壓漿、大管棚在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

劉德強(qiáng)

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100070）

壓漿、大管棚在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用

劉德強(qiáng)

（中鐵資源集團(tuán)有限公司，北京 100070）

介紹了壓漿和超前管棚在不良地質(zhì)隧道施工中的受力原理與應(yīng)用。結(jié)合浙贛鐵路茶垣、楊樹灣隧道施工，介紹了破碎、松軟圍巖條件下大管棚的施工技術(shù)。實(shí)踐證明，超前管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠性能，對于不良地質(zhì)地下結(jié)構(gòu)有較好的適用性。

支護(hù)；壓漿；大管棚；施工技術(shù)

在施工中經(jīng)常會(huì)遇到軟弱、破碎、松散或斷層破碎帶或由于不規(guī)則開采形成的坑洞等復(fù)雜地質(zhì)條件，此類工程開挖支護(hù)困難、地壓力大、支護(hù)變形大，有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的塌方破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。通過本人在浙贛鐵路電氣化改造工程施工中，以實(shí)際施工的兩座隧道為例談一下壓漿和大管棚壓漿超前支護(hù)的應(yīng)用情況。

浙贛線電氣化提速改造工程Z15標(biāo)段跨越新余、宜春、萍鄉(xiāng)三市，屬丘陵地帶，地勢起伏較大，線路通過地段基本為水田和丘陵。丘陵斜坡地貌，上覆粉質(zhì)黏土，下伏基巖為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖、風(fēng)化頗重，局部存在風(fēng)化差異現(xiàn)象，地下水不發(fā)育。本項(xiàng)目管段主要的控制工程是兩座雙線隧道，分別為茶垣隧道（327 m）和楊樹灣隧道（263 m）。

茶垣隧道地處丘陵剝蝕地貌區(qū)，地形起伏較大，地表植被發(fā)育。地表覆蓋坡殘積粉質(zhì)黏土，厚0～5 m；下伏二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）砂巖、頁巖夾灰質(zhì)頁巖、煤層。全隧埋深淺（最大埋深42 m），巖性破碎，地表水較貧乏，地下水為基巖裂隙水，具中等溶出型和中等硫酸型侵蝕。不良地質(zhì)為煤層采空區(qū)。據(jù)調(diào)查，進(jìn)出口及洞身地表多為煤洞，多呈雞窩狀豎井開采，進(jìn)、出口段均發(fā)現(xiàn)有地表塌陷現(xiàn)象；據(jù)鉆探揭示：隧道進(jìn)口段有人工坑道。

楊樹灣隧道地處丘陵剝蝕地貌區(qū)，地表覆蓋坡殘積粉質(zhì)黏土，厚0～5 m；下伏二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）頁巖、砂巖夾灰質(zhì)頁巖、煤層。單斜構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，呈張開型，基巖破碎；地表水較貧乏，主要為基巖裂隙水，地下水埋藏較深，具中等溶出性及中等硫酸鹽侵蝕。不良地質(zhì)為煤層采空區(qū)，據(jù)調(diào)查BDK821+561右80 m有很多煤洞，BDK821+650右80 m有采煤口，其已坍塌，無法進(jìn)入，BDK821+750右50 m有一采煤口，已封閉。

1 地面及開挖掌子面松散體導(dǎo)管壓漿固結(jié)

洞口邊仰坡按設(shè)計(jì)開挖坡度開挖，并及時(shí)施作錨、噴、網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。開挖前做好洞頂截水溝，施工時(shí)做好洞口范圍的排水。茶垣隧道出口地處山體的松散堆積物中，在隧道出口明洞段開挖15 m后，由于擾動(dòng)了坡腳，導(dǎo)致山體滑坡，裂縫和錯(cuò)臺(tái)高達(dá)4 m。隧道初期支護(hù)全部坍塌，滑坡不斷發(fā)展變形，以致隧道無法施工。因此采取了抗滑樁加固滑坡，采用護(hù)壁法開挖3×2 m截面的抗滑樁20 m，共6根，隧道口兩側(cè)均布。同時(shí)對坡面松散圍巖壓漿固結(jié)，采用水灰比1∶1的水泥漿液，壓力1.2～2 MPa，用φ50 mm鋼管，鉆梅花形眼孔，間距20 cm。高壓注漿固結(jié)坡面。有時(shí)在洞室開挖掌子面松散時(shí)，也采取壓漿固結(jié)，這樣可達(dá)到固結(jié)圍巖，提高圍巖的穩(wěn)固性和整體性，對下部施工創(chuàng)造有利條件。

