管棚支護在隧道塌方冒頂處治中的應用

摘要：以安徽省境內(nèi)某隧道工程項目為背景，針對隧道施工中遇到的塌方冒頂問題，從地質條件及氣候條件的角度分析其成因，并提出了以管棚支護加固為核心的處治對策。通過選用超前大管棚穿越塌方體，利用管棚注漿加固技術提升圍巖等級，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載。同時，在坍塌段進行了初期支護的加固補強，并采用了三臺階開挖工法。結合現(xiàn)場圍巖含水率監(jiān)測和施工監(jiān)控量測等數(shù)據(jù)成功穿越復雜地質區(qū)域。后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，拱頂下沉和拱腰周邊位移的最大變化速率分別為0.7 mm/d，0.9 mm/d，累計位移值分別為7.6 mm，8.2 mm。管棚支護措施有效地控制了圍巖的變形，并為開挖作業(yè)提供穩(wěn)定支撐，從而保障了施工的安全性。本研究成果可為類似工程項目提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：隧道工程；管棚支護；塌方冒頂；施工技術

中圖分類號：U455.49"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：2096-2118（2024）06-0088-05

Application of Pipe Shed Support in the Treatment

of Tunnel Collapse and Roof Fall

LIU Jianwen，SUN Long

（No.1 Engineering Co.，Ltd. of CCCC First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 102205，China）

Abstract：Taking a tunnel project in Anhui Province as the background，aiming at the problem of collapse and roof fall encountered in tunnel construction，this paper analyzes its causes from the perspective of geological conditions and climatic conditions，and puts forward the treatment countermeasures with pipe shed support reinforcement as the core.By selecting advanced large pipe shed to pass through the collapsed body，the pipe shed grouting reinforcement technology is used to improve the surrounding rock grade and form a reinforcement circle to ensure that the reinforcement area of the collapsed roof can withstand the load of the surrounding rock at the top.At the same time，the initial support was reinforced in the collapsed section，and the three-step excavation method was adopted.Combined with the data of on-site surrounding rock moisture content monitoring and construction monitoring measurement，it successfully crosses the complex geological area.The later monitoring and measurement data show that the maximum change rates of the vault subsidence and the displacement around the arch waist are 0.7 mm/d and 0.9 mm/d，respectively， and the cumulative displacement values are 7.6 mm and 8.2 mm，respectively.The pipe shed support measures effectively control the deformation of surrounding rock and provide stable support for excavation，thus ensuring the safety of construction.The research results can provide useful reference for similar projects.

Keywords：tunnel engineering；pipe shed support；collapse and roof fall；construction technique

1 概況

作為現(xiàn)代交通基礎設施中不可或缺的一環(huán)，隧道建設始終處于技術和方法方面的不斷研究與創(chuàng)新之中。在某些地質條件復雜、圍巖穩(wěn)定性不足的地區(qū)，例如存在柔性破碎層、淺埋地下和水位較高等環(huán)境時，隧道施工面臨著巨大的困難與挑戰(zhàn)。在這樣的環(huán)境中，圍巖的自我承載能力通常無法確保施工過程的安全性，挖掘作業(yè)中經(jīng)常會出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)蕊L險事件。施工活動對圍巖產(chǎn)生干擾會導致其狀態(tài)不斷持續(xù)惡化，這不僅增加了后續(xù)處理的難度，也對施工的安全性和進度造成了不利影響，從而對隧道整體質量和長期運營穩(wěn)定性構成威脅[1-2]。

作為一種先進的預支護方法，管棚超前支護在隧道施工中得到了廣泛應用。由于其較長的支護間距和優(yōu)越的施工安全性，以及配合較快的施工進度和較短的工期，該技術已成為應對復雜地質條件下隧道施工挑戰(zhàn)的重要手段。國內(nèi)外的學者針對管棚超前支護系統(tǒng)做了大量的理論與實驗研究，并在多種復雜工程環(huán)境下驗證了管棚支護的有效性。部分學者在進行管棚支護的理論研究時，重點考慮了軟弱圍巖施工環(huán)境下管棚所具有的棚架效應，并根據(jù)管棚直徑進行相應分類，詳細探討了管棚加固隧道在開挖時的內(nèi)力變形關系[3]。此外，還有學者運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測手段建立隧道塌方管棚處理的力學模型，以揭示管棚在防護圍巖崩塌和監(jiān)控地層變動方面所具備的多重功能[4]。

