探討超前長管棚支護在隧道工程中的應用 - 建筑工程

探討超前長管棚支護在隧道工程中的應用-建筑工程隨著我國高速公路建設的飛速開展和項目設計、施工技術水平的不斷進步，公路等級要求的不斷提高，同時在提倡盡量少占耕地與環(huán)保的設計背景下，使得隧道項目在公路項目中的比例越來越大。而局部隧道所處地段存在地質情況差、埋深淺、偏壓、開挖斷面大等情況，這就給隧道施工帶來了極大的難度。在不良地質施工困難地段，如破碎的巖體、塌方體、巖堆地段、砂土質地層、膨脹地層、裂隙發(fā)育巖體、斷裂破碎帶、淺埋偏壓等圍巖，采用長管棚支護取得了較好的效果；在流塑狀巖體或巖溶嚴重流泥地段，采用長管棚與圍巖預注漿相結合的伎倆更是行之有效的辦法。本文通過廣州增城至從化高速公路街口支線段的小逕凹隧道施工長超前管棚應用實踐的根底上，對長管棚的作用機理、設計參數及施工工藝等方面進行了綜合的探討。

一、項目概況

廣州增城至從化高速公路街口支線段的小逕凹隧道，設計為別離式隧道。左線長892m，右線長897m，隧道凈寬為2×10.75m，內輪廓凈高5.0m，兩隧道軸線間距25.68m。隧道地處低山、丘陵區(qū)，地形起伏較大，洞身高、洞口低，山體走向根本與路線垂直。隧道洞口段設計埋深均較淺樁號段：ZK6+905-ZK6+940、ZK7+430-ZK7+768、YK6+893-YK6+925、YK7+730-YK7+772。ZK6+905-ZK6+940及YK7+730-YK7+772洞口段存在淺埋偏壓，洞口端埋深在0-15m。隧道地表坡積覆蓋層平均達6-7m，地表覆蓋層地質主要為坡積粉質粘土，全風化粉砂質泥巖和強風化云母片巖，隧道地質情況復雜，隧道洞口段圍巖屬于第四系坡積層粉質粘土及寒武系全風化粉砂質泥巖,巖體破碎，結構渙散,圍巖穩(wěn)定性差,且出口端裂隙較水豐盛；洞身圍巖主要為渙散狀構造角礫夾粉質粘土、泥質灰?guī)r、泥質灰?guī)r夾泥巖，節(jié)理面破碎泥質充填物、風化嚴重，強度低穩(wěn)定性差，同時裂隙水較豐盛以線狀滲流為主?？傮w分析隧道地質：淺埋、偏壓、破碎，開挖后易失穩(wěn)，易冒頂、坍塌。

二、施工計劃

根據現場情況和工期的需要，隧道進、出口端采取同時開挖，左、右線前后交錯平行作業(yè)掘進。洞口處存在偏壓，各洞口端采用長40m大管棚進行超前預注漿，加固圍巖渙散地層，在開挖面形成簿殼，整體受力，發(fā)揮拱環(huán)效應，有效避免拱頂變形，地表塌陷、下沉，邊仰坡面失穩(wěn)，避免并緩解偏壓影響，解決隧道洞口開挖的困難。超前支護加固地質圍巖后，以20b工字鋼鋼架噴錨復合式支護，在監(jiān)控量測技術的指導下順利進行隧道開挖作業(yè)。

三、管棚設計

管棚設計參數

1.管棚棚管采用鋼花管采用φ108壁厚6mm熱軋無縫鋼管，注漿孔采用梅花形布置，孔徑10mm，孔距為30cm，尾端3m范圍內不設注漿孔，鋼管導向端做成尖形，承壓端與套拱內18工字鋼焊接成整體。

2.管棚布置在開挖斷面拱部132°51′35″范圍內，環(huán)向間距為50cm，布置管棚33根。

3.鋼管長度為40m，當采用分段連接時節(jié)長采用3m、6m，鋼管并用絲扣連接，絲扣長度為15cm，為保證受力均勻，鋼管按3m及6m錯開布設。

4.鋼管沿隧道開挖輪廓線縱向近水平外插設置，外插角為1.5°。

5.鋼管施工誤差徑向不大于20cm。

6.隧道縱向同一橫斷面內的鋼管接頭不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯開1m。

注漿參數

1.注漿采用水泥漿水灰比為1：1；水泥漿與水玻璃體積比1：0.5。

2.注漿壓力初壓為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa，漿液擴散半徑：不小于0.5m。

3.管口周邊采用30號水泥砂漿緊密充填，增管棚的密實度，同時在管口上安裝止?jié){閥有效保證漿液的壓力，掌子面先噴一層素混凝土作為止?jié){墻，以確保掌子面在進行壓力注漿時不出現漏漿、坍塌。

4.注漿前先進行注漿現場試驗，根據實際情況確定注漿參數，擴散半徑、注漿量等。

5.單根鋼管注漿量：Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β。式中：r——鉆孔半徑，0.13／2=0.065m；L——管棚長度，考慮與套拱連接，取42m；R——為漿液擴散半徑，取0.5m；η——地層孔隙率，經測試為9%：α——漿液有效充填率，取0.9；β——漿液損耗系數，取1.15；單根管棚注漿量：Q=3.63m3。