2 超前大管棚支護(hù)及注漿

對松散破碎圍巖采取大管棚超前支護(hù)和注漿加固，才能保證開挖支護(hù)時(shí)局部穩(wěn)定，給開挖支護(hù)提供條件和時(shí)間，有時(shí)還結(jié)合小導(dǎo)管超前支護(hù)。管棚工作原理：①通過管棚注漿，使拱頂預(yù)先形成加固的保護(hù)環(huán)。而加固環(huán)發(fā)揮“承載拱”的作用，承受拱上部的地面荷載和巖層重量，使拱內(nèi)部圍巖僅承受拱部圍巖的形變壓力，從而創(chuàng)造理想的開挖條件。②當(dāng)超前管棚沿隧道開挖輪廓周邊密布時(shí)，加固環(huán)的變形變小，傳遞給隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的上部荷載減小，同時(shí)通過環(huán)形固結(jié)層與管棚，將拱部圍巖的形變應(yīng)力傳遞給支撐拱架。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。管棚超前支護(hù)作用下隧道洞室的開挖，其力學(xué)特點(diǎn)是隧道的開挖過程等價(jià)于隧道開挖過程中管棚與隧道洞室以及圍巖相互作用的力學(xué)模型的不斷移動(dòng)。管棚的起始端作用在型鋼架上，可視為有一定豎向位移的固定端；支撐管棚作用的基礎(chǔ)圍巖是彈性體，因而管棚可用Winkler彈性地基梁模型來描述。隧道開挖過程中管棚力學(xué)模型見圖1。

圖1 隧道開挖過程中管棚力學(xué)模型圖

2.1 大管棚設(shè)計(jì)

（1）拱部環(huán)向設(shè)置，每循環(huán)40根，環(huán)向40 cm，每循環(huán)管棚長20 m，循環(huán)搭接2 m。

（2）采用 108 mm×5 mm無縫鋼管，長6 m。

（3）管棚超前支護(hù)外插角進(jìn)出口1°，洞內(nèi)3°。

（4）采用水灰比1∶1水泥漿，425級普通硅酸鹽水泥。注漿壓力：初壓 0.5～1.0 MPa，終壓 2 MPa。

2.2 大管棚施工

2.2.1 洞口邊仰坡或管棚工作室施工

（1）在洞口6 m左右時(shí)預(yù)留核心土，作為導(dǎo)向拱及大管棚施工工作平臺(tái)。另外，為保持洞口仰坡穩(wěn)定，結(jié)合管棚導(dǎo)向管，在洞口里程外2 m設(shè)置套拱，套拱施工時(shí)，需在拱腳采用鎖腳錨桿，以確定導(dǎo)向管穩(wěn)定。在套拱范圍內(nèi)開挖采用垂直坡，避免導(dǎo)向管侵占洞身，影響洞身支護(hù)。

（2）隧道內(nèi)兩組管棚搭接處，為防止下一組管棚施工時(shí)侵入開挖線或仰角過大管棚末端上揚(yáng)過高，根據(jù)管棚鉆機(jī)的外形尺寸（本工程采用MK5型鉆機(jī)）及操作要求，開挖長度6 m、斷面擴(kuò)大0.5 m的管棚工作室。本次設(shè)計(jì)管棚長度為30 m，搭接2 m，所以每間隔28 m需開挖一個(gè)管棚工作室。考慮管棚工作室段施工斷面比一般地段大，且為上一組管棚的后半段，圍巖壓力增加，為確保安全，在管棚工作室施工前加設(shè)超前小導(dǎo)管支護(hù)。

