公路隧道洞內(nèi)掌子面管棚支護(hù)技術(shù)

摘 要：為了解決隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖自穩(wěn)性差的情況下，洞內(nèi)掌子面發(fā)生冒頂破壞等問(wèn)題，本文以云南曼賽隧道工程為研究對(duì)象，建立開(kāi)挖條件下掌子面的穩(wěn)定性分析模型，確定隧洞掌子面失穩(wěn)的最大滑移面起止點(diǎn)水平長(zhǎng)度，總結(jié)分析在圍巖地質(zhì)條件較差的情況下，洞內(nèi)超前管棚支護(hù)的施工與處理方法以及管棚受力及作用范圍，結(jié)果表明，超前預(yù)支護(hù)技術(shù)可以在隧道掘進(jìn)施工過(guò)程中起到強(qiáng)有力的棚護(hù)作用，保障隧道安全施工，研究成果可為同類(lèi)工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道；掌子面；超前管棚；管棚受力；分析模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

云南省曼賽隧道位于元蔓高速公路，全長(zhǎng)1495m，進(jìn)口端明洞長(zhǎng)為9m，距離紅河縣城15km，出口端明洞長(zhǎng)為10m，距離紅河縣城20km，全長(zhǎng)1640m，進(jìn)出口端明洞長(zhǎng)分別為44m和28m。隧道洞身采用Ⅴ級(jí)圍巖三臺(tái)階預(yù)留核心土開(kāi)挖，Ⅳ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖。

隧道穿越區(qū)地層主要為元古界哀牢山群鳳港組片麻巖。地貌為低山峽谷，入口段坡面較陡，坡度約35°～50°，受地表水侵蝕，形成“V”形沖溝，沖溝內(nèi)無(wú)水體，部分陡坡有基巖露出。出口段較為平緩，坡度約為10°～35°，地形起伏大，低洼地帶第四系覆蓋層厚度為3～6m。山頂段地形平坦，覆蓋層為1～2m的碎石土。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露結(jié)果，施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面揭露圍巖以灰黑色強(qiáng)風(fēng)化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，在開(kāi)挖過(guò)程中拱頂易掉塊、坍塌，兩側(cè)易失穩(wěn)，尤其靠中線(xiàn)一側(cè)變形量大，前期施工時(shí)出現(xiàn)較多的侵供、坍塌現(xiàn)象，局部圍巖用鎬可挖，在浸水后手捏易碎，完整程度為破碎，出水量增加，出現(xiàn)線(xiàn)狀流水，開(kāi)挖出來(lái)的洞渣呈流塑狀。

2 掌子面穩(wěn)定性分析及塌方情況

2.1 掌子面塌方情況

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)圍巖情況：以灰黑色強(qiáng)風(fēng)化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整程度為破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，在開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)少量滴水滲水現(xiàn)象，整體來(lái)看，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，綜合判定圍巖級(jí)別為V級(jí)。

當(dāng)隧道左洞開(kāi)挖至洞口545m時(shí)，掌子面揭露圍巖以灰黑色強(qiáng)風(fēng)化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，在開(kāi)挖過(guò)程中拱頂易掉塊、坍塌，兩側(cè)易失穩(wěn)，尤其靠中線(xiàn)一側(cè)變形量大。在施工現(xiàn)場(chǎng)采用超前小導(dǎo)管注水泥漿多次加固處理，當(dāng)重開(kāi)掌子面時(shí)，再次出現(xiàn)新的塌方，考慮已經(jīng)進(jìn)行注漿加固處理，可能塌方量不大，因此計(jì)劃強(qiáng)行清碴，但施工現(xiàn)場(chǎng)情況為清理多少，塌落多少，坍方腳始終徘徊在至洞口538m處。同時(shí)出現(xiàn)水量增加現(xiàn)象，塌落長(zhǎng)度距掌子面約9m，由于拱架后方圍巖液化流出，因此圍巖無(wú)法提供自穩(wěn)能力，距洞口545～536m處段鋼架?chē)婂^在土壓力的作用下變形損壞，塌方體完全堵塞隧道斷面直至仰拱。

