管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)及其在地鐵區(qū)間隧道工程中的應(yīng)用

孫勝賢

(中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京）

在隧道工程中，管棚預(yù)支護(hù)是一種常用的輔助技術(shù)，可以發(fā)揮穩(wěn)定掌子面、保護(hù)地下管線(xiàn)、控制圍巖變形等功能，對(duì)保護(hù)隧道內(nèi)施工人員的安全也有積極幫助。在地鐵區(qū)間隧道工程中應(yīng)用管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)時(shí)，要結(jié)合地質(zhì)條件和工程建設(shè)要求，合理設(shè)計(jì)管棚的各項(xiàng)參數(shù)；在管棚施工中，重點(diǎn)加強(qiáng)鉆孔、插管、注漿等環(huán)節(jié)的技術(shù)管控。通過(guò)樹(shù)立精細(xì)化的施工管理理念，充分發(fā)揮管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，保證管棚預(yù)支護(hù)效果達(dá)到預(yù)期，為下一步隧道開(kāi)挖作業(yè)創(chuàng)造安全環(huán)境。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道全長(zhǎng)1 118.5 m，暗挖段720.8 m，其余為明挖段。地質(zhì)勘察結(jié)果表明，該地區(qū)地面標(biāo)高388.6 m～393.4 m，較為平整；地層自上而下共分為5 層，分別是雜填土（0.3～4.6 m）、新黃土（5.1～11.5 m）、粉質(zhì)粘土（0.7～3.6 m）、粉土（0.2～1.3 m）、砂土（0.6～8.2 m）。地下水位埋深11.6 m，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性較弱。施工斷面圍巖為IV 級(jí)，穩(wěn)定性較差。局部有濕陷性土層，主要分布在地表以下10 m內(nèi)，按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB50025-2018)中規(guī)定，區(qū)間內(nèi)地基濕陷等級(jí)以II 級(jí)（中等）為主，局部為III 級(jí)（嚴(yán)重）。

結(jié)合地鐵區(qū)間隧道工程的水文地質(zhì)情況，在施工中需要采取必要支護(hù)措施。

2 管棚各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 鋼管型號(hào)

管棚預(yù)支護(hù)體系由鋼管和鋼桁架組成的支撐體系，鋼管的選型直接決定了支護(hù)效果。本工程中使用熱軋無(wú)縫鋼管，外徑為110 mm，壁厚5 mm，每節(jié)長(zhǎng)度4 m。鋼管的端口設(shè)計(jì)成“V”形，方便對(duì)焊連接。考慮到后期需要采用注漿方式加固隧道兩側(cè)圍巖，因此在設(shè)計(jì)鋼管時(shí)需要在上部鉆出2～3 個(gè)孔徑為12 mm的注漿孔，相鄰2 個(gè)孔的距離為15 cm。鋼管的下部50 mm 為止?jié){段，不設(shè)鉆孔。

2.2 環(huán)向間距

管棚中鋼管的環(huán)向間距也是決定支撐效果的重要指標(biāo)，理論上環(huán)向間距越小、鋼管布置越密集，起到的支撐效果越理想。但是在實(shí)際施工中還必須考慮作業(yè)空間、施工成本等因素，通常將環(huán)向間距設(shè)定為鋼管直徑的2～3 倍。除此之外，還要考慮隧道深度、圍巖強(qiáng)度等方面的影響，例如淺埋隧道、圍巖較為完整的情況下，可適當(dāng)增加鋼管的環(huán)向間距，在保證安全的前提下降低成本；相反，深埋隧道、圍巖破碎的情況下，要減小環(huán)向間距，保證掌子面穩(wěn)定、防止圍巖變形[1]。本工程中鋼管環(huán)向間距設(shè)定為200 mm。研究表明，當(dāng)管棚預(yù)支護(hù)體系中鋼管環(huán)向間距縮小到一定值時(shí)，相鄰2 根管棚的主壓應(yīng)力相互影響并形成“壓力拱”，拱腳位于鋼管上，如圖1 所示。

圖1 管棚土拱效應(yīng)示意

式中：l 表示相鄰2 根管棚鋼管的圓形間距；h 表示拱高。在上述兩種力的作用下，拱頂和拱腳部位的應(yīng)力較為集中，更容易發(fā)生破壞。這里以跨中拱頂截面為例，選取圖1 中的F 點(diǎn)作為控制點(diǎn)，則該點(diǎn)所受應(yīng)力可表示為：