考慮淺埋暗挖隧道管棚的特殊受力機制，部分學者建立了多參數(shù)地基梁模型以考慮彈性固定端的特性。研究發(fā)現(xiàn)，在隧道施工過程中，管棚出現(xiàn)了縱向凹槽狀分布特征，并且隨著開挖面持續(xù)推進，管棚的受力和變形顯著增加[5-6]。此外，研究還指出，在進行隧道挖掘但未及時進行初步支撐階段，管棚面臨著最為嚴峻的力學挑戰(zhàn)，因此迅速實施初步支護至關重要[7-8]?；诠芘飶椥曰A梁力學模型，研究人員還進一步分析了初期支護的延時效應，并對Winker彈性基礎梁模型進行了改進，從而構建了適用于管棚的Pasternak彈性基礎梁力學方程。此改良的模型增強了地基變形的連續(xù)性，考慮了剪切系數(shù)，更加符合實際施工情形[9]。研究發(fā)現(xiàn)，在施工階段掌子面上方松動土體所產(chǎn)生荷載能夠通過管棚支護向前傳遞，利用杠桿效應達到控制圍巖變形的目的從而保障開挖的安全性[10]。

盡管如此，隧道施工中仍有可能因地質勘探不準確、開挖方式不當及支護措施不足等因素而引發(fā)塌方事故。這類事故不僅會導致巨大的經(jīng)濟損失，還會嚴重延誤施工進度并危及施工安全。因此，對于塌方原因進行準確分析，并根據(jù)實際情況采取適當?shù)奶幚泶胧╋@得尤為重要。本研究以安徽省境內(nèi)某隧道工程項目為背景，針對塌方冒頂事故，采取了以管棚支護加固為核心的處理方案。通過提高圍巖等級、加固補強坍塌段的初期支護以及采用三臺階開挖工法等措施，有效減少了對圍巖的二次擾動。利用管棚注漿加固技術提升圍巖等級，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載，在復雜地質區(qū)域成功穿越。隨后對隧道斷面進行持續(xù)監(jiān)控量測，數(shù)據(jù)結果顯示圍巖變形量在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，驗證了所采用的管棚支護法在隧道塌方冒頂處理中的有效性。

2 圍巖與管棚支護變形關系

隧道的支撐結構包括了圍巖本身的特性與人工建造的支護構件。對于軟弱圍巖而言，其自我承載能力存在不足，因此，在工程實施過程中需要采用適當?shù)墓こ讨ёo結構來提供必要約束，以減小圍巖可能發(fā)生的大變形，并減輕圍巖受力。圍巖與支護系統(tǒng)在變形上相互約束，在受力上互相支撐，以防止冒頂、塌方及顯著變形等風險的發(fā)生。因此，提前設置的支護措施是確保安全施工的基礎，而初步支護則是支撐體系的核心，后期加固襯砌則提供額外的安全保障。

超前支護的實施能夠有效減少前方破壞的影響，并降低圍巖在大變形階段所面臨的失穩(wěn)風險，確保隧道初步支護的安全施作以及后續(xù)開挖。超前支護在周圍巖土體上發(fā)揮重要作用，對軟弱圍巖的變形控制至關重要，并貫穿整個隧道施工過程。因此，在設計超前支護時，應避免將其視為臨時性措施，而是應通過計算確定其最佳參數(shù)。在外徑為R的環(huán)形塑性區(qū)域內(nèi)，半徑為r的隧道開挖空間，所需施加的支撐力為[11]：

P=-ccotφ+［ccotφ+p（1-sinφ）］

（1）

式（1）中：P為支護體系所能提供的抗壓能力，MPa；p0為圍巖在初始狀態(tài)下所承受的壓力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）；c為黏聚力，MPa。若支撐力未能達到圍巖彈塑性界限所需的臨界支撐力，會引發(fā)顯著的變形：

u=（psinφ+ccosφ）（2）

式（2）中：u是圍巖變形量，MPa；E是圍巖彈性模量，MPa；v是泊松比。

經(jīng)過對地質特征的深入分析，結合相關規(guī)范、工程案例對比及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以準確確定圍巖的最大位移控制值，并與隧道開挖引發(fā)的整體變形量進行對比評估。管棚支護技術作為一種高效的隧道支護手段，其核心機理在于：通過在隧道輪廓線外以小角度插入鋼管，并注漿加固軟弱圍巖，構建一個穩(wěn)固的加固圈。此加固圈顯著提升了地層的物理特性和承載能力，使得圍巖特征曲線向上移動，從而在常規(guī)支護生效前即能控制地層變形。因此，管棚支護不僅增強了隧道結構的支援強度，提升了圍巖的承載能力與穩(wěn)定性，還在隧道塌方或冒頂?shù)暮笃谥卫碇邪l(fā)揮了至關重要的作用，確保了開挖和支護作業(yè)的安全。軟弱圍巖的特征曲線為管棚支護設計的參數(shù)選取提供關鍵依據(jù)，通過優(yōu)化管棚參數(shù)，如鋼管直徑、配置間距、長度、打入仰角、水平搭接長度、導向墻結構、開孔方法及注漿參數(shù)等，有效降低了圍巖特征線與支護線交叉點的變形值，并顯著減小了圍巖整體位移，從而降低隧道坍塌和冒頂風險。

