超前管棚支護(hù)在隧道施工中的應(yīng)用技術(shù)
超前管棚支護(hù)是新奧法施工中前錨桿施工的發(fā)展，經(jīng)過實踐證明，超前管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的可靠性能，對于各種特殊、困難地段有較好的適用性。
1 超前管棚支護(hù)的優(yōu)點
1）工藝簡單。超前管棚支護(hù)及注漿施工不需要大型機(jī)具設(shè)備，操作方便，預(yù)加固效果明顯。其施工速度快，臨時支護(hù)及時、安全性能高、效果好，能阻止嚴(yán)重滲水，經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。
2）適應(yīng)性強。對于隧道洞口的軟弱破碎圍巖地段、淺埋地段以及洞內(nèi)的特殊地層地段均適用。
2 管棚受理原理
超前管棚支護(hù)是在擬開挖的地下洞室、隧道等開挖外輪廓周邊上，間隔一定的間距，沿洞軸以一定的外插角鉆孔，安裝慣性矩較大的鋼管，然后進(jìn)行注漿固結(jié)的一種預(yù)支護(hù)措施。其工作原理為：
1）“承載拱”作用，即通過管棚注漿、使拱頂先形成加固的保護(hù)環(huán)，承載拱上部的地面荷載和巖石重量，使供內(nèi)部圍巖僅承受拱部圍巖的變形壓力，從而為工程提供理想的開挖條件。
2）整體支護(hù)作用，即當(dāng)超前管棚巖隧道開挖輪廓周邊密布時，加固環(huán)的變形減小，傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上的上部荷載大大減少，同時通過環(huán)形固結(jié)層與管棚，將拱部圍巖的變形應(yīng)了傳遞給支撐拱架，由于支撐拱架間的相互連接，形成整體支護(hù)，有效地保證了掘進(jìn)施工和初期支護(hù)的安全。
3 管棚設(shè)計參數(shù)
1）鋼管材料采用熱軋無縫鋼管，直徑一般選用80mm~180mm，鋼管中線間距為30cm~50cm。
2）鋼管長度一般為10m~45m，當(dāng)分段連接時，采用4m~6m，鋼管采用絲扣連接方式，絲扣長度不小于15cm。
3）鋼管巖隧道開挖輪廓線縱向近水平外插角設(shè)置，外插角為1~5度。
4）鋼管施工徑向誤差不大于20cm，沿相鄰鋼管方向不大于5cm。
5）縱向管棚水平搭接長度不小于1.5m。
6）注漿壓力：初壓0.5MPa~1MPa，終壓2.0MPa~2.5MPa。
7）止?jié){墻根據(jù)圍巖條件確定，可采用10cm~20cm厚噴混凝土或20cm~50cm厚混凝土封閉。
4 管棚施工(見圖1)
4.1 施工準(zhǔn)備
1）在熟悉設(shè)計圖紙的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步調(diào)查地質(zhì)情況，按其地質(zhì)特性確定注漿類型。
2）通過試驗確定或調(diào)整注漿半徑、注漿壓力和單管注漿量。
3）加工導(dǎo)管，準(zhǔn)備施工機(jī)具和器材。
4.2 定向和布孔
管棚定向可采用以下兩種方法：
1）鉆孔方向，固定在鋼架上。
2）采用掛線定向，距離以10m為宜，通過前后兩點掛線確定管棚的方向，在定向時應(yīng)考慮線路縱坡對外插角的影響。
4.3 鉆孔、安裝鋼管
鉆孔前先噴混凝土封閉掌子面，以防漏漿，而后測量布孔，在設(shè)計孔位點上標(biāo)記，然后用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔，開孔時，先輕壓慢速鉆進(jìn)，以保證開孔質(zhì)量。鉆進(jìn)中用測斜儀量鉆孔方向，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設(shè)計要求，及時糾正。成孔后，用吹管或掏勺將孔內(nèi)砂石吹（掏）出，以免堵塞。成孔檢查合格后，人工推送鋼管入孔，管口用麻絲和錨固劑封堵。