圖2

2.2.2 導(dǎo)向管定位計(jì)算、放樣

管棚導(dǎo)向管的設(shè)置位置及角度的準(zhǔn)確性直接影響管棚的質(zhì)量以及管棚發(fā)揮超前支護(hù)作用的程度，這就決定了導(dǎo)向管定位的重要性。計(jì)算原則是既防止管棚侵入隧道初支界限或偏離開挖邊線較遠(yuǎn)而無法真正起到超前支護(hù)作用，又考慮管棚鉆進(jìn)過程中自重作用而產(chǎn)生的鉆頭下沉偏差。管棚鉆機(jī)鉆進(jìn)位置控制以開孔所在斷面與管棚工作室起點(diǎn)所在斷面進(jìn)行控制，兩個(gè)斷面距離28m，開孔斷面為初支外斷面，管棚工作室起點(diǎn)所在的斷面比起開孔所在圓弧半徑放大0.8m（其中管棚工作室提高0.6m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)28m左右管棚前端下沉量小于0.4 m），導(dǎo)向管長1 m。在不考慮線路縱坡及曲線的情況下，采用相似三角形等比原理分別計(jì)算導(dǎo)向管起終位置坐標(biāo)及導(dǎo)向管的方位。

2.2.3 安裝導(dǎo)向管、施作套拱

工作室開挖、支護(hù)完成后，繼續(xù)向前開挖2榀標(biāo)準(zhǔn)斷面大約25 cm的斷面，盡快初噴，噴射C20混凝土5～8 cm封閉掌子面。在開挖工作面處先安設(shè)受力拱架，并在其上正確標(biāo)明管棚位置。根據(jù)導(dǎo)向管定位坐標(biāo)確定導(dǎo)向管位置，將導(dǎo)向管（長1 m的127 mm×6 mm鋼管）焊接在工字鋼上，導(dǎo)向管與鋼拱架之間高差可以采用鋼墊塊進(jìn)行調(diào)整。焊接牢固，使鋼拱架與導(dǎo)向管形成整體，并迅速用噴射混凝土噴形成套拱。洞口段套拱對穩(wěn)定仰坡有一定作用。

2.2.4 鉆孔、清孔、驗(yàn)孔

采用潛孔鉆機(jī)Φ125鉆頭施鉆，仰角為設(shè)計(jì)角度1°～3°。開孔時(shí)鉆速宜低，鉆進(jìn)50 cm后即用正常鉆速鉆進(jìn)。同時(shí)用測斜儀器檢查鉆孔的傾斜度和方向，發(fā)現(xiàn)偏斜及時(shí)糾正，保證鉆入角度不變，孔口偏差不大于8 cm。鉆孔順序一般由高孔位向低孔位進(jìn)行。

鉆孔是大管棚施工的關(guān)鍵工序，鉆孔的質(zhì)量直接關(guān)系到管棚的整體質(zhì)量。鉆孔前需搭建鉆機(jī)平臺(tái)，平臺(tái)采用預(yù)留核心土，在其上用枕木搭設(shè)，鉆機(jī)與平臺(tái)連接成整體，確保鉆機(jī)穩(wěn)定，防止在施鉆過程中鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉或擺動(dòng)，影響鉆孔質(zhì)量。鉆機(jī)定位要與導(dǎo)向管方向一致，鉆進(jìn)過程中要經(jīng)常測量鉆桿角度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)調(diào)整。地質(zhì)較好的地層可一次成孔，鉆進(jìn)時(shí)如產(chǎn)生坍孔、卡鉆、需補(bǔ)注漿后再鉆進(jìn)，在地質(zhì)條件較差難成孔的地層則采用跟管鉆，見圖3。

圖3 管棚鉆孔示意圖

在鉆進(jìn)過程中做好原始記錄，及時(shí)根據(jù)核心土質(zhì)進(jìn)行地質(zhì)描述、判斷，作為隧道開挖的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)以及開挖依據(jù)。鉆孔完成后用鉆桿配合鉆頭進(jìn)行來回掃孔，用高壓風(fēng)通過鉆桿，從孔底逐漸向孔口清理鉆渣，確保孔徑、孔深符合設(shè)計(jì)要求，并檢查鉆孔位置、方向、深度、角度，檢查合格后進(jìn)行管棚安裝。