式中：d 表示管棚鋼管的直徑。此時(shí)管棚的最大容許間距（lmax）可根據(jù)下式求得：

式中：d 表示鋼管直徑；c 表示巖土粘聚力；φ 表示土體摩擦角；μ表示土體與管棚之間的摩擦系數(shù)；α表示圓弧的圓心角。

2.3 鋼管仰角

受到摩擦阻力、自身重力等因素的影響，在管棚預(yù)支護(hù)施工中鋼管會(huì)出現(xiàn)一定程度的向下彎曲。這種情況下，如果鋼管仰角太小會(huì)導(dǎo)致末端插入開(kāi)挖區(qū)域，掘進(jìn)設(shè)備與鋼管接觸、碰撞，影響管棚預(yù)支護(hù)的穩(wěn)定性；如果鋼管仰角太大會(huì)導(dǎo)致圍巖土體受到擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)破碎的圍巖出現(xiàn)坍塌，嚴(yán)重影響施工安全[2]。因此，在設(shè)計(jì)管棚參數(shù)時(shí)，要充分考慮巖土結(jié)構(gòu)、管材性質(zhì)、鉆進(jìn)方式等多方面因素，合理確定鋼管仰角。本工程中將鋼管仰角設(shè)計(jì)為2°～3°，方向與路線(xiàn)中線(xiàn)平行。

2.4 注漿參數(shù)

從地質(zhì)勘察結(jié)果來(lái)看，本工程部分圍巖破碎情況嚴(yán)重。為了提高圍巖的穩(wěn)定性，在管棚預(yù)支護(hù)過(guò)程中采取了注漿工藝。將中空鋼管插入圍巖后，對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)注漿。發(fā)揮漿液的填充、擠密作用使原本松散、破碎的圍巖重新粘聚成具有較高強(qiáng)度的整體，從而優(yōu)化掘進(jìn)條件，保證隧道開(kāi)挖作業(yè)的安全。另外，注入的漿液通過(guò)封堵圍巖縫隙，還能形成止水帷幕，對(duì)解決地下水或地表水的滲透也有一定作用[3]。在設(shè)計(jì)管棚預(yù)支護(hù)方案時(shí)，合理確定注漿參數(shù)至關(guān)重要。在注漿材料的選擇上，本工程中使用1:1 水泥水玻璃雙漿液。漿液在圍巖縫隙中的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散范圍與注漿壓力有直接關(guān)系，本工程中將注漿壓力設(shè)定為1.2～1.5 MPa。注漿量方面，單根鋼管的注漿量（Q）計(jì)算公式為：

式中：R 表示漿液在圍巖中的擴(kuò)散半徑；r 表示鋼管半徑；L 表示鋼管的長(zhǎng)度；η表示圍巖孔隙率；α表示漿液的有效填充料，這里取1；β表示漿液的損耗系數(shù)，這里取1。

3 管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

本工程中隧道管棚預(yù)支護(hù)采用“鉆孔法”施工，施工流程如圖2 所示。

圖2 管棚預(yù)支護(hù)流程

3.1 施工準(zhǔn)備

管棚預(yù)支護(hù)準(zhǔn)備階段的內(nèi)容有：

（1） 確定支護(hù)參數(shù)，根據(jù)前文分析，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 管棚參數(shù)

（2） 搭建作業(yè)平臺(tái)。在隧道內(nèi)布置管棚時(shí)，需要在隧道頂板、兩側(cè)圍巖上鉆孔。為方便鉆孔作業(yè)和滿(mǎn)足鉆機(jī)操作需要，需要搭建可移動(dòng)工作平臺(tái)。將鉆機(jī)放到該平臺(tái)上，通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)在指定位置進(jìn)行鉆孔。

（3） 測(cè)量定位。根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線(xiàn)，標(biāo)記出隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)，并以輪廓線(xiàn)為基準(zhǔn)，向外量出20 cm 標(biāo)記處鉆孔的位置，作為下一步鉆孔的參照[4]。

3.2 鉆孔

將鉆機(jī)移動(dòng)到指定位置后，施工人員調(diào)整鉆機(jī)的高度，讓鉆頭、鉆桿以及孔位在一條直線(xiàn)上。設(shè)定鉆機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆機(jī)壓力等，設(shè)定完畢后啟動(dòng)鉆機(jī)開(kāi)始鉆進(jìn)。在初始鉆進(jìn)時(shí)選擇低檔勻速鉆進(jìn)，在達(dá)到一定深度后調(diào)整為沖擊式鉆進(jìn)，避免發(fā)生鉆頭卡住等問(wèn)題。在鉆孔期間，施工人員密切關(guān)注鉆桿角度變化，測(cè)量鉆孔的角度，發(fā)現(xiàn)偏移后立刻進(jìn)行糾偏。為保證管棚預(yù)支護(hù)效果，在鉆孔時(shí)嚴(yán)禁出現(xiàn)超鉆或欠鉆的情況，實(shí)際深度與設(shè)計(jì)深度之間的誤差控制在±5 cm 以?xún)?nèi)。鉆至設(shè)計(jì)深度后，將鉆頭提出，并檢查成孔情況?？咨?、孔斜率符合要求，孔壁無(wú)開(kāi)裂等問(wèn)題后進(jìn)行清孔，孔斜率超出規(guī)定或孔壁有嚴(yán)重裂縫的，一律視為廢孔。對(duì)于符合要求的，采用泥漿置換法將孔底的碎石等雜物清理干凈，孔底沉積物的厚度不得超過(guò)10 cm。

