超前大管棚支護(hù)技術(shù)在隧道洞口段施工中的應(yīng)用研究

袁 偉，王玉剛

（青州水建工程建設(shè)有限公司，山東 濰坊 262500）

由于水利工程的建設(shè)水平日益提升，其中的隧道建設(shè)工程項(xiàng)目也越來越多，各種各樣復(fù)雜的地質(zhì)條件和隧道工程本身的施工難度，導(dǎo)致隧道洞口施工面臨艱巨的挑戰(zhàn)。為將地表沉降量控制在最低以及保證隧道洞口的工程質(zhì)量，在施工之前采用超前大管棚支護(hù)技術(shù)對隧道洞口進(jìn)行預(yù)加固，可有效保證隧道安全。超前大管棚支護(hù)技術(shù)施工流程較為簡單，且堅(jiān)固效果顯著，可適用于各種復(fù)雜的隧道施工環(huán)境中。因此，在各種大型項(xiàng)目施工中得到了較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)取得了較好的支護(hù)效果，在確保隧道安全和工程質(zhì)量等方面起到了極其重要的作用。

1 工程概況

A 隧道是某地區(qū)水利工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，全長3 578 m，寬度15 m，高度20 m。隧道的進(jìn)口端標(biāo)高為1 156 m，開挖跨度極大，且場地施工條件較差。由于地面以下存在較多管線，因此，施工方案設(shè)計(jì)為淺埋暗挖法施工，有效避開地下管線分布位置。隧道洞口為半圓形，利用兩排縱向30 cm 的C30 混凝土材質(zhì)的鋼花管制成半圓形拱架作為頂部支撐。

場地地層拱基線以上為第三系圓礫巖，以下為第四系砂粒巖。根據(jù)其形成年代及地質(zhì)性質(zhì)可分為5 層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、人工填土、細(xì)砂和砂土層。其中雜填土最大厚度為1.2 m，粉質(zhì)黏土中間厚度較大，大約為1.5 m，兩側(cè)厚度偏小，大約為0.3 m，人工填土平均厚度為3.2 m，細(xì)砂平均厚度為5.1 m，砂土層平均厚度為4.3 m。

隧道洞口呈西——東南方向展布，周邊多分布斷裂性剝蝕——構(gòu)造類型的脊?fàn)顜r石，斷裂現(xiàn)象明顯，斷裂痕跡已逐漸逼近隧道洞口。隧道兩側(cè)圍巖整體具有較強(qiáng)可塑性，有垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，且地下水位距離地表較近，圍巖滲透性強(qiáng)，另外隧道埋深較淺，因此，兩旁圍巖對隧道洞口處造成了極大的偏壓壓力，為隧道洞口段施工帶來了難度。

2 超前大管棚支護(hù)技術(shù)施工準(zhǔn)備

2.1 長管棚設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，長管棚采用108 mm，壁厚為8 mm 的C20 混凝土鋼管，由平均長度為5～6 m 的多根混凝土鋼管利用焊接工具進(jìn)行無縫拼接而成，總長度為26 m。同時(shí)要將管棚一個(gè)斷面內(nèi)的鋼管接頭個(gè)數(shù)控制在5 個(gè)以內(nèi)。外插角根據(jù)管棚布設(shè)位置決定，通常情況下不得大于3°。長管棚立面布置如圖1 所示。

圖1 大管棚立面結(jié)構(gòu)

大管棚的具體參數(shù)設(shè)計(jì)為：以隧道洞口向內(nèi)為正方向，在隧道兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)大管棚工作臺，管棚工作臺長度為3 m，拱券外擴(kuò)40～50 cm ；管棚的中心處要保證與洞口中心處在一條直線上，即管棚中心位置與圓心角為120°的隧道洞口中心處重合。管棚的鉆孔數(shù)量根據(jù)管棚斷面面積大小而定，面積越大，布設(shè)的鉆孔數(shù)量越多，以上圖管棚立面為例，在管棚外擴(kuò)空間的截?cái)嗝嬖O(shè)置40 個(gè)鉆孔，每個(gè)相鄰鋼管的圓心距為30 cm；長管棚的仰角經(jīng)過測量儀確定為2°；選定的管棚總長度為93 m，且相鄰兩個(gè)管棚之間的重合長度要大于2 m。

2.2 導(dǎo)向墻施作

在導(dǎo)向墻施工作業(yè)前，應(yīng)該在距離設(shè)置導(dǎo)向墻10 m 處堆砌注漿砌片石，起到支撐導(dǎo)向墻的作用，并在砌片石拱外角附加外填巖體。在設(shè)計(jì)導(dǎo)向墻之前，利用測距儀確定長管棚與導(dǎo)向墻的距離，以保證導(dǎo)向墻的開挖線與隧道洞口在一條直線上；其次按照施工要求沿隧道洞口方向架設(shè)導(dǎo)向墻的底座和拱架，最后沿拱架環(huán)圈順時(shí)針每隔5 m 布設(shè)一個(gè)直徑為3 m 的孔口套管，并用鋼管交叉固定于拱架上，完成導(dǎo)向墻的施作。

