大管棚超前支護技術在板橋山隧道出口堆積體段主洞施工中的應用

趙春生, 袁 鵬, 陳文建

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

映秀至汶川高速公路是“5.12”汶川特大地震后在重災區建設的第一條高速公路。板橋山隧道位于映秀至汶川高速公路 K41+915～K44+940段,為左右分修特長隧道,左線長 3025m,右線長 2996m,隧道單洞凈寬 10.25m。板橋山隧道出口段位于一巨厚堆積體上,最大埋深 34m,長 40m。隧道出口斜坡坡度為 30°～45°,斜坡下部覆蓋厚度不等的新生界第四系全新統崩坡積層塊、碎石,斜坡上部基巖大面積裸露,斜坡植被不發育。坡體巖石呈松軟-松散結構,極易垮塌。現場開挖情況顯示:堆積體為片石-碎石-夾砂,自穩性極差。為增加進洞安全性,設計采用 40m長大管棚,對洞口段進行超前支護。

2 大管棚超前支護的必要性及相關工作原理

由于隧道出口堆積體較厚且形成年代較短,洞口處巖體呈松軟-松散結構,自穩性極差,洞口開挖面極易垮塌,施工進洞困難。采用長大管棚結合 φ70無縫鋼管對洞口段堆積體進行注漿固結后再開挖,可以有效保證洞口邊仰坡的安全,而且可以使開挖部位形成棚幕和一層殼體,從而大大增加了進洞施工的安全性,確保順利進洞(圖 1)。

圖 1 管棚鋼花管示意圖

超前支護的基本工作原理是在待開挖洞頂輪廓線以外一定角度范圍內,環向按照一定的間距超前打入鋼管,并在鋼管內進行壓力注漿。環向鋼管形成棚架,為開挖及初期支護作業提供了安全保障;漿液固結后鋼管和圍巖之間組成了一個共同的固結圈,從而在隧道的縱向和橫向分別形成一個剛度較大的梁結構和拱結構。這個結構能有效提高圍巖的承載力及自穩能力,從而減小圍巖的變形;同時,隧道開挖后,與鋼架一起共同組成剛度較大的支護結構,以抵擋隧道開挖后產生的圍巖壓力和變形。

3 大管棚超前支護設計

3.1 大管棚設計參數

(1)導管規格:采用 φ108、壁厚 6mm的熱軋無縫鋼管,長 40m。鋼花管內設置鋼筋籠,鋼筋籠主筋為 4φ16,采用 φ6.5鋼筋作固定環,固定環內徑 R=36.5mm,固定環間距 20cm,與鋼筋籠主筋焊接。在導管上鉆注漿孔,孔徑 12mm,孔間距 15cm,呈梅花型布置,導管尾部 3m范圍內不鉆孔作為止漿段,如圖 2、3所示。

圖 2 管棚導管構造圖

圖 3 A-A剖面圖

(2)管距:環向間距為 40cm,大管棚每環 35根 ,外插角:1°～2°;

(3)同一環管棚中接頭的位置相互錯開不小于 1m,單號管棚節長度為:6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m;雙號管棚節長度為:4 m+6m+6m+6m+6m+6m+6m;

(4)大管棚鋼花管管心與初期支護設計外廓線徑向間距為 30cm;

(5)預埋導向管為 φ152無縫鋼管,壁厚 6 mm,節長 2m,環向間距 40cm,拱部 120°范圍布置;

(6)鋼花管和鋼筋籠前端均焊成錐形,以便于鋼花管入孔以及鋼筋籠的安裝。

3.2 管棚漿液參數

(1)注漿材料及配合比:注漿漿液采用純水泥漿,水灰比為 1∶1,注漿水泥的強度等級為 42.5;

(2)注漿壓力:1～2MPa;

(3)漿液擴散半徑:不小于 0.5m。

3.3 大管棚超前支護與地表注漿的結合

為了使大管棚超前支護更好的發揮作用,減輕圍巖變形作用在管棚上的荷載,在管棚支護的同時,結合 φ70無縫鋼管進行地表注漿。具體為:在洞頂堆積體中,采用 φ70無縫鋼管進行地表注漿,注漿橫向加固范圍大于破裂面與地面的交線(45°)之間的距離,注漿深度為由地表至洞身開挖邊界外側 50cm,注漿段長度為距洞口 32 m處。地表注漿采用套管注漿法,豎向套管采用φ70無縫鋼管,注漿孔按梅花型布置,間距為 1.5 m×1.5m。注漿材料為 1∶1純水泥漿,注漿壓力為 0.5～1.0MPa,注漿量為 0.3～0.6m3/m。