2.2 掌子面穩(wěn)定性分析模型

將隧道工作面的破壞模式簡(jiǎn)化為一個(gè)上部為截?cái)鄼E圓柱體破壞區(qū)，下部為左右兩側(cè)對(duì)數(shù)螺旋形滑移面相交的模型，如圖1所示。

通過(guò)平面簡(jiǎn)化計(jì)算模型可知，當(dāng)隧道工作面崩塌時(shí)，破裂面通常呈對(duì)數(shù)螺旋滑移破壞，破裂面方程如公式（1）所示。

式中：r0為螺旋線(xiàn)初始半徑；φ為r0與水平地面夾角為圍巖內(nèi)摩擦角；θ為r0與隧道薄層中心的夾角。利用豎向條分法，將滑動(dòng)土體分割為若干豎向薄層，視薄層為剛體，計(jì)算薄層上的力對(duì)滑弧中心產(chǎn)生的力矩。其計(jì)算過(guò)程如公式（2）、公式（3）所示。

式中：θh為r0與rh的夾角，表示破裂面方程中圓心角，其中，rh為滑裂面終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半徑；Lb為下側(cè)對(duì)數(shù)螺旋滑移面起點(diǎn)與終點(diǎn)的水平距離，h為破裂面起始點(diǎn)到隧道頂部的垂直距離；H為隧道工作面形狀近似為矩形高度。

由于破裂面方程中圓心角θh不得超過(guò)90°-φ，因此聯(lián)立公式（2）、公式（3）可以得出結(jié)論：不同的內(nèi)摩擦角φ以及隧道洞徑將會(huì)得到不同的適用于當(dāng)前模型的最大滑移面起止點(diǎn)水平長(zhǎng)度Lbmax、最大滑移面起始點(diǎn)與隧道頂部垂直距離hmax。如公式（4）、公式（5）所示。

式中：D為隧道洞徑。本工程隧道洞徑12.74m，內(nèi)摩擦角30°，因此，根據(jù)公式（4）、公式（5）求得曼賽隧道掌子最大滑移面起止點(diǎn)水平長(zhǎng)度與施工現(xiàn)場(chǎng)塌落影響范圍較一致。

3 管棚受力及作用分析

3.1 管棚受力荷載

通常采用普氏理論對(duì)管棚受力進(jìn)行分析，即圍巖相互作用的拱效應(yīng)，在黏性松散地層進(jìn)行洞室開(kāi)挖的過(guò)程中，洞室上部會(huì)形成拱形狀[1]，如圖2所示。

基于普氏理論可知，當(dāng)隧道進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，其所承受的圍巖壓力即為隧洞開(kāi)挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量。因此需要在考慮巖體堅(jiān)固系數(shù)f的前提下，對(duì)拱體形狀進(jìn)行分析，如公式（6）所示。

ht=bt /f" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：f為巖體堅(jiān)固系數(shù)，依據(jù)規(guī)范中等堅(jiān)硬巖石，巖體堅(jiān)固系數(shù)取值為4～6[2]，因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖實(shí)際情況，該隧道圍巖堅(jiān)固系數(shù)取4.5；ht為洞室上部拱體高度，m；bt 為拱體半跨度，m，其計(jì)算過(guò)程如公式（7）所示。

bt =b+Ht tan（45°-φ0/2）" " " " " " " " " " " " （7）

式中：b為洞室的跨度的一半，6.37m；Ht 為洞室高度，10.29m。因此，基于公式（7）可求得隧洞開(kāi)挖形成的拱體半跨度bt為12.13m。將其帶入公式（6）中，可求得隧洞開(kāi)挖形成的拱體高度ht為2.7m。圍巖豎向壓力的計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示。

q=γht" " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：γ為巖體重度，取27kN/m3。因此，可求得隧洞開(kāi)挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量為72.9kPa，即隧道開(kāi)挖后其上部所承受的壓力。

