秦嶺翠華山隧道洞口淺埋段大管棚超前支護(hù)施工技術(shù)淺析

摘要：本文結(jié)合施工情況，通過秦嶺翠華山隧道淺埋暗挖施工實(shí)例，淺析大管棚在軟弱圍巖地質(zhì)隧道中的施工技術(shù)原理，以及大管棚超前注漿支護(hù)的施工工藝，在類似工程中做借鑒，在今后的工程中起到安全保證。

關(guān)鍵詞：隧道 大管棚 超前支護(hù) 施工運(yùn)用

1 工程簡(jiǎn)介

西安至安康增建二線鐵路工程秦嶺翠華山隧道位于陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)，為穿越翠華山的單線越嶺隧道，位于秦嶺北麓低中山區(qū)，平均海拔670～1400m，洞身地表起伏較大，地表自然坡度30°～40°。隧道進(jìn)口位于小峪，出口位于青溝，全長(zhǎng)11271m。隧道穿越地層地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性多樣，次級(jí)斷裂發(fā)育，施工中可能遇到突然涌水、巖爆、圍巖失穩(wěn)等問題。隧道進(jìn)出口圍巖穩(wěn)定差，特別是出口淺埋偏壓。在正洞進(jìn)出口均采用長(zhǎng)度30m超前大管棚預(yù)支護(hù)。

2 管棚工法

管棚工法是在隧道開挖之前沿隧道開挖斷面外輪廓，以一定間隔與隧道平行鉆孔、插入鋼管，再?gòu)牟迦脘摴軆?nèi)壓注水泥漿或砂漿，來增加鋼管外圍巖的抗剪強(qiáng)度，并使鋼管與圍巖一體化，由管棚和圍巖構(gòu)成棚架體系，其效果可歸納為：

梁效應(yīng)：因鋼管是先行設(shè)置的，在掘進(jìn)時(shí)，鋼管在掌子面及其后方的支撐支持下，形成梁式結(jié)構(gòu)，以防止圍巖崩塌和松弛。

加強(qiáng)效應(yīng)：鋼管插入后，壓注水泥漿，加強(qiáng)了鋼管周邊的圍巖。

3 方案的確定

秦嶺翠華山隧道出口自2010年2月中旬準(zhǔn)備進(jìn)洞，出口右側(cè)山體較高，左側(cè)淺埋層最薄處只有2.5米，偏壓淺埋情況比較嚴(yán)重，坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大，施工進(jìn)洞困難。在清除洞口堆積土后，對(duì)左側(cè)高邊坡進(jìn)行了噴錨掛網(wǎng)防護(hù)后，開挖工作面條件具備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合其他隧道施工經(jīng)驗(yàn)，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(duì)洞口段進(jìn)行固結(jié)處理再進(jìn)行開挖，可以有效地保證洞口邊仰坡安全，確保順利進(jìn)洞。

4 施工設(shè)計(jì)

4.1 施工工藝

管棚參數(shù)

①導(dǎo)管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管及鋼花管（見圖1），鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠主筋4φ25，采用φ38鋼環(huán)(壁厚3mm)作固定環(huán)，固定環(huán)長(zhǎng)5cm，與鋼筋籠主筋焊接外徑108mm，壁厚6mm，節(jié)長(zhǎng)3m、6m。每節(jié)鋼管兩端均預(yù)加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管。

②管距：環(huán)向間距40cm；傾角外插角1.5°，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整，范圍在1°～2°；施工時(shí)應(yīng)先打編號(hào)為單號(hào)的鋼管，注漿后再打編號(hào)為雙號(hào)的鋼管，編號(hào)為雙號(hào)的鋼管可作為注漿補(bǔ)充管，若單號(hào)鋼管注漿，有不密實(shí)之處，雙號(hào)鋼花管注漿得到補(bǔ)充。

③注漿材料：M20水泥砂漿；

④設(shè)置范圍：拱部120°范圍，共16根；

⑤長(zhǎng)度：一環(huán)30m。

4.2 工藝流程

洞口明暗挖交接段開挖時(shí)挖至拱頂輪廓線下50cm左右，拱頂即作為導(dǎo)向墻施工和鉆機(jī)的架設(shè)的平臺(tái)。

4.2.1 施作導(dǎo)向墻

①導(dǎo)向墻(護(hù)拱)采用C25混凝土，在開挖輪廓線以外拱部和邊墻范圍內(nèi)施作，斷面尺寸為0.5m×2m，導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)3榀I20a工字鋼架，鋼架外緣設(shè)φ127壁厚5mm導(dǎo)向鋼管，鋼管與鋼架焊接。鋼架各單元由連接板焊接成型，單元間由螺栓連接，接頭處焊縫高度：腹板9mm，翼緣12mm。

②孔口管作為管棚的導(dǎo)向管，它安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度直接影響管棚的質(zhì)量。用全站儀在工字鋼架上定出其平面位置，及設(shè)定孔口管的傾角；用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角。孔口管應(yīng)牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移。