4 大管棚鉆機選型

根據板橋山隧道洞口堆積體土層的特點、管棚深度、管棚的角度、施工進度及現場的實際情況等要求,選用的管棚鉆孔機具必須具有:動力頭及孔口板調轉方向,可直接鉆鑿仰孔;鉆機結構為分體式,可拆性好,搬遷、安裝迅速方便,并可遠距離操縱,一次搬遷完成多孔施工;操作員工工作環境好,勞動強度低;鉆機可以直接通過扣件安裝在腳手架上,移機快捷方便;鉆機可適用跟管鉆進工藝方法等特點。

經過比選,YG-50型工程鉆機符合上述要求,故選用 YG-50型工程鉆機作為板橋山隧道出口大管棚鉆孔鉆機。

5 大管棚的施工及相關技術要求

大管棚施工工藝流程見圖 4:

圖 4 大管棚施工工藝流程圖

5.1 施工前的準備工作

隧道位于高烈度地震區,施工時首先清除坡面及坡頂危石、落石和地表松散地震渣體,并在坡面上鋪掛主動防護網和被動防護網,同時增設環型截水溝,以攔截地表水;建立枝狀排水系統,使地表水盡快順暢地排出洞口不穩定范圍,以防積水下滲。

洞頂堆積體 φ70無縫鋼管地表注漿先于大管棚施工,從而使隧道頂部堆積體預先形成一層殼體,以穩定隧道洞口上方堆積體,也利于大管棚的成孔。

5.2 大管棚導向墻的施作

當明洞開挖至洞口 10m左右時預留開挖土,以做導向墻及大管棚施工工作平臺,且在導向墻范圍內刷垂直坡,避免 2m長導向墻侵占洞身,影響洞身初期支護。對仰坡及時進行錨桿、掛設鋼筋網、噴射混凝土支護,并在導向墻兩端墻腳及頂部預埋 φ25錨固筋,三處共 12根。

導向墻對于控制大管棚鋼管的鉆孔方向至關重要 ,同時也兼作止漿墻。洞口前端采用 2m長套拱作為大管棚導向墻,套拱拱腳基礎采用M10漿砌片石砌筑。套拱的厚度為 50cm,材料采用 C25混凝土,套拱內埋設 4榀 I18型鋼,按大管棚鋼管設計位置,沿 I18型鋼拱圈環向準確布置 φ152鋼管,并與型鋼焊接牢固,作為管棚鉆孔時的導向管,并將孔口預埋一定的上抬坡度(1°～2°)。在仰坡中部、拱腳處將預埋錨固筋與型鋼拱架焊接,以避免在澆筑混凝土時移位。具體施工見圖 5。

圖 5 大管棚施工示意圖

5.3 鋼花管的制作

鋼花管按照設計要求制作,管頭加工成錐形以便送入。為確保接頭質量,以長 15cm的絲扣連接。為防止漿液倒流,每根管棚尾部均焊接有止漿板,止漿板采用 2cm厚鋼板制作,中間鉆有φ20帶內螺紋的孔,以備注漿時用。

5.4 大管棚施工

(1)搭設鉆孔平臺、安裝鉆機及鉆機定位。①對大管棚孔位編號,從一側順次編號;

②利用預留的開挖土,在其上用枕木和鋼管腳手架搭設鉆機工作平臺,并隨鉆機位置進行搭建或拆除;

③鉆機平臺要著實地,與鉆機平臺鉆機要用扣件連接成整體,以確保鉆機穩定,防止在施鉆時鉆機產生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量;

④鉆機定位:按照預埋的鋼套管位置,將鉆機移動至 1#管棚位置,依管棚編號順序鉆孔。要求鉆機與已設定好的預埋導向管方向平行,必須精確核定鉆機位置。用掛線、鉆桿導向相結合的方法反復調整,以確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

(2)鉆 孔

為了便于鋼管頂進以及注漿擴散,鉆頭直徑采用 130mm。使用頂驅液動錘按套拱中預埋的鋼套管角度,把套管與鉆桿同時同步放入鋼套管內沖擊回轉鉆入巖土層內至設計深度。鉆機開鉆時,先低速鉆進,待成孔 10m后可加快鉆進速度,但要根據地質情況對鉆進速度進行調整,避免成孔卡鉆現象并保證成孔質量;套管與鉆具要同時跟進,使其產生護孔功能,避免內鉆桿在提出孔后出現塌孔,提供臨時護孔,方便往孔內插管注漿。鉆孔時要經常使用測斜儀量測鋼管鉆進的偏斜度,當偏斜超過設計要求時必須及時更正。要求鉆孔精度高,終孔位置準確,各開孔的孔眼必須與終孔的孔眼落在同一周界面上,避免產生較大的偏差和變形。同時要確保鉆孔的同軸度,以避免管棚送入時受卡。

因大管棚施鉆范圍為堆積體,巖體呈松軟-松散結構,自穩性差,極易垮塌,大管棚孔的施鉆主要存在卡鉆、掉鉆頭、坍孔、退鉆等問題。我們在選擇鉆孔工藝時考慮到了這些問題,采用了套管跟進法施鉆,即用偏心鉆頭及套管靴使鋼管跟進鉆頭進尺。

