淺析隧道超前支護施工技術

1、淺析隧道超前支護施工技術-以成貴鐵路白楊林隧道為例中鐵二局二公司成貴項目部二分部 楊 姣【摘 要】隨著鐵路交通的的不斷發(fā)展，隧道工程在鐵路建設中扮演的角色越來越重要。近幾年來，隧道超前支護作為一項保證隧道開挖安全、控制地表沉降等技術越來越受到重視。隧道超前支護的發(fā)展，新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)，極大地提高了隧道施工安全和施工效率。本文就隧道超前支護工藝作了詳細闡述，以希望此文能在隧道超前支護施工中起到參考作用。【關鍵詞】隧道施工、超前支護、管棚、白楊林隧道1 工程概況白楊林隧道位于貴陽市清鎮(zhèn)市暗流鄉(xiāng)沙田村，全長1780米，屬云貴高原低山峰叢谷地地貌，地表上覆第四系坡崩積塊石土、坡洪積軟黏土、坡殘積

2、紅黏土；下伏基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)、三疊系下統(tǒng)夜郎組第三段（T1y3）、三疊系下統(tǒng)夜郎組第二段（T1y2）、三疊系下統(tǒng)夜郎組第一段（T1y1）、二疊系上統(tǒng)長興+大隆組（P2c+d）、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）、二疊系上統(tǒng)茅口組（P1m）地層及斷層破碎帶（F br）。隧址地處黔中，位于黔中東西構造帶、川黔南北向構造帶和新華夏系第三巨型隆起帶交接復合部位，地質構造相當復雜。隧道海拔高程10701300m，相對高差40-80m，最大埋深206m。工程重難點為穿越煤層、高瓦斯、溶巖、突水突泥等。2 主要超前支護參數(shù)表表2-1 白楊林隧道各類圍巖超前支護表序號襯砌類型超前支護1a級圍巖(斷面

3、138.05m2)拱部120范圍設置42超前小導管，單根L=3.5m，環(huán)向間距0.5m，31根/環(huán)，縱向間距2m，搭接長度1.5m。2b級圍巖(斷面138.72m2)拱部120范圍設置42超前小導管，單根L=3.5m，環(huán)向間距0.5m，31根/環(huán)，縱向間距2m ，搭接長度1.5m。3d級圍巖(斷面138.72m2)拱部120范圍設置42超前小導管，單根L=3.5m，環(huán)向間距0.5m，31根/環(huán)，縱向間距2m，搭接長度1.5m。4d級圍巖復合式下錨(斷面154.13m2)拱部120范圍設置42超前小導管，單根L=3.5m，環(huán)向間距0.5m，33根/環(huán)，縱向間距2m，搭接長度1.5m。5a級圍巖（

4、開挖斷面143.46m2）拱部120范圍設置42小導管，單根L=4m，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)38根，縱向間距2.4m，搭接長度1.6m。6b級圍巖復合（開挖斷面143.46m2）拱部120范圍設置42小導管，單根L=4m，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)38根，縱向間距2.4m，搭接長度1.6m。7c級圍巖復合（開挖斷面145.61m2）拱部120范圍設置42小導管，單根L=4m，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)38根，縱向間距2.4m，搭接長度1.6m。3 超前支護施工工藝3.1 超前支護簡介隧道超前支護是保證隧道工程開挖工作面穩(wěn)定而采用的超前于掌子面開挖的施工方法，其目的在于提高圍巖強度、自穩(wěn)和止水能力。超前

5、支護主要包括預注漿、超前小導管、超前錨桿、超前管棚等形式。白楊林隧道主要圍巖類別有、級，其中級圍巖380m，占全隧比例21.3%；級圍巖790m，占全隧比例44.4%；級圍巖610m，占全隧比例34.3%。超前支護包含洞口108注漿大管棚以及洞身、級圍巖拱部的42注漿小導管。3.2 108大管棚施工工藝及方法3.2.1 超前大管棚受力原理超前管棚支護是在擬開挖隧道、洞室等開挖輪廓周邊上，間隔一定的距離，沿洞軸以一定的外插角進行鉆孔、安裝慣性矩大的鋼管，然后進行逐級固結的一種預支護措施。其原理為：通過管棚注漿，使拱頂預先形成加固的保護環(huán)，此加固環(huán)承載拱上部的地面荷載和地層巖土重量，使拱內部圍巖僅