3 塌方冒頂處治案例分析

3.1 工程概況

依托隧道工程項目位于安徽境內(nèi)，采用分離式隧道設計方案。隧道右線長度為1 258 m，起點樁號為K88+602，終點樁號為K89+860，最大埋深約為106 m；隧道左線長度為1 241 m，起點樁號為ZK88+622，終點樁號為ZK89+863，最大埋深約為93 m。項目區(qū)屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，季風顯著，四季分明。多年平均氣溫為16.1°C，年平均降雨量1 349.3 mm，主要集中在3月—8月。項目區(qū)地表水系屬巢湖流域，主要河流為西河。地下水主要為風化帶基巖裂隙水，含水性不均。隧道涌水量預測顯示，單向隧洞正常涌水量為741.69 m3/d～1317.35 m3/d。隧址區(qū)地貌單元為沿江丘陵平原地貌，微地貌為低山。地勢總體特征是北西高、南東低，地面標高在60.0 m～150.0 m之間，相對高差約90.0 m。

隧道塌方冒頂處位于ZK89+610～ZK89+590段，長度20 m，原設計為Ⅳ級中風化粗安玢巖地質，但根據(jù)超前地質預報結果和實際揭露情況，該段圍巖級別變更為V級，且?guī)r體更為破碎，3月—4月連續(xù)強降雨導致裂隙水更加發(fā)育。2024年4月16日上午，左洞掌子面ZK89+610上臺階鋼架噴射混凝土施工結束。下午，根據(jù)圍巖級別研究的現(xiàn)場勘察結果決定采用F5b襯砌類型施工。然而，在后續(xù)開挖過程中，掌子面出現(xiàn)局部坍塌。盡管在4月17日采取了噴射混凝土封閉掌子面等措施，但仍然出現(xiàn)連續(xù)坍塌。4月18日，地表完好無異常。因4月19日受連續(xù)暴雨影響，洞頂?shù)乇黹_始出現(xiàn)凹陷并逐步坍塌，最終形成10 m×10 m漏斗型塌坑（見圖1）。本次塌方冒頂事件由地質條件變化及不利氣候條件共同引發(fā)，施工難度大、安全風險高。同時，項目位于生態(tài)敏感區(qū)域，環(huán)保要求高，一旦處理不當可能引發(fā)嚴重的環(huán)境問題。

3.2 塌方冒頂處治

針對塌方冒頂事件，采取了以管棚支護加固為主的處治對策。選用I18鋼復拱+Φ108×6 mm超前大管棚穿越塌方體，利用管棚注漿加固技術提升圍巖等級，形成加固圈，確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載，從而保證隧道開挖施工安全。對坍塌段的初期支護采取加固補強措施。增設7榀I18型鋼復拱，間距80 cm，縱向用Φ22 mm鋼筋連接。選用三臺階開挖工法，并加強支護參數(shù)。通過增設鎖腳錨管等方法以提高拱腳附近圍巖的承載力，控制下沉。同時，根據(jù)現(xiàn)場圍巖含水率、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等指導施工，適當增大預留變形量以適應圍巖的變化。

3.2.1 復拱臨時加固

如圖2所示，從整體來看，每榀鋼復拱由5個構件組成，其中拱頂部分有3個構件，每個部分的長度為3 901 mm；兩側各有一個凹弧，長3 885 mm。為了確保鋼架的精確性與穩(wěn)定性，每個鋼架的兩端裝有連接板，并通過焊接方式以及M27規(guī)格的螺栓進行穩(wěn)固的連接，每端需要4套螺栓和螺母。在安裝鋼架時，必須嚴格按照設計的中線以及水平位置進行，允許的安裝尺寸誤差：橫向和高程均為0～+5 cm，垂直度的誤差為±2°。在水泥地面上進行拼裝測試是完成加工后的必要步驟，周圍的拼接容許誤差為±3 cm，且平面波動應控制在2 cm以內(nèi)。為增強鋼架的穩(wěn)定性，采用Φ22的鋼筋以1 m的環(huán)向間距固定于2榀鋼架之間，并進行牢固焊接；在鋼架底部增設混凝土墊塊或鋼板，以確保其穩(wěn)固地安置在堅實的基礎上。

