提升隧道洞內(nèi)管棚施工質(zhì)量技術(shù)研究

唐開軍

貴州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 貴州貴陽 550023

1 隧道超前管棚預(yù)支護(hù)作用機(jī)理分析

隧道超前管棚超前預(yù)支護(hù)是一種能提供較強(qiáng)支護(hù)作用的隧道輔助技術(shù)，其做法是在隧道開掘進(jìn)施工前，沿開挖輪廓線在隧道頂部一定范圍內(nèi)環(huán)向間隔一定距離向軸線方向鉆孔并安裝管棚管，隨后進(jìn)行注漿作業(yè)，以形成超前支護(hù)效應(yīng)。施做管棚注漿時會形成一個預(yù)先加固保護(hù)環(huán)，充分發(fā)揮承載拱的受力作用，在上方施加荷載，使拱內(nèi)圍巖承受變形壓力，進(jìn)而獲得一個良好的開挖條件。如果超前管棚沿著隧道外圍分布時，則要將環(huán)形拱架與管棚結(jié)合加固，此時拱部圍巖受到的變形力傳遞到支撐拱架中。因為支撐拱架相互連接并且相互支護(hù)，能夠使掘進(jìn)支護(hù)更加安全、穩(wěn)定。[1]

通常情況下管棚、拱架、鎖腳錨桿或者錨管、注漿工藝等形成復(fù)合的支護(hù)技術(shù)。管棚管通過注漿，漿液可以填充巖體裂隙提升其整體性和穩(wěn)定性，漿液在管棚管內(nèi)凝結(jié)硬化可以很大程度上提升管棚管的棚護(hù)能力；鎖腳錨桿或者錨管可提高管棚支護(hù)體系的抗沉降能力，對于控制圍巖變形發(fā)揮較好作用。

研究者Ibrahim在其研究中指出，隧道的管棚超前預(yù)支護(hù)能夠有效應(yīng)對隧道開挖所引起的地表位移及掌子面穩(wěn)定性等問題，尤其是在特別惡劣的地質(zhì)條件下效果更顯著。[2]伍振志、張向東、孫玉永等對管棚的加固機(jī)理及加固效果進(jìn)行分析得出，管棚注漿能夠顯著地限制軟弱圍巖的松動變形，可以有效地減少隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，避免淺埋松軟圍巖發(fā)生塌方現(xiàn)象，是在工程實踐中比較廣泛采用的隧道超前預(yù)加固的方法[3-5]。辛潤勤[6]在《隧道洞口段超前管棚預(yù)支護(hù)體系數(shù)值分析》一文中指出，在隧道洞口段施做超前管棚預(yù)支護(hù)體系，能顯著改善洞口段地層的物理力學(xué)性質(zhì)，提高軟弱地層的整體性，有效地抑制圍巖的不利變形。管棚打設(shè)角度對管棚預(yù)支護(hù)體系作用效果的發(fā)揮影響較大。管棚的加固作用機(jī)理，主要是將管棚上部圍巖傳來的荷載分散到掌子面前方的土體和格柵(鋼)拱架上，以此來減少掌子面前方巖土體所承受壓力的強(qiáng)度，從而取得更大的掌子面土坡穩(wěn)定安全系數(shù)，保證掌子面前方巖土體的穩(wěn)定性。[7-10]

2 工程概況

某市貴金線(瑞金北路延伸段)道路工程C標(biāo)段線路長1.12km，包括隧道、道路和匝道橋，設(shè)計為城市快速路。該項目1號隧道是該線上的關(guān)鍵工程，標(biāo)段承擔(dān)的是隧道出口端左線1.018km(ZK2+618～ZK1+600)和右線1.02km(YK2+640～YK1+620)，縱坡為2.9%的反坡掘進(jìn)任務(wù)。凈距7m，為雙向6車道(單洞3車道)隧道，單洞開挖斷面面積達(dá)到163.8m2，寬度為16.98m，高度為11.56m，按照國際隧道協(xié)會(ITA)定義的隧道的橫斷面積的大小劃分標(biāo)準(zhǔn)分類，該隧道屬于大斷面隧道。

隧道圍巖地質(zhì)特別復(fù)雜，分布4條斷層，有巖溶、涌水、突泥和可能瓦斯不良地質(zhì)。隧道圍巖級別以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主。隧道YK1+760～+620段屬于軟弱圍巖地質(zhì)條件，同時屬于淺埋情況，圍巖巖體穩(wěn)定性較差，地質(zhì)情況如圖1所示，施工過程存在較大的安全隱患，根據(jù)隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，對該段的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道YK1+760～+620段V圍巖調(diào)整后的支護(hù)參數(shù)

