巖溶發育隧道超前管棚預注漿施工技術

摘要：本文結合宜萬鐵路堰家坪隧道出口段超前管棚注漿的施工，著重介紹巖溶發育段隧道施工中的超前管棚注漿施工工藝控制。結合工程實踐，詳細地介紹了超前管棚注漿的方案確定，施工設計、施工工藝以及管棚支護效果評價等，確保施工安全和隧道結構的穩定。對類似隧道施工有一定的借鑒作用。

關鍵詞：巖溶發育 隧道 超前管棚 注漿

1 工程概況

宜萬鐵路DK86+561～DK89＋224堰家坪隧道位于湖北省長陽縣榔坪鎮，全長2663m，設計為雙線隧道。全隧位于曲線半徑為2500m的曲線上，隧道設計縱坡為14.8‰和6‰。隧道圍巖為奧陶系下統灰巖、泥質灰巖，局部夾頁巖，節理較發育，巖體較破碎，結構松散，穩定性差；且洞身位于01含水透水巖組與02+3裂隙弱含水弱透水巖組分界附近靠01側的豐水區，可能遭遇縱向、橫向管道徑流的承壓水，或承接來自該段南側背斜山地分流的所有來水，成為“集水廊道”，易發生坍塌、冒頂、涌水、突泥災害。

2 施工方案確定

2006年3月10日隧道開挖至DK88+996掌子面，揭示從DK89+017斷面開始的拱頂充填性溶洞延伸到拱腳位置，即拱頂以下5M范圍全部為溶洞充填物。充填物主要為土夾碎塊石，充填物較松散，且充填物中滲水嚴重，水流呈線狀，易坍塌，溶洞底以下為灰巖巖體較破碎。采用水平鉆孔探測，該溶洞一直在向遂底延伸。根據超前地質預報，原設計的采用超前錨桿縱向間距2m格柵拱架間距1m的支護體系已不能保證隧道的施工結構安全。為確保施工和結構安全，提請設計變更確定對DK88+996掌子面前方26m采用φ108大管棚超前預注漿方案，其他支護措施按宜萬遂參03-20隧道圍巖Vb級支護施工。

大管棚支護是在隧道開挖外輪廓周邊上，間隔一定的距離，沿洞軸方向以一定的外插角鉆孔、安設鋼管，然后進行超前注漿固結松散圍巖的一種預支護措施。通過管棚注漿，鋼管與圍巖緊密固結，使隧道拱頂預先形成加固的保護環，加固的保護環可以承受拱部的地面荷載和巖層重量，在巖體開挖后架設拱型鋼架支撐，支撐拱架相互連接，形成一個牢固的縱橫棚狀支護結構。由于鋼管和圍巖形成了一個固結的整體，拱部變形變小，傳遞給支護鋼架的上部荷載大大減小，從而保證了洞身開挖的安全。

3 施工設計

3.1 管棚設計參數。鋼管規格：熱軋無縫鋼管φ108*6mm，節長3m，6m。管距：環向間距40cm共布置36根。鋼管軸線外插角1°。鋼管施工誤差：徑向不大于20cm，沿相鄰鋼管方向不大于10cm。隧道縱向同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少錯開1m。

管棚布置見右圖：

3.2 注漿設計參數

3.2.1 漿液材料及配比的確定。根據工程地質條件和注漿目的以及各種漿液材料的滲透性、滲透系數，注漿材料選用原則如下：

圍巖裂隙發育，可注性好的地層，可采用普通水泥漿液或水泥-水玻璃漿液。粉細砂地層（黏土含量低于2%）或圍巖裂隙發育一般、可注性一般的地層，可采用超細水泥漿液或TGRM超細雙液型水泥基特種注漿材料。含水、高壓致密土體，可采用HSC超細高早強型水泥漿液或化學漿液。

根據巖溶填充物松散的地質條件，本工程選擇普通水泥漿液；根據注漿試驗的成果確定水泥漿水灰比為0.6:1～1:1。

3.2.2 注漿量的確定。由于漿液的擴散半徑與巖層裂隙很難精密確定，根據隧道工程地質、水文條件以及所選擇的注漿材料，進行注漿量的估算。注漿量的估算按下式進行：Q=π*r2*L+π*R2*L* n*α*β

式中：Q—總注漿量；單位m3；

r—管棚管半徑;本工程取0.054m；

R—擴散半徑；本工程R取0.5m；

L—管長；本工程取26m；

n—圍巖孔隙率；本工程為13%；

α—漿液填充系數（0.7~0.9）；本工程取0.8；

β—注漿材料損耗系數；本工程取1.15。

則單孔注漿量Q=π*0.054*0.054*26+π*0.3*0.3*26*13%*0.8*1.15=0.878m3

3.2.3 注漿壓力的確定.注漿壓力是注漿施工中的重要參數，它關系到注漿施工的質量以及經濟效果。因此，正確確定注漿壓力與合理運用注漿壓力有著重要的意義。注漿壓力與巖層裂隙發育程度、漿液材料的粘度和凝膠時間長短等有關，目前均按經驗確定。本工程初壓力取0.5-1.0Mpa，終壓取2.0～2.5Mpa。