2.3 鋼管制作

鋼管的作用是便于水泥漿注入到隧道圍巖中。為保證鋼管的順利送入，將鋼管的前端打磨成錐形，同時(shí)利用焊接工具將不同長度的鋼管進(jìn)行焊接，焊接時(shí)應(yīng)該保證在接頭位置焊接不少于3 次，確保接頭牢固。鋼管材質(zhì)選用規(guī)格為Φ40 mm 的鋼花管，在隧道洞口段120°范圍內(nèi)均勻布設(shè)，相鄰兩根鋼管的管心距為40 m。在兩根鋼花管的間隙處布置無孔管，主要負(fù)責(zé)檢查鋼管注漿質(zhì)量，無孔管與隧道洞口截?cái)嗝嬷g的夾角為2°。另外，為避免出現(xiàn)注漿時(shí)漿液溢出或者倒流的情況，每根鋼管底部設(shè)有由2 cm 鋼板制成的止?jié){板，中間焊有1.5 cm 長Φ25 鋼管以便安裝止?jié){閥，以備注漿時(shí)用。

2.4 主要設(shè)備選型

考慮到工程地質(zhì)條件以及實(shí)際施工情況，施工作業(yè)過程中的主要機(jī)械設(shè)備包括泥漿泵、鉆機(jī)、攪拌機(jī)、電焊機(jī)、挖掘機(jī)以及空壓機(jī)等設(shè)備。現(xiàn)場所需機(jī)械設(shè)備如表1 所示。

表1 施工主要機(jī)械設(shè)備

上表中，泥漿泵采用陶瓷柱塞泵，可高壓泵送泥漿；XY-2PCG 水平鉆機(jī)可高速取芯鉆孔，適用于各種復(fù)雜地質(zhì)；臥式攪拌機(jī)主要用于攪拌泥漿，能夠節(jié)省大量施工時(shí)間；電焊機(jī)用于電焊鋼管及管套，確保導(dǎo)向墻的牢固性；挖掘機(jī)負(fù)責(zé)挖掘場地土料，剝離礦場覆蓋層；空壓機(jī)以壓縮空氣作為主要?jiǎng)恿Γ瑸槭┕すこ烫峁┳銐虻娘L(fēng)量；自制漿液稀釋桶用于稀釋砂漿，使得漿液配比達(dá)到工藝要求。

3 超前大管棚支護(hù)技術(shù)施工流程

基于工程概況及施工條件，在隧道洞口含水段中，采用正臺階，先拱后墻，短掘短砌施工，在隧道洞口處利用長管棚鋪底。大管棚施工工藝流程如圖2 所示。

如上圖所示，在上述施工準(zhǔn)備基礎(chǔ)上，首先為大管棚和導(dǎo)向管搭設(shè)工作平臺，其次利用測量放樣的方式確定導(dǎo)向管的安裝位置，并采用水平鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，按照一定配比配制漿液，最后進(jìn)行管內(nèi)注漿，拆除工作平臺，完成整個(gè)施工過程。超前大管棚支護(hù)技術(shù)施工流程具體如下。

3.1 搭設(shè)鉆機(jī)工作平臺

在鉆機(jī)就位前，采用腳手架和鋼板搭設(shè)工作平臺。首先將鉆機(jī)放置于掌子面上，在掌子面上對鉆機(jī)的孔位進(jìn)行測放并標(biāo)記，之后將掌子面放于腳手架上的鋼板上，將掌子面的標(biāo)記處與鋼板的中心處重合，根據(jù)標(biāo)記的鉆孔位置，參照長管棚的外拱券適時(shí)調(diào)整鋼板的位置，確保鉆機(jī)能夠順利鉆孔。

利用四根直徑為6 cm、長度為15 m 的鋼管對腳手架進(jìn)行支撐，同時(shí)保證鋼管底部進(jìn)入地層的長度至少為5 cm，防止鉆機(jī)鉆孔過程中因鉆機(jī)過重或者人為操作失誤而造成的鉆機(jī)平臺搖晃、倒塌。

施工時(shí)將YG60 鉆機(jī)固定于工作平臺上，根據(jù)孔位標(biāo)記調(diào)整機(jī)器位置，當(dāng)鉆桿軸線與孔位方向一致時(shí)，即可開始鉆孔作業(yè)。