四、管棚施工

長管棚超前支護工藝程序為：施工準備-套拱施工-安設鉆孔平臺-安裝鉆機-鉆孔-管棚安裝-清孔-管內注漿-進入下道工序。

長管棚超前支護工藝程序

定向和布孔

依據設計圖紙要求施作好管棚導向套拱并

預埋好導向管。測量放樣畫出管棚孔位，并對大管棚孔位進行編號，相鄰孔位誤差不大于5cm，管棚定向采用套拱預埋導向管：施工套拱，安裝導向管，導向管長2m，導向管方向嚴格按外偏角設置并固定在鋼架上。鉆孔1.鉆孔前先檢修鉆孔機具，確保其正常運轉，并檢查氣壓能否到達施工要求，鉆孔時嚴格根據導向墻中預埋的導向鋼管進行鉆孔。

2.為防止鉆桿太長，鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進方向不易控制等現象，開鉆上挑角度控制在1.5°，并隨時用測斜儀量測角度和鉆進方向。

3.為確保鋼管能順利頂進以及注漿擴散，鉆頭尺寸采用較大于設計管棚直徑。

4.鉆孔速度應保持勻速，特別是鉆頭遇到夾砂土層、孤石時，控制鉆進速度，防止發(fā)生夾鉆現象或鉆偏。

5.鉆孔過程中應根據實際情況采取各種措施確保成孔質量。

6.認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質判斷、描述。作為分析后期注漿效果的依據。

7.為了確保漿液擴散效果，先施鉆奇數孔口并完成壓漿后再施鉆偶數孔口。

安裝管棚

1.鋼管按施工方案提前預制加工，按設計要求進行分段，并運到施工現場。

2.成孔后及時檢查鋼管打孔情況并盡快安裝管棚鋼管，避免坍孔，鋼管逐節(jié)頂入，采用絲扣連接。

3.鋼管頂入后，將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實，并在外露端焊上止?jié){閥與注漿管口連接牢固，嚴格檢查焊接強度和密實度。

管棚注漿

1.施工準備。首先檢查機械是否正常運轉，管路是否通暢。適宜的漿液配比既能提高漿液的擴散加固范圍又能控制漿液的膠凝時間，因此在確認機械正常后應先做壓漿試驗，確定注漿參數無誤，再正式壓漿。

2.注漿。水泥漿拌制均勻，注漿采用間隔形式進行，過程中要隨時檢查壓漿泵的壓力數據是否正常，同時要檢查孔口、鄰孔、其他坡面處有無串漿現象，如有串漿，立即停止注漿，采用錨固劑、速凝水泥砂漿等進行封堵。

3.壓漿結束規(guī)范。

采用壓力和注漿量雙指標控制。每根管的注漿結束與否，不能以時間來判斷，而是以注漿壓力來控制，當進漿量小于20～25L/min；注漿壓力逐步升高，到達設計終壓后穩(wěn)定10min以上，該管注漿才可結束。注漿結束后及時去除管內漿液，并用30號水泥砂漿緊密充填，增強管棚的剛度和強度。

4.效果檢查。

在施鉆偶數孔口過程中應加強對孔口巖屑的察看，檢查漿液滲透及固結狀況，根據巖屑及壓力漿量曲線分析判斷，沒到達設計要求時，在偶數孔口壓漿過程中應進行加大注漿量，確保注漿加固效果。同時在完成注漿固結12小時后才可進行開挖施工。

五、施工效果

隧道進洞后50米的洞身開挖過程中通過3個斷面的量測數據反映變形觀測情況顯示，拱頂下沉量最大沉降速率2.4mm/d，一個月的累計最大下沉量為17mm，開挖后第7天沉降速沉率開始〈0.1mm/d，水平收斂最大為1.5mm/d，一個月的最大收斂為4mm，開挖后第4天收斂開始〈0.1mm/d，拱頂沉降與周邊收斂數據均在設計及標準要求內，長管棚超前支護在洞口渙散地段發(fā)揮了整體支護效果，順利通過隧道洞口軟弱地段，保證了進洞的平安，實現了早進洞、少開挖的隧道進洞原那么，到達了預期的效果。

六、管棚作用機理分析

根據施工情況分析長管棚超前支護技術的作用：通過管棚注漿，使拱部開挖線外周邊圍巖預先形成加固的愛護環(huán)。而加固環(huán)發(fā)揮自然“承載拱〞的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重量，使拱內部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力，從而發(fā)明了理想的開挖條件。在管棚支護、徑向中空錨桿注漿等聯(lián)合支護作用下將開挖破壞后圍巖主要壓力自然轉移至周邊注漿加固圍巖，使隧道支護本身承受極少局部圍巖壓力，充沛發(fā)揮支護與圍巖本身共同作用進行支護來維持支護的穩(wěn)定。在淺埋地質破碎地帶超前大管棚充沛發(fā)揮了錨噴聯(lián)合支護的作用。形成整體支護，有效地保證了掘進施工和初期支護的平安。洞口管棚桿體本身在套拱及后續(xù)開挖型鋼支護與未開挖巖體支護下形成一自然托梁整體。避免了地表下沉及將受到的圍巖壓力平均分配到洞身周圍，大大減少了圍巖傳遞給初支的荷載。

七、總結

小逕凹隧道洞口段采用超前長管棚施工，已平安順利完成進洞