3 管棚施工存在的主要問題及對策

3.1 管棚施工存在的主要問題

在進(jìn)行管棚管施工質(zhì)量問題的原因分析時，將管棚管施工的環(huán)向間距、仰角設(shè)置、管棚管接頭及送管作為主要分析因素，其他如管棚管質(zhì)量等因材料在進(jìn)場已經(jīng)進(jìn)行驗收并有相關(guān)證明材料，故不作為分析對象。管棚管施工過質(zhì)量問題原因分析的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 隧道YK1+760～+620段管棚施工質(zhì)量檢查統(tǒng)計表

經(jīng)過分析，可知隧道YK1+760～+620段管棚施工質(zhì)量問題的主要原因為管棚管的環(huán)向間距分布不均均勻，管棚角度布置不準(zhǔn)確，施工完成后容易出現(xiàn)管棚管侵入洞內(nèi)的情況，管棚接頭連接頭的可靠性不高以及管棚管送管存在不符合設(shè)計要求等，管棚壓漿時漿液回流量大等，這些問題將嚴(yán)重影響隧道管棚管的支護(hù)效應(yīng)，會對隧道掘進(jìn)施工安全帶來極大隱患。隧道YK1+760～+620段管棚施工質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因如表3所示。

表3 隧道YK1+760～+620段管棚施工質(zhì)量問題原因

3.2 提升管棚管施工質(zhì)量的措施

超前管棚管施工質(zhì)量控制是系統(tǒng)工程，在實踐過程中應(yīng)按照質(zhì)量目標(biāo)控制的基本方法，將組織措施、技術(shù)措施、經(jīng)濟(jì)措施和管理措施等對該段管棚施工質(zhì)量進(jìn)行控制，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)要求，為隧道安全掘進(jìn)施工提供保障。

3.2.1 提升施工人員質(zhì)量意識和技術(shù)水平

目標(biāo)控制理論中，組織因素是目標(biāo)能否實現(xiàn)的重要因素。管棚施工的質(zhì)量提升，施工人員的質(zhì)量意識和施工技術(shù)水平是關(guān)鍵因素。在實踐操作過程中，可以采用如下方法：一是認(rèn)真落實交底制度。技術(shù)交底是施工現(xiàn)場進(jìn)行施工質(zhì)量控制的有效方法之一，翔實的交底可以讓施工人員更加清晰的理解和掌握施工要求和標(biāo)準(zhǔn)，有利于提升實踐操作的質(zhì)量，交底人員可以采用多形式的交底方式，如運(yùn)用BIM建模技術(shù)的實現(xiàn)三維仿真，使交底內(nèi)容更加直觀，以便于工人理解掌握。二是采用施工質(zhì)量評比獎懲機(jī)制，即在有條件的情況開展班組施工質(zhì)量評比競賽并進(jìn)行相應(yīng)獎勵。有效的激勵獎懲機(jī)制可以激發(fā)施工人員的質(zhì)量控制意識，強(qiáng)化質(zhì)量控制的意識引導(dǎo)，將質(zhì)量控制的他律轉(zhuǎn)換為自律行為。三是進(jìn)行管棚的施工技術(shù)培訓(xùn)。采用定期進(jìn)行施工質(zhì)量培訓(xùn)交流的方式，可以提升施工的人員的技術(shù)水平，亦可以強(qiáng)化施工人員的質(zhì)量意識。

3.2.2 改進(jìn)隧道施工方法及參數(shù)

管棚管施工機(jī)械操作需要有合適的施工操作空間，才能保證鉆孔、送管等工藝的操作符合要求。本項目中的隧道原設(shè)計挖方式為側(cè)壁導(dǎo)坑開挖方式，操作空間較小，對管棚施工的帶來不利影響。根據(jù)隧道洞身所處的水文地質(zhì)條件及監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)分析，將原側(cè)壁導(dǎo)坑開挖方式改為臺階法施工，根據(jù)施工機(jī)械操作需要并結(jié)合圍巖穩(wěn)定性確定上臺階的高度設(shè)置為1.5～1.8m之間，此數(shù)據(jù)可以根據(jù)實際施工過程中在確保施工安全的情況進(jìn)行必要調(diào)整，為管棚管的施工、管棚管的鉆孔及送管的施工作業(yè)提供必要空間，能及時知曉隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定性，增強(qiáng)隧道監(jiān)控量測的頻率和監(jiān)測點(diǎn)位，實時收集數(shù)據(jù)信息，以便及時為調(diào)整隧道施工參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2.3 改進(jìn)管棚管的接頭處理方式