3.2 鉆孔

鉆機(jī)在工作平臺就位后，安裝鉆機(jī)的鉆桿、鉆頭等鉆具，并在正式鉆孔之前應(yīng)該先進(jìn)行空轉(zhuǎn)調(diào)試，檢查鉆頭鉆速是否流暢和符合設(shè)計(jì)要求。鉆桿采用規(guī)格為Φ90 mm 的優(yōu)質(zhì)合金鋼，鉆頭采用Φ127 mm 硬質(zhì)合金的麻花鉆，鉆孔方式為潛孔鉆進(jìn)。配套動力為1 臺GZJB空壓機(jī)，其供風(fēng)量最大為52.3cm3/s，額定壓力為13.8 bar。

施工時(shí)空壓機(jī)放置于隧道洞口和鉆機(jī)平臺水平連接線的中心處，通過空氣壓縮管將自然風(fēng)送至施工掌子面。鉆機(jī)開鉆初期，保持低速低壓，當(dāng)成孔1～2 cm 時(shí)，逐漸提高鉆速和壓力，同時(shí)提高空壓機(jī)供風(fēng)量。

當(dāng)成孔后的排渣出現(xiàn)軟泥或孔內(nèi)滲水時(shí)，則立即停止鉆進(jìn)，并利用木塞對鉆孔進(jìn)行封堵，防止發(fā)生透水事故。

3.3 注漿

由于地下水豐富，所以在配制漿液時(shí)，清水的比例較小，采用水泥∶水玻璃∶清水=1 ∶2 ∶0.5 的雙漿液。

將配制完畢的漿液倒入到稀釋漿液桶中，人工攪拌將其稀釋到適合濃度。將泥漿泵連接到鋼管的注漿閥門上，同時(shí)在泥漿泵底部設(shè)置止?jié){板，防止?jié){液溢出。接下來調(diào)制水玻璃與清水的混合液，并將混合液靜置兩天，使得液體充分混合滿足施工要求。將泥漿泵、漿液、鋼管置于同一水平線上，泥漿泵的進(jìn)漿端緩慢放于調(diào)制好的漿液中，出漿口與鋼管連接，確保兩端連接緊實(shí)后，啟動泥漿泵，將漿液泵送到鋼管中。當(dāng)鋼管中的水壓升到2.0 MPa 且漿液無明顯較少后，停止注漿操作。

3.4 清孔及驗(yàn)孔

注漿完畢待成孔一段時(shí)間后，采用加重鉆頭由下至上反復(fù)清掃孔底，并配合高壓風(fēng)機(jī)清理鉆渣，反方向重復(fù)此操作，避免堵孔。

清孔完成后進(jìn)行驗(yàn)孔操作，允許孔位與設(shè)計(jì)要求之間的最大偏差不超過30 mm，深度偏差不超過20 mm。

4 應(yīng)用效果

在該建設(shè)項(xiàng)目中，超前大管棚支護(hù)技術(shù)的整個(gè)施工過程共持續(xù)了30 d 的時(shí)間。為保證施工的安全性和測試超前大管棚支護(hù)的應(yīng)用效果，對該工程項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控量測。在管棚施工期間沿隧道洞口軸向每隔10 m 的截?cái)嗝孢M(jìn)行地表下沉量觀測，選取的每個(gè)檢測截?cái)嗝鎸挾染笥?0 m。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，在施工監(jiān)測一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，若施工地段地表最大下沉量＜10 mm，則認(rèn)為該施工方案符合此段施工要求。該隧道洞口段地表下沉量監(jiān)測結(jié)果如圖3 所示。

圖3 隧道洞口斷面地表沉降曲線圖

通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，初期管棚支護(hù)后10 d，監(jiān)測段地表快速沉降，到達(dá)15 d 時(shí)，地表下沉進(jìn)入穩(wěn)定階段，下沉速率逐漸趨于穩(wěn)定，維持在2 mm/d 左右。在整個(gè)觀測期間，監(jiān)測地段的地表最大下沉量為8.23 mm，小于15 mm，滿足此段設(shè)計(jì)要求。由此可以證明，將超前大管棚支護(hù)技術(shù)應(yīng)用到隧道洞口施工中，能夠有效約束圍巖變形，保障隧道安全。

5 結(jié)束語

超前大管棚支護(hù)技術(shù)通過鉆孔注漿與長管棚設(shè)計(jì)構(gòu)成一個(gè)整體的受力結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用在隧道洞口段施工中，可以有效支撐隧道兩側(cè)圍巖，起到加固防塌的作用。通過工程應(yīng)用可以看出，超前大管棚支護(hù)技術(shù)可有效控制地表下沉和圍巖變形，對于類似工程具有借鑒價(jià)值。