支護施工效果

本項目隧道施工中出現(xiàn)連續(xù)降雨的情況，洞口上覆巖層受到嚴重沖刷，對施工造成較大影響?；陂L管棚預(yù)支護體系的運用提高了圍巖承載能力，預(yù)防了洞口段安全事故的發(fā)生，確保了隧道安全完工。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代隧道工程建設(shè)中，軟弱圍巖越加常見，由于圍巖自穩(wěn)能力差、開挖安全風險高，往往需要在超前預(yù)支護體系的保護下進行分部開挖。隧道預(yù)支護體系中，長管棚是一種常見工法，其可有效控制圍巖豎向位移量，優(yōu)化拱頂部受力狀態(tài)，確保后續(xù)開挖工作與支護體系處于安全狀態(tài)，工程實踐中應(yīng)根據(jù)實際情況確定設(shè)計參數(shù)、施工設(shè)備，穩(wěn)步落實各道工序，充分發(fā)揮長管棚預(yù)支護應(yīng)有的效果，為隧道作業(yè)保駕護航。