管棚管接頭質(zhì)量是管棚施工關(guān)鍵控制點(diǎn)，其施工質(zhì)量對整個管棚是否能較好發(fā)揮棚護(hù)能力具有重要影響，目前工程實踐中常用焊接或者絲扣連接的方式。隧道超前管棚棚護(hù)失效的原因中，管棚管接頭可靠度低是比較常見情形，同時還有管棚管注漿對圍巖的凝結(jié)加固的效果差等。[11]根據(jù)項目施工實際，超前管棚管施工對原焊接方式改為絲扣的形式進(jìn)行可靠連接，要求絲扣的長度應(yīng)不小于150mm，然后采用300mm長的鋼管從中間破開，將管棚接頭處進(jìn)行包裹焊接，增強(qiáng)管棚管的接頭可靠度，如圖2所示，可以提高單根管棚管的剛度，減少管棚管在送管過程中的“低頭”而出現(xiàn)送管困難、送不到位等情況。管棚管施工作業(yè)時，要求同一里程斷面上的接頭率不大于50%，確保管棚管的整體棚護(hù)作用和棚護(hù)剛度。

3.2.4 提升管棚注漿作業(yè)質(zhì)量

超前管棚對巖體的支護(hù)作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一個方面是管棚會在隧道開挖面正前方形成一個具有保護(hù)作用的“防護(hù)棚”，因為管棚的一端支撐在隧道前方的巖體里，一端則支撐在鋼拱架上。這個防護(hù)棚的作用既能為隧道開挖提供掩體作用，同時也能保障掌子面的穩(wěn)定性；一個方面是管棚體的注漿使?jié){液沿隧道開挖輪廓線對圍巖進(jìn)行加固，提高圍巖的穩(wěn)定性，以達(dá)到比較好的施工條件。提升管棚管的注漿作業(yè)質(zhì)量是提升管棚施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，針對本工程中出現(xiàn)的問題，對施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。首先，對隧道開挖掌子面進(jìn)行封閉處理。在管棚管注漿作業(yè)前，可以通過噴射混凝土對開挖掌子面進(jìn)行封閉處理，噴射混凝土的厚度可根據(jù)實際設(shè)置100～150mm，且應(yīng)根據(jù)后續(xù)注漿作業(yè)的反饋情況進(jìn)行調(diào)整。其次，設(shè)置管棚注漿口和排氣孔，排氣口設(shè)置閘閥。在進(jìn)行注漿作業(yè)時，開啟排氣口，待排氣口有漿液溢出時將閘閥關(guān)閉，繼續(xù)注漿穩(wěn)壓1.0Mpa，穩(wěn)壓時間約為5分鐘時可以視為注漿達(dá)到要求，可以根據(jù)隧道開挖后視檢查注漿效果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 總結(jié)與思考

管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)是隧道工程中常用的技術(shù)，對隧道的安全施工、快速掘進(jìn)有著重要影響。管棚施工質(zhì)量的影響因素較多，通常在設(shè)計合理、施工質(zhì)量可靠度高的情況下，管棚才能發(fā)揮較好的棚護(hù)能力。管棚的注漿效果在沙土或者強(qiáng)風(fēng)化的破碎巖體中能發(fā)揮較好效果，而在黏土中通常會由于黏土遇漿液形成致密隔膜而造成注漿困難，效果不好的情況。因此，在選擇超前管棚作為隧道施工的輔助工法時，應(yīng)充分考慮隧道所處地質(zhì)條件等因素對施工質(zhì)量的影響，及時調(diào)整施工工藝，提升管棚的施工質(zhì)量以發(fā)揮其作用。施工員在進(jìn)行管棚質(zhì)量控制過程中，對質(zhì)量影響因素、質(zhì)量控制關(guān)鍵應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)把控，根據(jù)工程實際情況進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，這是施工員崗位職業(yè)能力的重要體現(xiàn)，作為職業(yè)教育者應(yīng)將其進(jìn)行整理，作為適合入課的知識內(nèi)容，實現(xiàn)崗位職業(yè)能力標(biāo)準(zhǔn)入課，課程教學(xué)與崗位能力要求對接，踐行崗課融合人才培養(yǎng)。