管棚在軟弱圍巖隧道施工中的應用

朱金濤

摘要：在軟弱圍巖隧道進行的施工時，極易出現掌子面失穩及地表下沉的現象。以科學、合理的支護方法增強支撐力，能夠有效控制施工問題的出現，管棚技術就是其中一種有效的方法。本文以某軟弱隧道工程為例探討了其施工技術要點。

關鍵詞：管棚；軟弱圍巖；注漿

一、工程概況

長壽山隧道位于黃河北岸的大砂坪鄉與富民村之間，橫穿蘭州市兩區一縣，起點里程HDK41+910，終點里程HDK54+425，全長為12515m，屬于中鐵二十局集團蘭州樞紐項目控制性節點工程。自開工以來，項目部把長壽山隧道列為創魯班獎工程。隧道進HDK54+265～HDK54+425段有一個喇叭口斷面，為雙線集裝箱喇叭口隧道，該里程段隧道地質條件較差，施工難度大，技術含量高，線路穿越Ⅴ級全～強風化花崗巖。洞口段表層為坡積土，層厚0.5m～2m，進洞口 30m淺埋段為全風化花崗巖，巖體呈角礫碎塊松散狀結構，巖體完整性差，洞口邊仰坡及圍巖自穩能力弱。

自隧道準備開始進洞，隨著清除洞口表層土后，仰坡地表處產生裂縫，最大裂縫5cm，形成3～4cm的錯臺，且裂隙水入滲時，有滴水現象，洞口開挖工作面產生坍塌，施工進洞困難。根據現場實際情況，結合其他隧道施工經驗，認為較為合理的施工方法是采用長管棚超前預注漿，先對洞口段進行固結處理，以保證洞口淺埋段經濟、快速、安全的進洞。

二、管棚注漿法工藝原理

注漿管棚通過注漿填充圍巖裂隙，提高圍巖的強度和剛度，從而提高圍巖的整體承載能力。通過向圍巖注漿形成的加固圈起到“承載拱”的作用，支承“承載拱”上部的巖層重量，使拱內部的圍巖與支護系統處于免壓狀態。拱內部的圍巖與支護系統受到的力僅是由于隧道變形引起的形變壓力，當管棚為慣性力矩較大的厚壁鋼管，且沿隧道開挖輪廓線周密布置時，加固圈的變形較小，因此，隧道支護結構所承受的上部荷載大大減小。另外，在管棚進口端一般加有套拱基礎，另一端深入到隧道圍巖較為完整、堅硬處，這樣可以對上部的破碎軟弱圍巖形成一個穩定的“簡支梁”支撐結構，此簡支梁可起到承受上部壓力或者傳遞上部荷載的作用。

管棚作為隧道施工的輔助方法之一，適用于軟弱砂土質地層、砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質粘土地層，裂隙發育巖體、斷層破碎帶、淺埋大偏壓等圍巖，并對地層變形有嚴格要求的工程。通常情況下，在穿越鐵路修建地下工程、穿越地面及地下結構物修建地下工程、修建大斷面地下工程、隧道洞口段加固等特殊地段施工時，一般采用管棚進行超前支護。

三、管棚在軟弱圍巖隧道施工中的應用

（一）施工參數

1、長度的選擇

管棚長度應視隧道所處地形、地質等情況而定，首先必須要穿過掌子面上的土體破裂面一定的長度，使土壓力傳到已封閉的支護結構上，其次滿足鉆機設備的工作參數要求。特別是在地質重要任務比較復雜的情況下，一般應沿隧道軸向進行試鉆，取得詳細資料，從而決定長管棚的施工區長度。本隧道管棚長度為32m。

2、鋼管的選擇

管棚鋼管型號的選擇根據地質條件和支護條件，本隧道采用Ф108mm熱軋無縫鋼管，壁厚6mm，節長分別為4m和6m。

3、鋼管的間距

管棚環向布設鋼管間距多為30～50mm。間距布設對防止洞口上方土體坍落及松馳有很大的影響，施工中應根據現場情況選擇合理的間距。本隧道鋼管采用33cm。

4、注漿參數

注漿采用水灰比1：1（重量比）單液水泥漿，在早期強度要求較高時可采用雙液漿。在鋼管最外端1.5m范圍內不設置注漿孔，采用M10水泥砂漿灌注?？卓谟煤穸?-5mm鋼板鑿孔焊接注漿管等直徑小導管來封堵；鋼管與孔壁空隙得封堵，利用自制工具將早強水泥砂漿塞入孔口封堵，封堵材料入孔內不小于1m長度，確保封堵質量。注漿量及注漿結束與否，不是以時間來判斷，而是以注漿壓力來控制，當注漿壓力持續升高，接近或達到注漿額定壓力時，該管注漿即可結束。注漿初壓0.5～1.0Mpa，終壓2～2.5Mpa。