3.2.2 超前大管棚施工

如圖3～圖4所示，前方的大管棚采用管道施工的方法進行建設，使用的鋼管參數(shù)為熱軋無縫鋼管，直徑為108 mm，壁厚為6 mm，管節(jié)長度分為2 m和4 m，總共使用了39根。管距：環(huán)間距40 cm，傾角6°～10°。大管棚通過螺紋連接，螺紋長度為15 cm，隧道縱向同一橫斷面內(nèi)螺紋長度不得超過總長度的50%，且相鄰鋼管的接頭位置必須保持至少0.5 m的錯開。管棚的定位依賴已完成的鋼筋混凝土拱作為施工基準框架，隨后安裝導向管，規(guī)格為127 mm×6 mm，長度為2 m。在導向管的安裝過程中，需要嚴格控制其圓周間距及傾斜角度，以確保其牢固地焊接于定位鋼架上，從而防止施工時出現(xiàn)任何位移現(xiàn)象。圖5為超前小導管加工圖，超前導管是通過熱軋工藝制造而成的無縫鋼管，直徑為42 mm，壁厚為4 mm，其長度會根據(jù)周圍巖層的等級進行調(diào)整。導管的側面設置了注漿孔，孔徑為8 mm，間距為15 cm，以梅花形態(tài)進行分布，而在末端的50 cm處則不設置孔，用作止?jié){段。整個施工過程涵蓋了定位測量、孔位鉆探、鋼管的插入、孔口的密封處理以及小導管的注漿等環(huán)節(jié)。灌漿材料采用1：1水泥灌漿，灌漿壓力控制在0.5 MPa～1.0 MPa。在完成注漿作業(yè)后，需對注入效果進行驗收并進行管口的封閉，以保障施工的質量。

3.2.3 塌方冒頂處治后監(jiān)控量測

為正確判斷塌方區(qū)處理后圍巖的穩(wěn)定情況，需要進行隧道塌方處理段周邊位移和拱頂下沉的監(jiān)控量測工作。圖6展示了管棚支護手段處治后的隧道掌子面全斷面和細節(jié)圖。圖7為拱頂沉降和拱腰收斂位移的累計變形曲線，橫軸為監(jiān)測的天數(shù)，縱軸為位移數(shù)值，對ZK89+610斷面進行了40 d的變形監(jiān)測，拱頂下沉最大變化速率0.7 mm/d，累計下沉位移值7.6 mm；拱腰周邊位移最大變化速率0.9 mm/d，累計位移值8.2 mm，均符合規(guī)范要求。拱頂沉降和周邊位移的變形速率均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，說明結構比較穩(wěn)定，未發(fā)生明顯破壞，驗證了管棚支護處治塌方冒頂?shù)挠行浴?/p>

4 結論

針對安徽省境內(nèi)某隧道工程項目中遇到的塌方冒頂問題，結合地質條件及氣候條件綜合考慮，提出了以管棚支護加固為核心的處治對策，并結合初期支護復拱增強等手段，通過監(jiān)控量測手段評估圍巖變形穩(wěn)定情況。后期監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，管棚支護在提升圍巖穩(wěn)定性、控制圍巖變形以及保障開挖安全性方面發(fā)揮明顯作用。得出以下結論。

1） 管棚支護作為一種高效的預支護技術，具有支護距離長、工期短等優(yōu)勢。它是解決隧道施工難題的關鍵手段。通過選用適當?shù)墓芘飬?shù)和施工工藝，并結合注漿加固技術，可以有效提升圍巖等級并形成加固圈，從而確保塌方冒頂部位加固區(qū)能承受住頂部圍巖荷載。

2） 在塌方冒頂處治過程中，對坍塌段進行初期支護加固補強，并采用鋼復拱增強結構整體受力。同時，采用三臺階開挖工法以減少對圍巖的二次擾動，并增設鎖腳錨管以進一步保障施工安全。

3） 處治后，持續(xù)監(jiān)控量測結果顯示，拱頂最大下沉速率為0.7 mm/d，拱腰周邊最大位移速率為0.9 mm/d，累計位移值分別為7.6 mm，8.2 mm。這些數(shù)值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，并且結構變化呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。管棚支護對于塌方冒頂問題的處治效果達到了預期目標。

參 考 文 獻

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編輯：劉 巖