4.4 注漿施工
4.4.1 注漿準(zhǔn)備
管棚安裝完成后，旋上孔口閥，連接注漿管路。利用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，而后再做壓水試驗，以沖洗巖石裂隙，擴(kuò)大漿液通路，增加漿液充塞的密實性，核實巖石的滲透性。
4.4.2 漿液配制
在注漿前由試驗確定漿液比、注漿壓力等注漿參數(shù)。漿液配比選擇要考慮巖石裂隙情況及漿液擴(kuò)散半徑，現(xiàn)場通過試驗確定，配制漿液時，要注意加料順序和速度，防止?jié){液結(jié)塊。
4.4.3 施工步驟
清孔后，按由下而上的順序施工，漿液先稀后濃，注漿量先大后小，如遇串漿或跑漿則隔孔灌壓。
4.4.4 結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)
采用終壓和注漿量雙控制，以單管設(shè)計注漿量為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓不小于20min，進(jìn)漿量仍達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，也可以結(jié)束注漿。
4.4.5 效果檢查
開挖檢查漿液滲透及固結(jié)狀況，根據(jù)壓力漿量曲線分析判斷，沒有達(dá)到設(shè)計要求時，應(yīng)進(jìn)行補孔注漿。
5 結(jié)束
超前管棚支護(hù)的應(yīng)用：
1）有力地保障了掌子面巖土體的穩(wěn)定，起到骨架、格柵作用；
2）通過注漿，將漿液在一定壓力下注入到鋼管周圍松散、軟弱的地層中，從而形成復(fù)合穩(wěn)定的固結(jié)體，提高巖土體的穩(wěn)定度。因此，超前管棚支護(hù)在隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。
例一
大管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在風(fēng)霜嶺隧道洞口施工中的應(yīng)用
1 工程簡介
漳龍高速公路漳州段風(fēng)霜嶺隧道全長862.5m，隧道設(shè)計為雙洞四車道，單洞凈寬9.75m，凈高5m。右洞進(jìn)口樁號YK34+495，設(shè)計標(biāo)高89.42m。隧道右洞進(jìn)口段位于淺埋地段，埋深12～19m，為第四紀(jì)（Qc4）坡積層與強風(fēng)化花崗閃長巖接觸地帶。表層為松散無粘性的砂狀土，下伏強風(fēng)化花崗閃長巖，巖石已風(fēng)化呈土狀，夾雜部分角礫碎石，結(jié)構(gòu)松散，圍巖自穩(wěn)性極差，遇水易坍塌。隧道所處山體植被發(fā)育，地表、地下水豐富。
2 問題的提出及方案確定
隧道施工自2002年12月初右隧準(zhǔn)備進(jìn)洞，隨著表土清除，洞口開挖工作面形成，時值南方雨季提前到來。長時間降雨造成圍巖受浸泡富水飽和，地表泉水涌出，造成洞口段圍巖軟化，仰坡地表多處產(chǎn)生裂縫，最大裂縫寬12cm，形成2～3cm錯臺。洞口開挖工作面發(fā)生坍塌，施工進(jìn)洞困難。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，結(jié)合其他隧道施工經(jīng)驗，認(rèn)為較為合理的施工方法是采用大管棚超前預(yù)注漿，先對洞口段堆積體進(jìn)行固結(jié)處理再進(jìn)行開挖，可以有效保證洞口邊仰坡安全，確保順利進(jìn)洞。
3施工設(shè)計
3．1 注漿機(jī)理
由于堆積體結(jié)構(gòu)松散破碎，本工程采用滲透注漿及壓密注漿。