3.3 下管

本工程中所用鋼管由附近的加工廠(chǎng)預(yù)制，用自卸汽車(chē)將鋼管運(yùn)輸?shù)剿淼朗┕がF(xiàn)場(chǎng)，質(zhì)檢人員采用抽樣檢測(cè)方式檢查鋼管質(zhì)量，抽樣數(shù)量不得少于總數(shù)的5%。管棚鋼管不得有銹蝕、裂紋等質(zhì)量問(wèn)題，有輕微彎曲的需要調(diào)直后方可使用。抽檢樣品的合格率在95%以上說(shuō)明本批次鋼管可以使用[5]。施工人員將鉆孔和鋼管進(jìn)行編號(hào)、配管。奇數(shù)孔內(nèi)插入正常的鋼管，偶數(shù)孔內(nèi)插入2.5 m 短鋼管，確保同一斷面上鋼管接頭數(shù)不超過(guò)50%。在插管時(shí)，要求及時(shí)、快速插入，若存在插管阻力較大的情況，可借助于鉆機(jī)頂進(jìn)。上下兩節(jié)鋼管的連接處，加入內(nèi)襯套并進(jìn)行滿(mǎn)焊連接，避免連接處發(fā)生滲漏，內(nèi)襯管長(zhǎng)度為180 mm，連接方式如圖3 所示。

圖3 管棚節(jié)間連接示意

將管棚鋼管與帶有連接注漿管的鋼板進(jìn)行焊接，要求焊接部位必須焊透，不得留有焊縫。管棚鋼管與鉆孔的環(huán)形空間內(nèi)填入混凝土料，封堵嚴(yán)密后在管口噴射10 cm 混凝土并抹平。

3.4 注漿

在完成鋼管頂進(jìn)與封口后，開(kāi)始注漿作業(yè)。為提高注漿加固效果，注漿前要安排人員再次檢查注漿孔、注漿泵和壓力表，確定一切正常后連接注漿管。本工程在布置注漿管時(shí)，在管口處增設(shè)了一處閥門(mén)，在單孔注漿完畢后首先關(guān)閉閥門(mén)，然后關(guān)停注漿泵，可避免漿液回流，提高了注漿加固效果，如圖4 所示。

圖4 管棚注漿接口示意

首先向注漿泵中加入少量清水，一方面是檢查注漿管是否暢通以及有無(wú)滲漏問(wèn)題，如果有局部滲漏要及時(shí)處理；另一方面是起到濕潤(rùn)管道的作用，可以避免漿液在管壁上粘滯、殘留，提高注漿效率。完成壓水試驗(yàn)后，設(shè)定注漿壓力為1.2 MPa，將水泥水玻璃雙漿液裝入注漿泵中，啟動(dòng)機(jī)器開(kāi)始注漿。要求單孔必須一次性注漿完成，中間不得停泵，防止?jié){液凝結(jié)或沉淀導(dǎo)致管路堵塞。在注漿順序上，要堅(jiān)持“由低到高、從無(wú)水到有水”的順序，避免地下水稀釋漿液，有利于提升漿液對(duì)圍巖裂縫的充填效果。如果注漿施工中遇到地層漏水量較大的情況，現(xiàn)場(chǎng)施工人員要及時(shí)布置排水孔，排出多余積水，保證注漿加固效果。

結(jié)束語(yǔ)

在地鐵區(qū)間隧道工程建設(shè)中，如果地質(zhì)勘察結(jié)果表明該區(qū)域圍巖破碎，在開(kāi)挖后圍巖發(fā)生變形，臨空面有一定概率出現(xiàn)坍塌，不僅影響施工進(jìn)度，而且會(huì)危及隧道內(nèi)施工人員的安全。管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)采用架設(shè)鋼管與鋼桁架以及向圍巖內(nèi)注射漿液的方式，切實(shí)提高了掌子面的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了圍巖的抗壓強(qiáng)度，在這種環(huán)境下進(jìn)行隧洞開(kāi)挖，能夠兼顧施工安全和施工效率，切實(shí)提高了施工單位的綜合效益。