6、承受拱部圍巖形變壓力，從而確保了較好的開挖條件。超前管棚沿隧道開挖輪廓線周邊布設，加固環(huán)的變形變小，傳遞給隧道支護結構的上部荷載大大減小，同時通過環(huán)形固結層與管棚，將拱部圍巖的形變應力傳遞給支撐拱架，支撐拱架間相互連接，形成整體支護，有效的保證了隧道掘進與初支的安全。3.2.2 施工準備挖設鉆孔作業(yè)平臺根據(jù)鉆機自身高度確定臺階的開挖高度，由原地面自上而下挖臺階，仰坡面需豎直開挖，以便管棚導向墻施作。當挖至臺階底部時，形成管棚鉆機施作平臺?？紤]鉆機平臺高度不能滿足導墻施作高度，需將開挖平臺兩側以外的位置進行加深。開挖方法采用風鉆鉆眼爆破，挖機配合裝載機裝渣，自卸汽車運輸?shù)姆绞竭M行。測量定位首先復

7、核線路中線、水平，根椐線路中心線控制樁及高程控制點在仰坡面標識出隧道中心線及外拱頂標高，并根據(jù)暗洞開挖輪廓線在仰坡面用紅油漆畫出外拱弧，作為導向墻立模的依據(jù)，根據(jù)導向墻的里程控制好導向墻內外模的高度，并預留相應的沉降量。放樣完成后及時通知技術部門，經(jīng)測量工程師復核無誤后，根據(jù)輪廓線采用機械進行導向墻基坑開挖，人工清底，澆筑混凝土基礎。3.2.3 導向墻施工為提高鉆孔精度、方便施鉆，須在明、暗洞交界處施作混凝土導向墻。施工前根據(jù)設計洞門的里程、標高及坡率進行洞門邊仰坡刷坡作業(yè)，刷坡完成后采用砂漿錨桿，鋼筋網(wǎng)，噴混凝土等形式保證仰坡穩(wěn)定。 白楊林隧道導向墻截面尺寸為1m1m，管棚設置于拱部120范

8、圍內，導向墻內預埋兩榀18號工字鋼，將直徑為146mm、壁厚5mm的孔口管焊于兩榀18號工字鋼拱架上，外插角13，外端焊一個法蘭盤，用來平衡鉆孔和壓漿的后座力，里面一端用膠紙封口，以防砂漿流入。圖3.2.3-1 -導向墻剖面示意圖每側導向墻底設置4根42鎖腳錨桿，每根長4m,焊于兩榀鋼拱架上。導向墻布置圖： 圖3.2.3-2 導向墻內導管布置示意圖導管及加固錨桿均焊好達到穩(wěn)固條件，檢查合格后即可灌筑導向墻混凝土，澆筑完成后進行養(yǎng)護，待導向墻混凝土達設計強度后方進行洞身開挖等工作。3.2.4 大管棚設計參數(shù)大管棚采用熱軋無縫鋼花管，外徑108mm，壁厚6mm。管棚長度30m，管節(jié)長度6m，環(huán)向間

9、距40cm，外插角13。 注漿孔：縱向15cm、橫向9cm間距，呈梅花形交錯設置，孔徑10mm16mm，管尾段留2.0m不鉆孔的止?jié){段。注漿壓力：0.61.0Mpa，具體漿液配合比和注漿壓力由現(xiàn)場實驗確定。制作要求：第一節(jié)鋼管前端加工成尖錐狀，以利導向插入。鋼管注漿孔為雙孔布置，一個為注漿孔，一個為排氣孔。如下圖： 圖3.2.4-1 注漿雙孔布置圖3.2.5 大管棚鉆孔根據(jù)鉆機鉆孔最低眼標高和安鉆桿長度要求搭設鉆孔操作平臺，平臺寬度為整個洞門，搭設基礎應穩(wěn)固，不易產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移等現(xiàn)象。必須精確核定鉆機位置，確保鉆機鉆進時的傾角要求。技術員必須時刻觀察鉆機鉆孔角度，當角度偏差大于0.