3．2 施工參數(shù)選擇
3．2．1 大管棚設(shè)計
大管棚采用φ108mm，壁厚6mm的熱軋無縫鋼管，節(jié)長分別為3 m、6m。管棚環(huán)向間距拱部為30cm，墻部為50cm。外插角3°～ 5° 。有孔、無孔鋼管交叉布設(shè)。有孔鋼管布設(shè)注漿完畢后再布設(shè)無孔鋼管。有孔鋼管上注漿孔孔徑12mm，孔間距20cm，梅花型布置，尾部50cm范圍內(nèi)不鉆孔作為止?jié){段。如圖所示。
3．2．2 注漿參數(shù)設(shè)計
（1）注漿材料及配合比：注漿漿液采用水泥漿，水泥采用32.5（R）普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比為0.8:1～1:1;
（2） 注漿壓力：2.0～3.0MPa;
（3）漿液擴(kuò)散半徑：不小于0.5m;
（4）單根鋼管注漿量：
Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β
式中：r為鋼管半徑，L為鋼管總長度，考慮與鉆機(jī)連接，取29m；R為漿液擴(kuò)散半徑，取0.5m；η為地層孔隙率，堆積體經(jīng)測試η為12%；α為漿液有效充填率，取0.9；β為漿液損耗系數(shù)，取1.15。
經(jīng)計算，單根鋼管注漿量Q=3.09 m3。
4 方案實施
4．1 大管棚施工前準(zhǔn)備工作
4．1．1 疏排地表水
洞口仰坡穩(wěn)定地層，增設(shè)環(huán)型截水溝一道，攔截地表水；建立枝狀排水系統(tǒng)，使地表水盡快順暢地排出洞口不穩(wěn)定范圍，以防積水下滲。
4．1．2 引排地下水
為引排洞口段地下水，在適當(dāng)位置鉆設(shè)2個 φ20CM降水井，利用深井潛水泵和螺桿泵抽取地下水以疏干土體，降低洞口周圍地下水位。
4．1．3 施作套拱作為大管棚導(dǎo)向墻
洞口前端采用4m 長套拱(25#砼) 作為大管棚導(dǎo)向墻。套拱在洞口襯砌外輪廓線以外施作。套拱基礎(chǔ)施打8m長φ108×6mm 鋼管樁，管體用水泥漿灌滿。套拱內(nèi)埋設(shè)7榀U25型鋼，U型鋼與φ127×4 mm 管棚孔口套管焊成整體�？卓谔坠苎毓叭Νh(huán)向布設(shè)間距、位置及方向應(yīng)準(zhǔn)確。
4．2 管棚施工
先施鉆、安設(shè)及注漿所有有孔鋼管，再施作無孔鋼管。
4．2．１ 鉆孔
（1）根據(jù)套拱中預(yù)埋的鋼套管作為導(dǎo)向管進(jìn)行鉆孔。掌子面必須按要求先噴一層素混凝土作為止?jié){墻，以確保掌子面在進(jìn)行壓力注漿時不出現(xiàn)漏漿、坍塌。
（2）鉆孔前先檢查鉆機(jī)機(jī)械狀況是否正常；鉆孔時根據(jù)情況確定是否加泥漿或水泥漿鉆進(jìn)，當(dāng)鉆至砂層易塌孔時，應(yīng)加泥漿護(hù)壁方可繼續(xù)鉆進(jìn)；如不能成孔時，可加套筒或?qū)€@頭直接焊接在鋼管前端鉆進(jìn)。
（3）鉆孔速度應(yīng)保持勻速，特別是鉆頭遇到夾泥夾沙層時，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象。
（4）為避免鉆桿太長，鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進(jìn)方向不易控制等現(xiàn)象，開鉆上挑角度控制在 3°～ 5°之間，并隨時用測斜儀量測角度和鉆進(jìn)方向。
4．2．２ 安設(shè)管棚
⑴鉆孔完成后及時安設(shè)管棚鋼管，避免出現(xiàn)塌孔。
⑵鋼管逐節(jié)頂入，采用絲扣連接，絲扣長15cm。
⑶及時將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實，在鋼管外露端焊上法蘭盤、止?jié){閥，并檢查焊接強度和密實度。