3.2 管棚作用分析

一般情況下，管棚施工均沿著隧道拱部圓弧段均勻布置，既橫向作用范圍，其模型示意圖如圖3所示[3-4]。

對(duì)任意一根管棚進(jìn)行支撐作用強(qiáng)度受力分析，可得公式（9）、公式（10）。

bi = δ cosa" " " " " " " " " " " " " " （9）

δ =2Rsinθ/2" " " " " " " " " " " " " " "（10）

式中：bi為第i根管棚上方作用巖體等效厚度，m；R為管棚支護(hù)半徑，6.2m；θ為兩管棚夾角，5.3°；α為總下方管棚與垂直方向夾角，根據(jù)設(shè)計(jì)資料取值約為 82°；δ為距離系數(shù)，通過(guò)計(jì)算可得 δ =5.83m，同時(shí)，第i根管棚上方作用巖體等效厚度bi為0.81m。

在實(shí)際施工過(guò)程中，每根鋼管的埋深變化相對(duì)不大，因此，可認(rèn)為管棚縱向承載力分布均勻，則第i根鋼管的支撐作用強(qiáng)度如公式（11）所示。

qi（x）= sinθγtbi" " " " " " " " "（11）

式中：γt為作用在管棚范圍內(nèi)巖土體重度，27kN/m3?；诠剑?1），可求得第i根鋼管的支撐作用強(qiáng)度為1.97kPa。因此，為保證管棚起到支護(hù)作用，管棚的支撐強(qiáng)度總和應(yīng)大于上部巖土體荷載72.9kPa，即確定管棚數(shù)量應(yīng)大于37根，結(jié)合實(shí)際情況，確定管棚數(shù)量為37根。

4 處理方法

4.1 引排水

至洞口545m處，埋深約90m，地表處于山谷溝箐，存在長(zhǎng)流水，且因耕種需要，當(dāng)?shù)卮迕駠鷫纬Ｄ晷钏?，為預(yù)防突水災(zāi)害發(fā)生，開(kāi)始拆除壩體，排放隧道頂上積水，疏通水系。在洞口533m處右側(cè)，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)出水點(diǎn)的情況，在滲水量較大的地方布設(shè)?42mm注漿小導(dǎo)管作為引排水導(dǎo)管，但效果不佳，僅有一根集中排水。滲水位置主要為掌子面拱頂右側(cè)至后退3m范圍內(nèi)，因此采用彩條布順勢(shì)鋪設(shè)，防止浸泡掌子面塌方，并順流引至已澆筑仰拱處，從邊溝沿隧道縱向排出。

4.2 施工平臺(tái)搭建

為保證管棚施工空間及施工安全，在施工管棚前清理距洞口532～540m處坍方體，清理完成后及時(shí)封閉開(kāi)挖面，抓緊時(shí)間更換距洞口534～540m處10榀拱架，拱架在前期開(kāi)挖半徑的基礎(chǔ)上在增加0.5m，增加拱架半徑，為管棚施工提供空間，在更換完拱架后，及時(shí)從洞外運(yùn)土反壓回填掌子面，并預(yù)留排水管，泵送管，按三臺(tái)階留置，并將其作為施工管棚工作平臺(tái)，最下臺(tái)采用人工袋裝土堆碼護(hù)腳以抵抗回填空腔時(shí)混凝土壓力。

4.3 反壓回填掌子面

在泵送C20混凝土回填空腔后，結(jié)合管棚通常制造長(zhǎng)度及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，選取管徑為108mm，長(zhǎng)度為25m的管棚，從塌方后方拱架損壞處開(kāi)始施作，施作仰角3.5°，在拱頂斷面160°范圍內(nèi)設(shè)37根，具體位置為距洞口538～562m處。

從洞外運(yùn)土反壓回填掌子面，預(yù)留排水管，泵送管，按三臺(tái)階留置，并將其作為施工管棚工作平臺(tái)，最下臺(tái)采用袋裝土護(hù)腳反壓，抵抗回填空腔時(shí)混凝土壓力。由于塌方體出水量較大，因此加強(qiáng)引排水，防止?jié)B水浸泡兩側(cè)邊墻初支。采用厚度不小于60cm的片石墊層回填土底層，提高回填土濾水性。

4.4 管棚施作工藝

采用?108（厚6mm）熱扎無(wú)縫鋼管，在坍方體上開(kāi)孔，由于塌方體已全部堵塞掌子面上方，有些必須穿過(guò)塌積體，因此無(wú)法待整根成孔下管，只能采用長(zhǎng)2m公母絲+接頭跟管鉆進(jìn)，為保證注漿效果，全都采用鋼花管，鉆機(jī)采用履帶式潛孔鉆機(jī)。在距洞口538～562m處施作管棚，管棚長(zhǎng)度為25m，間距約為40cm、鉆孔仰角3.5°，如圖4所示。