10、3時，應及時糾偏。 圖3.2.5-1 操作員調整鉆孔角度 圖3.2.5-2 鉆孔作業(yè)3.2.6 大管棚裝管清孔完成后及時安裝管棚鋼管，避免出現(xiàn)坍孔。鋼管頂進采用大孔引導和棚管鉆機相結合的工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導孔，后用10t卷揚機配合滑輪組反壓頂進到位。鋼管在專用的管床上加工好螺紋，棚管四周鉆68mm為確保同一橫斷面內接頭數(shù)量不超過50%，相鄰兩鋼管接頭至少錯開1m。及時將鋼管與鉆孔壁間縫隙堵塞密實，在鋼管外端焊上法蘭盤、止?jié){閥，并檢查焊接強度和密實度。如下圖： 圖3.2.6-1 止?jié){閥 圖3.2.6-2 檢查焊接效果 3.2.7 大管棚注漿漿液制備：水泥漿液攪拌在拌和機里進行，嚴格按照

11、施工配合比投料，放入的同時一并加入緩凝劑，待水量加足后繼續(xù)攪拌1min，再將水泥投入，繼續(xù)攪拌時間不小于1min。并于注漿過程中不停的攪拌。水泥攪拌過程中嚴防水泥包裝紙及其他雜物混入，拌好的漿液進入注漿機前應進行過濾，未經(jīng)過濾的漿液不允許入泵。注漿時要考慮注漿擴散半徑，凝結時間要進行確定，然后再進行試驗調試。隧道采用單液注漿，灌注漿液為純水泥漿液，水泥漿水灰比11；漿壓力:0.61.0MPa。注漿施工：管路連接好后，先壓水檢查是否漏漿，待設備正常后再對圍巖做壓水試驗，以沖洗巖石裂縫，擴大漿液通路。增強漿液擴散密實性，核實圍巖的滲透性。注漿時要記錄好注漿時間及注漿量。注漿時應密切注意排氣管情況，

12、當排氣管口不在冒水，冒出濃漿時關閉排氣管繼續(xù)注漿。注漿中密切注意注漿壓力表，初始壓力較低，正常階段和注入量呈小的波浪式起伏，但總的比較平穩(wěn)，當達到壓滿漿狀態(tài)時，注入量急劇迅速，而壓力迅速增加壓，直到達到注漿終壓合理范圍，則停止注漿，進行封堵，轉注下一孔，直到完成注漿作業(yè)。3.2.8 注意事項導向墻施作前應嚴格復核線路中線、水平，確保導向墻各部位尺寸及預埋件位置正確無誤。模板安裝必須接縫嚴密、平整、牢固。模板安裝前需搭設作業(yè)平臺，腳手架搭設必須平穩(wěn)，符合安全標準要求。嚴格控制混凝土原材料質量，加強混凝土、拌合、運輸、澆注、養(yǎng)護、拆模等各道工序質量。鉆機就位時應調整好鉆孔角度及高度，鉆機平臺需平整

13、、穩(wěn)固，防止施鉆時鉆機產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量。鉆機鉆孔時應隨時檢查孔位偏差并及時糾正。為保證管棚安裝順利進行，管棚安裝前應用鉆頭或高壓風對鉆孔進行掃孔、清孔，清除孔內浮渣，確?？讖?、孔深符合要求、防止堵孔。管棚所用鋼管的原材料品種、規(guī)格必須符合設計要求，搭接長度應符合設計要求，管棚注漿壓力必須滿足設計要求。嚴格控制水泥漿及砂漿原材料質量，注漿漿液配合比符合設計要求，漿液充滿鋼管及周圍空隙。灌漿的質量直接影響管棚的支護剛度，因此必須設法保證灌漿的飽滿、密實。3.3 超前注漿小導管3.3.1 超前小導管施工工藝流程圖圖3.3.1-1 超前小導管施工工藝流程圖3.3.2 超前小導管