4.2.2 架設(shè)鉆機(jī)

①鉆機(jī)架設(shè)于預(yù)留的拱頂工作平臺(tái)上，對(duì)拱頂平臺(tái)進(jìn)行夯實(shí)，鋪設(shè)鋼墊板，其上沿洞身縱向鋪設(shè)枕木，鉆機(jī)架設(shè)于枕木上，連接牢固穩(wěn)定，確保施鉆時(shí)鉆機(jī)不產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)而影響鉆孔質(zhì)量。鉆孔由高孔位向低孔位進(jìn)行。

②鉆機(jī)定位：鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的孔口管方向平行，必須精確核定鉆機(jī)位置。用全站儀、掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法，反復(fù)調(diào)整，確保鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

4.2.3 鉆孔

①為了便于安裝鋼管，鉆頭直徑采用Φ127mm。

②巖質(zhì)較好的可以一次成孔。鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生坍孔、卡鉆時(shí)，需補(bǔ)注漿后再鉆進(jìn)。

③鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓，待成孔10m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

④鉆進(jìn)過程中經(jīng)常用測(cè)斜儀測(cè)定其位置，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時(shí)處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事故。

⑤鉆進(jìn)過程中確保動(dòng)力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn)。

⑥認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時(shí)對(duì)孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖時(shí)的地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)參考資料，從而指導(dǎo)洞身開挖。

4.2.4 清孔驗(yàn)孔

①用地質(zhì)巖芯鉆桿配合鉆頭進(jìn)行反復(fù)掃孔，清除浮渣，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。

②用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣。

③用經(jīng)緯儀、測(cè)斜儀等檢測(cè)孔深、傾角、外插角。

4.2.5 安裝管棚鋼管

①鋼管在專用的管床上加工好絲扣，導(dǎo)管四周鉆設(shè)孔徑10～16mm注漿孔，孔間距188mm，呈梅花型布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段150cm，編號(hào)為雙號(hào)的鋼管不開孔。管頭焊成圓錐形，便于入孔。

②為了提高導(dǎo)管的抗彎能力，在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根Φ18主筋和固定環(huán)組成，固定環(huán)采用短管節(jié)，節(jié)長(zhǎng)3～5cm，與主筋焊接，按1.5m間距設(shè)置。

③管棚頂進(jìn)采用裝載機(jī)和管棚機(jī)鉆進(jìn)相結(jié)合的工藝，即先鉆大于管棚直徑的引導(dǎo)孔(Φ127mm)，然后用裝載機(jī)在人工配合下頂進(jìn)鋼管。

④接長(zhǎng)鋼管應(yīng)滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯(cuò)開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開1m。

4.2.6 注漿

①安裝好有孔鋼花管、放入鋼筋籠后即對(duì)孔內(nèi)注漿，漿液由ZJ-400高速制漿機(jī)拌制，注漿后再施工無(wú)孔鋼管，無(wú)孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量。單號(hào)為有孔鋼花管。

②注漿材料：注漿材料為原設(shè)計(jì)為M20水泥砂漿，水灰比1：1（重量比）。經(jīng)過對(duì)比，施工實(shí)際采用1：1水泥凈漿，水泥攪拌應(yīng)在攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配合比投料，水泥漿的濃度一般應(yīng)控制在0.8:1.0～1.0:1，根據(jù)地層裂隙情況、含水狀態(tài)及凝膠時(shí)間要求合理適用。

③采用注漿機(jī)將水泥凈漿注入管棚鋼管內(nèi)，初壓0.5～1.0MPa，終壓2MPa，持壓15min后停止注漿。注漿量應(yīng)滿足下表的要求，漿體擴(kuò)散半徑不小于0.5m，一般為鉆孔圓柱體的1.5倍；若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。

④攪拌水泥漿的投料順序：在放水的同時(shí)，將緩凝劑、外摻劑在水中按一定比例加入，攪拌溶解，再將需要的水泥倒入攪拌2～3分鐘。

⑤外摻劑的摻量占水泥重量的5%～10%，緩凝劑摻量占水泥重量的2%～3%。

⑥濃水玻璃稀釋方法采用邊加水邊攪拌，邊用玻美計(jì)測(cè)量的方法進(jìn)行。

⑦制備水泥漿或稀釋水玻璃時(shí)，嚴(yán)防水泥塊或紙片進(jìn)入漿液，放漿進(jìn)入儲(chǔ)漿桶時(shí)要用濾網(wǎng)過濾，以防堵塞注漿泵。

⑧注漿過程中隨時(shí)檢查孔口，鄰孔、覆蓋層較薄部位有無(wú)串漿現(xiàn)像，如發(fā)生串漿，應(yīng)該及時(shí)停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口，也可以采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵，直到不再串漿時(shí)方可繼續(xù)注漿。