2.2.5 鋼管棚制作

鋼管采用 108 mm×6 mm無縫鋼管，每節(jié)6 m，管棚接長采用絲口連接，管箍壁較鋼管厚，在專用的車床上進(jìn)行絲扣加工，絲扣長10 cm。棚管四周鉆10 cm出漿孔，40 cm×40 cm呈梅花形布置，在尾部2 m范圍內(nèi)不鉆孔，管頭切成圓錐形，有利于管棚頂進(jìn)。然后把鋼管頂入注漿孔內(nèi)，可采用風(fēng)鉆或挖機(jī)直接推入。

2.2.6 頂進(jìn)注漿管

采用鉆機(jī)低速頂進(jìn)鋼管，鋼管連接采用絲扣，相鄰2根鋼管的接頭應(yīng)前后錯(cuò)開超過1 m，同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)≤50%，注漿管頂進(jìn)應(yīng)每鉆一根頂進(jìn)一根。

2.2.7 漿液配制、注漿

大管棚注漿的主要目的是增強(qiáng)管棚的抗彎強(qiáng)度，通過漿液將周邊圍巖固結(jié)，以提高圍巖開挖后自穩(wěn)能力。鋼管打入后采用注漿泵先壓水試壓，當(dāng)壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)，穩(wěn)壓2 min，以此沖刷坍體孔隙，擴(kuò)大漿液通路，提高漿液滲透性。注漿材料可根據(jù)地質(zhì)條件采用單液漿或雙液漿。

水泥漿攪拌在拌和機(jī)內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)拌和機(jī)容量大小，嚴(yán)格按要求投料，水泥漿濃度根據(jù)地層情況和凝膠時(shí)間要求而定，一般控制在 0.8∶1～1.5∶1。

攪拌水泥漿的投料順序?yàn)椋涸诩铀耐瑫r(shí)將緩凝劑一并加入并攪拌，待水量加夠后繼續(xù)攪拌1min，最后將水泥投入并攪拌3min。

緩凝劑摻量根據(jù)所需凝膠時(shí)間而定，一般控制在水泥用量的2%～3%。

在注漿開始前需做好注漿設(shè)計(jì)，單液漿采用水灰比為1∶1的水泥漿，在地下水豐富地段采用水泥水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5。注漿過程采取注漿壓力和注漿量兩個(gè)指標(biāo)綜合控制管棚注漿，進(jìn)漿速度不能過快，一般控制在每根導(dǎo)管總進(jìn)量≤30 L/min。導(dǎo)管注漿采用不定量注漿，當(dāng)注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，孔口壓力達(dá)到2.5 MPa時(shí)結(jié)束注漿；有時(shí)雖未達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%，即可結(jié)束單孔注漿。注漿結(jié)束后及時(shí)清洗泵、閥門和管路，保證機(jī)具完好，管路暢通。

2.2.8 注漿機(jī)械配備表

見表1。

表1 注漿機(jī)械配備表

2.2.9 注意事項(xiàng)

（1）壓漿順序?yàn)樽韵露希葍蛇吅笾虚g。

（2）為避免漿液將已鉆好的孔充填，鉆孔和壓漿作業(yè)交替進(jìn)行，鉆完一孔即壓一孔，壓完一孔鉆一孔。

（3）為節(jié)約水玻璃，第一次壓漿壓入雙液漿，達(dá)到止水效果后，可根據(jù)漿液滲漏情況，壓單液漿或間歇壓雙液漿。

（4）壓漿過程中注意記錄注漿時(shí)間、壓力及注漿量。

（5）兩臺(tái)同一型號(hào)的注漿泵，壓水泥漿的一臺(tái)開在250 L/min檔位上，壓水玻璃的一臺(tái)開在175 L/min檔位上，這樣出漿之比為175∶250=0.7，與設(shè)計(jì)配合比基本吻合。

2.2.10 注漿過程中異常現(xiàn)象的處理

（1）注漿過程中如發(fā)生串漿或跑漿時(shí)，采用稍加停機(jī)，再壓漿或?qū)⒋疂{孔堵塞，但停機(jī)時(shí)間不能超過管內(nèi)混合漿液的凝膠。

（2）壓雙液漿時(shí)，壓力突然升高，則關(guān)停水玻璃閘閥及水玻璃泵，進(jìn)行單液注漿或注清水，當(dāng)泵壓正常時(shí)，再進(jìn)行雙液注漿。