14、設計參數(shù)超前小導管采用熱軋鋼花管，外徑42mm，壁厚3.5mm。超前小導管環(huán)向間距3050cm。傾角：外插角為1012。注漿材料：水泥漿或水泥砂漿。注漿壓力一般為0.20.3Mpa。3.3.3 小導管制作小導管采用42無縫熱軋鋼管制成，前端制作成錐形，以便順利插入已鉆好孔內。當圍巖松動時也可直接打入，小導管尾端焊接8鋼筋加勁箍，防止施工時小導管尾端變形。在前部鉆注漿孔，孔徑68mm，孔間距2030cm，呈梅花形布置，距后端1.0m內不開孔，作為止?jié){段。施工時按設計沿隧道開挖輪廓線外側以510外插角打入小導管預注漿進行超前支護。圖3.3.3-1 超前小導管正面布置示意圖圖3.3.3-2 小導管超

15、前支護縱向布置示意圖圖3.3.3-3 小導管構造圖3.3.4 小導管注漿小導管注漿作業(yè)包括鉆孔、布管、封面、注漿四道工序。鉆孔布管：小導管在鉆孔前，按設計要求畫出小導管的位置，并標明。采用YT28風鉆鉆孔，孔口鉆眼偏差小于5cm，孔眼深度大于小導管長度，布孔順序由拱頂分別向左右方向進行，采取隔孔間隔布置；鉆孔完畢后用氣水聯(lián)合法對鉆孔進行沖洗。小導管外露長度為0.30.4m，尾部焊接在鋼架腹部，增加共同支護能力。小導管安裝后用塑膠泥封堵導管外邊的孔口及圍巖裂隙。封面：注漿前，噴20cm厚混凝土封閉工作面，以防漏漿。注漿：注漿材料根據(jù)現(xiàn)場而定，并滿足以下要求：漿液的流動性好，易注入地層；固結后收縮

16、小，具有良好的粘結力和較高的早期強度；結石體透水性低，抗?jié)B性能好等。采用分段注漿形式，漿液采用純水泥漿或雙液漿，純水泥漿水灰比0.5111、水泥-水玻璃漿液水灰比0.811.54（水泥漿與水玻璃的體積比為10.311），注漿壓力為0.30.8MPa。在孔口設置止?jié){塞，漿液配合比由現(xiàn)場試驗確定，注漿時先注無水孔，后注有水孔，注漿順序由拱腳向拱頂逐管注漿，如遇竄漿或跑漿，則間隔一孔或幾孔注漿。3.3.5 注意事項小導管安裝后，用塑膠泥封堵孔口及周圍裂隙，必要時在小導管附近及工作面噴射混凝土，防止工作面坍塌。 隧道開挖長度應小于小導管注漿長度。 注漿漿液配合比、注漿壓力應符合設計要求，注漿漿液應充滿

17、鋼管及其周圍的空隙。注漿前應進行壓水試驗，檢查機械設備是否運行正常，管路連接是否正確。注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化，觀察分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，以便分析注漿效果。注漿量達到設計要求或注漿壓力達到設計要求時應停止注漿。在施工質量控制中，必須實行“三檢制”，即工班自檢-技術室初檢-質檢部復檢，“三檢制”合格后報監(jiān)理，經(jīng)監(jiān)理檢查合格同意后方可進行下道工序施工。4 超前支護效果評價根據(jù)白楊林隧道大管棚及小導管安裝、注漿記錄與地表沉降觀測數(shù)據(jù)顯示，大管棚、小導管安裝長度及注漿量均符合設計要求，沉降量均在規(guī)范以內。白楊林隧道超前支護充分起到了提高圍巖抗剪強度及圍巖自穩(wěn)能力，有效控制隧道開挖后臨空面坍塌的作用。在隧道安全掘進中起到了關鍵性作用。5 生產(chǎn)資源配備5.1 勞動力配備表5.1-1 勞動力配備表序號人員名稱工序備注大管棚小導管1管理人員212技術人員323工人3294空壓機司機225運輸車司機26挖掘機司機15.2 主要機械設備配備表5.2-1 主要機械設備配備表序號機械設備工序備注管棚小導管1管棚鉆機12注漿機123鋼筋/拱架彎曲機14切割機15電焊機26挖掘機17運輸車/罐車28空壓機129風鉆56 結束語本文主要針對白楊林隧道超前支護設計