4．3 管棚注漿
4．3．1 施工工藝
4．3．2 施工程序及方法
⑴注漿前先檢查管路和機(jī)械狀況，確認(rèn)正常后做壓漿實驗，確定合理的注漿參數(shù)，據(jù)以施工。
⑵注漿過程中隨時檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現(xiàn)象，如發(fā)生串漿，應(yīng)立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口，也可采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵，直至不再串漿時再繼續(xù)注漿。注漿過程中壓力如突然升高，可能發(fā)生堵管，應(yīng)停機(jī)檢查。
⑶注漿壓力達(dá)到2.5Mpa，并持壓5min以上，可停止注漿，并及時封堵注漿口。
⑷注漿過程應(yīng)派專人負(fù)責(zé)，填寫《注漿記錄表》，記錄注漿時間、漿液消耗量及注漿壓力等數(shù)據(jù)，觀察壓力表值，監(jiān)控連通裝置，避免因壓力猛增而發(fā)生異常情況。
4．3．3 待有孔鋼管已全部注漿完畢后，再進(jìn)行無孔鋼管的鉆孔、安設(shè)。
4．3．4 注漿效果評定
⑴對注漿加固區(qū)進(jìn)行鉆孔取芯，觀察注漿充填情況。
⑵在進(jìn)行無孔鋼管鉆孔時觀察孔內(nèi)涌水顏色及涌水量，水顏色如較澄清或夾帶水泥渣塊，涌水量小于0.4L/min，則注漿效果較好，如涌水為泥漿顏色或涌水量較大時，應(yīng)補注或重注。
5 堆積體段開挖
該段洞身開挖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，開挖支護(hù)流程如圖所示：
幾點說明：注漿小導(dǎo)管采用φ50×5mm無縫鋼管，節(jié)長5m，鋼管上注漿孔孔徑8mm，孔間距15 cm，梅花型布置，尾部40 cm范圍內(nèi)不鉆孔作為止?jié){段，小導(dǎo)管環(huán)向間距50 cm，縱向間距250 cm，外插角15°；洞身U25鋼支撐縱向間距30cm；側(cè)導(dǎo)坑臨時U25鋼支撐縱向間距60cm；相鄰兩榀間的中隔壁U型鋼用環(huán)向間距1米的Φ25鋼筋焊接以增強其整體性。
6效果評價
為保證施工安全及檢查大管棚的實施效果，施工單位專門組織對堆積體段的凈空收斂量測。在25m堆積體處理段埋設(shè)了3條收斂基線，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析見表1。從量測情況看，埋設(shè)初期3條曲線收斂增長較慢，上核心土開挖時收斂變形急劇增長，然后趨于穩(wěn)定，均滿足設(shè)計要求。充分說明了大管棚預(yù)注漿超前支護(hù)對防止圍巖惡化，控制隧道變形作用是顯著的。
表1 凈空收斂監(jiān)測變形分析 mm/d
|
里 程 |
緩慢增長階段速率 （0～30天） |
急劇增長階段速率 （30～40天） |
基本穩(wěn)定速率 （40～60天） |
|
YK34+500 |
0．22 |
1．39 |
0．04 |
|
YK34+506 |
0．43 |
1．57 |
0．05 |
|
YK34+515 |
0．75 |
2．03 |
0．07 |
6總結(jié)及體會
利用大管棚作為穿越堆積體段的超前支護(hù)，其成功之處在于：通過注漿將松散的堆積體固結(jié)起來，利用大管棚支護(hù)圍巖，注漿體和管棚連成一個整體而受力，在隧道開挖輪廓線外形成一個環(huán)向的支撐體，有效地阻止了松散體出現(xiàn)坍塌，為隧道洞身安全、順利地施工創(chuàng)造條件，是新奧法與其他輔助施工方法的完美結(jié)合。