4.5 鉆孔與跟管

由于塌方體已全部堵塞掌子面上方，有些必須穿過(guò)塌積體，因此無(wú)法待整根成孔下管，只能采用2m長(zhǎng)公母絲+接頭跟管鉆進(jìn)，為保證注漿效果，全都采用鋼花管，鉆機(jī)采用履帶式潛孔鉆機(jī)。管棚方向與隧洞中線(xiàn)近似平行，鋼管施工過(guò)程中徑向誤差小于15cm。隧道縱向鋼管接頭數(shù)應(yīng)小于50%，相鄰鋼管的接頭錯(cuò)開(kāi)距離應(yīng)不小于1m。采用絲扣和焊接相結(jié)合的連接方法。鋼管節(jié)段間用絲扣連接，當(dāng)頂進(jìn)時(shí)，采用長(zhǎng)2m的管節(jié)交替使用，以保證隧道縱向同一斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50％，管壁上鉆注漿孔，采用速凝水泥等材料堵塞間隙。

4.6 注漿

采用水泥水玻璃漿液注漿，按管棚施鉆過(guò)程及順序進(jìn)行注漿，因此，單孔注漿量的計(jì)算過(guò)程如公式（12）所示。

Q=πrs2Ls+πRs2LsgsasBs" " " " " " " " " " " " " " （12）

式中：rs為鋼管半徑；Ls為鋼管長(zhǎng)度；Rs為漿液擴(kuò)散半徑；gs為地層孔隙率；as為漿液有效充填率；Bs為漿液損耗系數(shù)。鋼管節(jié)段間用絲扣連接，頂進(jìn)時(shí)2m長(zhǎng)的管節(jié)交替使用，保證隧道縱向相同斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50％，管壁上鉆注漿孔。

4.7 拆除導(dǎo)向拱架

由于導(dǎo)向拱架均已加大處理，能滿(mǎn)足二襯厚度施工，因此在管棚施工完成后，不需要拆除，可以將其作為永久性拱架使用。

4.8 回填空腔混凝土

在管棚注漿完成后，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，須及時(shí)通過(guò)預(yù)埋注漿管針對(duì)掌子面前方的空腔進(jìn)行回填，采用C20泵送混凝土進(jìn)行回填，具體回填數(shù)量以施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)量為準(zhǔn)。

4.9 清除坍方體及施工平臺(tái)

在完成管棚等施工后，須及時(shí)清理坍方體及填筑施工平臺(tái)的回填料，在清理過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，需要分3次完成清理。

4.10 施工監(jiān)控量測(cè)

在隧道管棚施工及換拱等工序中，監(jiān)控量測(cè)要求每隔2m布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)同一隧道斷面的上、中、下部位來(lái)說(shuō)，須設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)用來(lái)圍巖收斂量測(cè)。在拱頂部位，需要設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，每天早、中、晚各測(cè)量一次。

5 結(jié)論

本文以云南曼賽隧道工程施為研究對(duì)象，分析了在圍巖地質(zhì)條件較差的情況下，洞內(nèi)超前管棚支護(hù)的施工與處理方法，通過(guò)分析管棚受力及作用范圍，得出以下結(jié)論。1）當(dāng)分析隧道掌子面穩(wěn)定性時(shí)，將隧道工作面的破壞模式簡(jiǎn)化為一個(gè)上部截?cái)鄼E圓柱體破壞區(qū)，下部左右兩側(cè)對(duì)數(shù)螺旋形滑移面相交的模型是合理的。2） 通過(guò)分析任意一根鋼管的支撐作用強(qiáng)度，結(jié)合隧洞開(kāi)挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量及實(shí)際情況，確定管棚數(shù)量宜為37根。3） 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)可以為隧道掘進(jìn)施工提供強(qiáng)有力的棚護(hù)作用，有利于控制圍巖的變形，進(jìn)而保障隧道安全施工及保證隧道工程開(kāi)挖工作面穩(wěn)定。

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