4 超前管棚注漿施工工藝

管棚施工主要工序有掌子面封閉、施工管棚工作室、導拱施工、搭設鉆孔平臺、鉆孔、安裝管棚管、注漿。管棚施工工藝流程圖如下。

4.1 掌子面封閉 DK88+996掌子面停止掘進，采用φ22mm砂漿錨桿(L=3.5m，@1.1×1.1m)，φ8mm鋼筋網（20×20cm），噴20cm厚C20砼的錨、網、噴臨時防護使臨空面穩定。

4.2 施工管棚工作室 工作室應比設計斷面大30～50cm，工作室長度應滿足鉆機作業要求。在DK88+996～DK89+002段上臺階管棚范圍擴挖80cm作為管棚工作室。在工作室范圍內安裝格柵鋼架間距0.8m，φ8mm鋼筋網（20×20cm），噴20cm厚C20砼；鋼架底腳落在溶洞底部的圍巖上。每榀鋼架底腳處打設8根5m長φ42mm鎖腳錨管并注漿加固。

4.3 導拱施工 工作室完成后施做導拱，因管棚在松散溶洞填充體內穿過，為提高鉆孔的方向控制精度，導拱尺寸確定為1cm×80cm（長×厚），延拱頂環向布置；采用C20砼澆注。將36根φ127×1.0mm導向鋼管按照管棚設計的間距和外插角焊接在鋼架上。導向管的外插角度控制是影響管棚施做質量的重要因素。鋼管距拱頂過高會減弱支護效果；過低可能出現侵入隧道凈空，施工時須割除造成管棚支護無效。結合溶洞充填物的特性和管棚的長度，外插角取1.5度。

4.4 搭鉆孔平臺安裝鉆機

4.4.1 作業平臺采用鋼管扣件按“井”字形搭設，平臺上鋪設木板形成工作面，準備好2m長的方木若干，調整鉆機高度。搭設前清理上臺階作業平臺上的淤泥雜物，確保鉆孔平臺落在實地、連接牢固、防止在鉆孔時鉆機擺動傾斜影響成孔質量。平臺長度不得小于6m，以便有足夠的空間安裝管棚鋼管。

4.4.2 鉆孔采用二臺XY-2PCC地質鉆機（φ115mm鉆頭）平行作業。鉆機定位要求鉆機與已設定好的孔口管方向平行，采用經緯儀掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，精確核定鉆機位置，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

4.5 鉆孔施工

4.5.1 根據施工任務布置兩臺鉆機鉆孔施工，一臺由低孔位向高孔位鉆進，另一臺由高孔位向低孔位鉆進，避免兩臺鉆機互相影響。鉆進時先低速低壓，等成孔2m后再根據地質情況逐漸調整鉆速及風壓，鉆進過程中要經常用測斜儀測定其位置，并根據鉆機鉆進的情況及時判斷成孔質量，及時處理鉆機過程中出現的事故。當遇到充填物粘性變大，排出的巖屑多為泥團時，采用注漿機向孔中注入高壓水，與高壓風混合將粘性碎渣吹出。當遇堅硬孤石不能鉆進時，采用沖擊鉆頭沖擊通過；當鉆進過程遇特殊復雜地層，不能鉆進或難以成孔時，采用預注漿加固后再鉆進施工。

4.5.2 鉆進過程中確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

4.5.3 鉆進時產生孔斜超過允許范圍（鉆孔平面誤差徑向大于20cm時）、坍孔、卡鉆時，需補注漿后再鉆進。

管棚鉆孔允許偏差

4.5.4 認真作好鉆進過程的原始記錄，根據每節段的鉆進速度及孔口巖屑進行地質分析，根據記錄數據繪制地質剖面圖和展開圖，為洞身開挖提供地質預測預報資料。

4.5.5 用φ127mm巖芯管進行掃孔，清除孔內巖碴和順通孔道。巖芯管長度不小于2.5m。如遇下管困難，連續掃孔幾次，同時借助高壓空氣吹洗，直到孔內清掃干凈。

4.6 安裝管棚鋼管 鋼管在專用的管床上加工好絲扣，絲扣長15cm，管間接頭錯開布置。導管四周鉆設孔徑10mm注漿孔(靠孔口1m處的管棚段不鉆孔)，孔間距15cm，呈梅花型布置。管頭焊成圓錐形，便于入孔。為使鋼管接頭錯開，加工鋼管時將鋼管進行鋼節編號，根據加工的鋼管節搭配好并做好記錄待用。