（3）若在注漿過程中遇到坍體空隙率大且局部有空洞，注漿量很大而注漿壓力上不去的情況，以控制注漿量為主，一般達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量后，稍施穩(wěn)壓即可停止注漿。

（4）注漿過程中應(yīng)密切注意注漿壓力，若壓力突然迅速上升，則證明堵了管，應(yīng)立即關(guān)閉注漿泵檢查管路，疏通后方能繼續(xù)注漿，否則會(huì)造成爆管漿液噴出傷人，同時(shí)要防止水玻璃溶液濺到皮膚上。

3 鎖腳大導(dǎo)管

在淺埋洞室開挖中圍巖破碎松散，即使采取了超前支護(hù)，但在開挖支護(hù)后，較短時(shí)間拱部就發(fā)生收斂下沉變形，無法保證型鋼支架的穩(wěn)定，需要在間距0.8 m型鋼支架拱腳處施設(shè)鎖腳導(dǎo)管，以使支架保持穩(wěn)定。在每榀拱架的拱腳，向下45°施設(shè)6 m長、φ108 mm的大導(dǎo)管，并把導(dǎo)管焊接于拱架上，以使拱架承受的力傳至鎖腳導(dǎo)管，有效控制了拱架的下沉變形。

4 體會(huì)

茶垣和楊樹灣隧道采用壓漿和大管棚超前支護(hù)措施，取得了良好的效果，有效治理了破碎松軟圍巖和多次塌方變形,保證了隧道的安全施工，減少了地面下沉以及采煤巷道對施工的影響，為類似工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

（1）對松散、破碎、裂隙發(fā)育、地下水豐富的圍巖采取壓漿固結(jié)是十分有效的方法，提高了圍巖的整體性和穩(wěn)定性，同時(shí)可起到止水效果。

（2）對松軟圍巖開挖洞室，不能拘泥于新奧法施工的充分發(fā)揮圍巖的自承力理念，而是要強(qiáng)支強(qiáng)撐，提供及時(shí)、足夠的支撐體系，保證圍巖的穩(wěn)定，大管棚注漿就是超前給予圍巖有效的支撐。

（3）用管棚作為鎖腳，擴(kuò)大了拱架拱腳受力面積，有效控制了下沉和變形，同時(shí)在后續(xù)的中下導(dǎo)施工中，為拱架提供了支撐點(diǎn)，改變了以往拱架靠徑向錨桿和縱向連接筋的拉承體系，將受力通過管棚傳至深部圍巖，并改善拉力為壓力，有利于穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

超前管棚支護(hù)實(shí)際上就是超前錨桿施工的發(fā)展。實(shí)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)利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐，構(gòu)成縱、橫整體，剛度較大，能阻止和限制圍巖變形，并能提前承受早期圍巖壓力。

（2）管棚支護(hù)及注漿施工不需要大型機(jī)具設(shè)備、工藝簡單、操作方便，預(yù)加固效果明顯。其施工速度快，支護(hù)及時(shí)、效果好，安全性高，能阻止嚴(yán)重滲水，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

（3）對于洞口的軟弱破碎圍巖地段、淺埋地段，開挖在超前管棚支護(hù)下進(jìn)行，提前發(fā)揮超前支護(hù)作用，可增加施工安全度，有效保證巖體穩(wěn)定，減少地表下沉和防止圍巖松弛、坍塌。

（4）對礦山施工處理破碎、軟弱、洞室影響圍巖有一定的借鑒作用，礦山有時(shí)遇到破碎又需開采的礦體，可采用管棚支護(hù)提供安全空間進(jìn)行開采，擴(kuò)大開采作業(yè)面。

Application of Mud Jacking,Big Tube Awning under Complex Geology

Liu Deqiang

The article introduced the mud jacking and manages the awning in bad geological tunnel construction stress principle and the application in advance.Unifies the Zhejiang and Jiangxi iron tea made where grown and shipped directly to markets wall，the poplar tree bay tunnel construction，introduced stave，under the soft adjacent formation condition the big tube awning construction technique.The practice proved that manages the awning supports and protections structure to have the enough reliable performance in advance，has the good serviceability regarding the bad geological underground structure.

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U455.49

A

1000-8136(2011)05-0001-03