長(zhǎng)管棚注漿工程數(shù)量表（一環(huán)）

4.3 勞動(dòng)力組織

管棚施工工序多，工種雜、技術(shù)性強(qiáng)、要求技術(shù)工人具有各方面獨(dú)立操作能力，又能處理管棚施工中一般的故障，管棚施工的質(zhì)量很大程度上取決于鉆孔和注漿的質(zhì)量。勞力組織為：技術(shù)人員1人、鉆機(jī)操作工5人，管棚加工2人，鋼管頂進(jìn)8人，注漿6人，共計(jì)22人。

4.4 機(jī)具配備

結(jié)合正常施工需要，管棚施工機(jī)械設(shè)備配置如下：

MK-5管棚鉆機(jī)兩臺(tái)套、4L-20/8空壓機(jī)兩臺(tái)、UB3-A注漿機(jī)一臺(tái)、ZJ-400高速制漿機(jī)一臺(tái)、混凝土拌合站一座、混凝土振動(dòng)棒兩個(gè)、鋼模板、木模板、J3G-400A型型材切割機(jī)一臺(tái)、型鋼彎制機(jī)一臺(tái)、BX1－400型交流弧焊機(jī)兩臺(tái)、砼攪拌運(yùn)輸車（6.0m3）1輛、ZLC50C裝載機(jī)一輛。

4.5 施工質(zhì)量控制

①鉆孔前，精確測(cè)定孔的平面位置、傾角、外插角，并對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào)。

②鉆孔外插角1°～2°為宜，根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。鉆孔仰角的確定應(yīng)視鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度而定，一般控制在1°～1.5°。施工中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量。

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

④經(jīng)常量測(cè)孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時(shí)糾正，至終孔仍超限者應(yīng)封孔，原位重鉆。

⑤掌握好開鉆與正常鉆進(jìn)的壓力和速度，防止斷桿。

4.6 注漿效果評(píng)定

對(duì)注漿加固區(qū)進(jìn)行鉆孔取芯，觀察注資填充情況；在進(jìn)行單號(hào)鋼管鉆孔時(shí)觀察孔內(nèi)涌水顏色及涌水量，水色澄清或夾帶水泥渣塊，涌水量小于0.4L/min，則注漿效果較好，如果涌水為泥漿色或涌水量大時(shí)，應(yīng)補(bǔ)注或重注。

4.7 注意事項(xiàng)

為保證管棚施工質(zhì)量，必須做好孔口定位。本工程中利用自制的定位導(dǎo)向架來控制；大管棚必須在洞身開挖前完成。洞口開挖時(shí)應(yīng)預(yù)留拱頂施工臺(tái)階，在軟弱圍巖地段，鉆機(jī)底應(yīng)加設(shè)墊板或墊梁。

在施作大管棚預(yù)支護(hù)的過程中應(yīng)設(shè)置必要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息及時(shí)采取相應(yīng)的措施以保證施工安全和施工質(zhì)量。

造孔和注漿應(yīng)分序進(jìn)行，同序相鄰兩孔之間的間距不小于l m，否則注漿時(shí)容易引起塌孔。在進(jìn)行有壓注漿之前，一定要將各孔口封堵完好，以免造成漿液外溢，影響注漿效果和管棚質(zhì)量。

管棚鋼管之間的連接要保證質(zhì)量，并且在同一斷面上鋼管的接頭數(shù)量不能超過50％，以免在開挖過程中鋼管脫節(jié)，引起塌方。

為保證安全和管棚功效，在開挖之前，有必要全斷面施作一帽緣工程，起到支撐鋼管的作用。

5 采用大管棚法注漿超前支護(hù)施工技術(shù)的特點(diǎn)

5.1 在隧道開挖之前，在掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體，減輕傳到掌子面和支護(hù)上的荷載，控制開挖引起的松弛。

5.2 因采用高壓注漿，形成了改良的、高強(qiáng)的巖體。

5.3 采用了專門機(jī)械施工，加快了施工速度。

6 結(jié)語(yǔ)

該隧道洞口段采用超前大管棚注漿支護(hù)施工方法，為在破碎圍巖中快速掘進(jìn)提供了安全保障，也為翠華山隧道開挖按期完工提供了切實(shí)可行的技術(shù)措施。管棚施工中工作量最大、施工難度最大的是造孔鉆機(jī)在遇到破碎圍巖中的成孔困難，施工周期長(zhǎng)。大管棚施工在城市地鐵、鐵路、公路工程中極為常見，是控制地表下沉及保證安全施工的重要手段，而大管棚施工精度不高、長(zhǎng)度有限一直是施工的一大難題。為進(jìn)一步提高大管棚的施工質(zhì)量，縮短打設(shè)管棚時(shí)間，減少開挖及回填是待解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]周水興，何兆益，鄒毅松.路橋施工計(jì)算手冊(cè).人民交通出版社.

[2]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院發(fā)布《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》.中國(guó)鐵道出版社.

[3]關(guān)寶樹.隧道施工要點(diǎn)集.人民交通出版社.