管棚頂進采用大孔引導和鉆機頂進相結合的施工工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導孔(φ127mm)，然后用鉆機邊回轉邊頂進鋼管。頂進困難時，用錘擊鋼管或用鋼管鉗扭轉鋼管，以取得較好的頂進效果。下管要及時、迅速，以保證在鉆孔穩定時將鋼管送到孔底。鋼管末端部可焊設擋圈并膠泥麻筋箍成楔形，以便鋼管頂進孔后其外壁與巖壁間隙堵塞嚴密。

4.7 注漿

4.7.1 安裝好有孔鋼花管后即對孔內注漿，注漿后檢查注漿質量，漿液擴散半徑不小于0.5cm。

4.7.2 水泥漿液由ZJ-400高速制漿機拌制，選用兩臺BW-250/50型注漿泵進行注漿。

1.高速攪拌機；2.吸漿管；3.回漿管；4.進漿閥；5.泵；6.壓力表；7.輸漿管；

8.快速接頭；9.孔口壓力力表；10.鋼管接頭；11.混合器；12.單向閥；13.三通；14.止漿塞；15.注漿孔

4.7.3 注漿施工要求。

①注漿前在鋼管中沿管壁安設φ15mm的PVC管至孔底，在管尾處與堵漿塞排氣孔相連接，作為排氣孔（安設鋼管蓋和注漿閥門）；注漿管與堵漿塞進漿孔相連，堵漿塞與鋼管間為絲扣連接。

②注漿采用從孔口一次注入，為使管內漿液飽滿密實，注漿時等排氣孔有漿液流出，進行終壓注漿，直至達到設計注漿壓力或設計注漿量時終止，然后關閉其閥門；一個孔段的注漿作業一般應連續進行直到結束，不宜中斷，應盡量避免因機械故障、停電、停水、器材等問題造成的被迫中斷。

③注漿結束標準：單孔注漿量達到設計注漿量，注漿壓力達到設計終壓力并終壓不少于10分鐘或注漿結束時的進漿量小于20L/min時，可結束注漿；全段結束標準為所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現象或漿液有效注入范圍大于設計值。

④注漿作業時若注漿量超限，未達到壓力要求，應調整漿液濃度繼續注漿，直至符合注漿質量標準，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙漿液充填飽滿。

⑤注漿結束后及時清除管內膠凝漿液，并用快硬水泥砂漿封閉管口，以增強管棚的剛度和強度。

5 洞身開挖及管棚支護效果評價

注漿結束后采用上下臺階法開挖施工。超前小導管采用φ42mm鋼花管，壁厚3.5mm，長3.5m，管壁每隔15cm交錯梅花型鉆眼，前段做成尖頭便于打入。超前小導管按環向0.4m每根，縱向2m每環，梅花型布置。小導管外插角約5°。開挖施工后初期支護采用20#工字鋼0.5m每榀，3.5m長Ф22砂漿錨桿1.0m*1.0m(環×縱)，20cm*20cmφ8鋼筋網片，噴射C20混凝土20cm。洞身開挖后對隧道洞身進行監控量測，如下圖（以DK88+990斷面為例）

2006年4月3日洞身開挖支護通過DK88+990斷面。經過對圍巖量測和拱頂下沉兩個項目的檢測DK88+990斷面拱頂下沉于4月16日達到穩定累計下沉值為4mm；徑向收斂值很小，累計2mm。最終該管棚注漿段隧道拱頂下沉和洞身收斂曲線趨于緩和；判斷該段圍巖趨于穩定。而且從圖中也可以看出經過管棚注漿后，洞身開挖后圍巖變形量很小；達到了預期的支護效果。

該段巖溶填充段從2006年3月28日開始洞身開挖，到2006年4月26日全部施工通過，未出現任何安全質量事故。

6 結束語

通過本工程的施工實例我們可以得出超前管棚預注漿施工方法是解決巖溶隧道軟弱圍巖的有效方法。超前管棚預注漿是利用管棚預注漿形成縱向支撐，利用型鋼鋼架作為環向支撐，共同組成一個聯合支撐體系。該體系剛度較大，能夠有效限制圍巖變形，極大程度減少地表下沉和圍巖坍塌，增加隧道的施工安全。另外管棚注漿也有效的對洞身周邊部分巖溶進行有效填充，改變縱向、橫向巖溶裂隙徑流通過洞身部分，對于巖溶隧道的突水突泥也有一定的預防作用。

參考文獻：

[1]公路隧道設計規范.(JTG D70-2004).

[2]關寶樹.隧道工程設計要點集.北京：人民交通出版社.2003.

[3]黎愛清，呂秀華.長大管棚施工工法[J].西部探礦工程，2003.

[4]王毅才.隧道工程.北京：人民交通出版社.2000.