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,以作為開挖洞身的地質預探預報、作為指導洞身開挖的依據。

(3)清 孔。

鉆孔完成后,用高壓氣通過鉆桿從孔底逐漸向孔口清理鉆渣;取出鉆桿后,套管仍保留在孔內供護孔用。

(4)安裝管棚鋼花管及鋼筋籠。

①用鉆機分節安裝鋼花管和鋼筋籠,即鉆機鉆桿不轉動,鉆機機身往前推進,通過連接卡使鋼花管和鋼筋籠受力。當鉆機機身移動到最大位置后松動連接卡,鉆機機身退回來,然后重新固定連接卡,鉆機向前推進,如此反復,將鋼花管和鋼筋籠分節安裝就位,見圖 6、7。

②鋼花管采用 15cm長的內車絲扣,每節鋼花管在安裝好鋼筋籠后一同安裝。

③對于編號為單號的孔位,鋼花管按 6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m進行分節;對于編號為雙號的孔位,鋼花管按 4m+6m+6m+6m+6m+6m+6m進行分節。鋼筋籠同一橫斷面內的接頭數不大于 50%。

圖 6 鋼花管與鋼筋安裝示意圖

圖 7 連接卡大樣圖

④當管棚安裝完畢,及時在鋼管外露端焊上止漿板、止漿閥,并檢查焊接強度和密實度。

5.5 注 漿

利用漿液的滲透作用和壓密作用將周圍巖體預先加固并封堵圍巖的裂隙水,這樣做既能起到超前預支護的作用,同時也加強了管棚的強度和剛度。

(1)工藝流程(圖 8)。

(2)注漿的施工程序及方法。

①注漿采用 BW-250/50型注漿機注漿。注漿前先檢查管路和機械狀況,確認正常后做壓漿試驗,確定合理的注漿參數,據以施工。

②注漿時一般是先注無水孔,后注有水孔。因板橋山隧道洞口堆積體中無地下水,故從拱腳起(1#管棚)順序注漿。注漿速度根據注漿孔出水量的大小而定,一般由快到慢。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象,如發生串漿,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注漿。注漿過程中壓力如突然升高,判斷可能發生堵管,必須停機檢查。

③通過焊接在鋼花管上的止漿閥對大管棚注漿,進漿量按照 20～30L/min控制,注漿壓力逐步升高,達到 1～2MPa時繼續注漿 15min后結束注漿(板橋山隧道出口大管棚的注漿量一般為8.0m3/根)。注漿結束后,及時封堵注漿口并將閘閥關閉,卸下進漿管,進入下一循環。

圖 8 工藝流程圖

④注漿過程派專人負責填寫《注漿記錄表》,記錄注漿時間、漿液消耗量及注漿壓力等數據,觀察壓力表值,監控連通裝置,避免因壓力猛增而發生異常情況。

6 施工質量控制要點

(1)鉆孔前,精確測定孔的平面位置、傾角、外插角,并對每個孔進行編號;

(2)鉆孔仰角的確定視鉆孔深度及鉆桿強度而定,一般控制在 1°～2°,鉆機最大下沉量及左右偏移量為鋼管長度的 1%左右,并控制在 15～20cm;

(3)嚴格控制鉆孔平面位置,管棚不得侵入隧道開挖線內,相鄰的鋼管不得相撞和立交;

(4)經常量測孔的斜度,發現誤差超限應及時糾正,對于至終孔仍超限者應封孔,原位重鉆;

(5)掌握好開鉆與正常鉆進的壓力和速度,防止斷桿;

(6)鋼花管與鋼筋籠的接頭要錯開,同一斷面接頭數不大于 50%;

7 效果評價

為保證施工安全并檢查大管棚的實施效果,項目部專門組織對堆積體段的凈空收斂進行量測,在 30m堆積體處理段埋設了 3條收斂基線,對監測數據進行的分析情況見表 1。從量測情況看,埋設初期收斂增長較慢,環挖核心土時收斂變形急劇增長,然后趨于穩定,均滿足設計要求,充分說明了大管棚預注漿超前支護對防止圍巖急劇控惡化、制隧道變形的作用是顯著的,見表 1。

表 1 凈空收斂監測變形分析表 /mm?d-1

8 結 語

采用長大管棚、結合 φ70無縫鋼管對洞口段堆積體進行注漿固結然后再進行開挖,作為穿越板橋山隧道出口巨厚堆積體的超前支護手段,其成功之處在于:通過注漿,將松散的堆積體固結起來,利用大管棚支護圍巖,將注漿體和管棚連成一個整體共同受力,在隧道開挖輪廓線外形成棚幕和一層殼體,有效地阻止了堆積體出現坍塌,也使圍巖的沉降在可控范圍,為隧道洞身安全、順利地施工創造條件,是新奧法與其他輔助施工方法的有效結合。

[1] 公路隧道施工技術規范,TGF60-2009[S].