單孔注漿量：式中為漿液擴散半徑，取=0.6，為鋼花管長，取0.85為注漿飽滿系數，為地層孔隙率，根據現場土工試驗測得，由此算得單孔注漿量為0.9～2.0。

（二）施工技術

1、安設鉆機

采用MGJ―50型錨桿工程鉆機，無伸縮臂功能，鉆機升降采用在底架上用千斤頂升降，加設枕木垛調節所需高度。

2、開孔

開孔前必須檢查設備，保證設備狀況良好，對組合好的鉆具要檢查絲扣聯結是否緊密，偏心擴孔器轉動是否靈活。在架設好鉆機、調整好孔位的水平位置及仰角后，采用大于鋼套管直徑1～2級的潛孔錘，鉆鑿2～3m深的孔口，然后退出潛孔錘。

3、安裝管棚鋼管、鋼花管

（1）頂進鋼管采用4m和6m兩種長度規格，管棚鋼管、鋼花管節與節之間通過絲扣接頭連接，絲扣長15cm。為使鋼管接頭錯開，編號為奇數的第一節管采用3m鋼管，編號為偶數的第一節管采用6m鋼管，以后每節鋼管采用6m長鋼管，以保證同一斷面上接頭數不超過50%。鋼管節段間接頭采用企口焊接，確保連接可靠。（2）對有孔鋼管前4.5m不開孔，作為止漿段，其余部分按20cm間距交錯設置10㎜的注漿孔，管頭設置為圓錐形，以便入孔。（3）安裝鋼管前期靠人工送管，當阻力增大，人力無法送進時，采用鉆機頂進，頂進困難時，用錘擊鋼管或用卡鉗扭轉鋼管，以取得較好的頂進效果。在下管前，將要頂進的鋼管節搭配到設計長度并試拼接，并做好記錄。

4、鉆進

將第一節帶有套管靴的鋼套管套入鉆具，使偏心鉆頭露出到套管外，檢查扶正器、導正器、鉆桿三者是否同軸，以避免在鉆進中鋼套管歪斜，導致發生孔斜和加不進鉆桿和鋼套管的困難。鉆機加壓進入正常鉆進作業后，要注意排屑是否正常，要經常調整鉆壓，力求保持一個恒定的排屑速度。

5、退鉆：在退鉆倒換鉆具或退出孔口之前，沖擊器應后退進行吹孔或注水清洗，把環狀空間的巖屑清除干凈后，再把鉆桿及鉆具退出。反轉鉆具時不要太猛，防止鉆桿或沖擊器脫扣。

6、注漿

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，設備狀態是否正常，再做壓水試驗，以沖洗巖石裂隙，擴大漿液通路，增加漿液充塞的密實性，正式注漿時應保證注漿的連續性，這樣才能更好的保證上部固結層的受力均勻。

在注漿前應由試驗確定漿液配比、注漿壓力、漿液初凝時間等注漿參數。漿液配比選擇要考慮巖石裂隙情況及漿液擴散半徑，現場通過試驗孔確定。配制漿液時，要注意加料順序和速度，先加水后加水泥及外加劑，按照現場施工進度配置，防止漿液結塊。

清孔后，按由下至上，由中心至兩側的順序施工，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。

采用終壓和注漿量雙控制。以單管設計注漿量為標準，當注漿壓力達到設計終壓 不小于20min，進漿量仍達不到設計標準時，也可結束注漿，如進漿量大于試驗或設計量的1.5倍時，應停止注漿，查看周圍是否存在漏漿或地下河流，待處理完后再行注漿。

結束語

隧道采用超前管棚支護注漿施工，順利通過隧道進洞頂淺埋段及出口嚴重偏壓地段?，F場情況表明，超前管棚支護結合注漿技術很好地改善了松軟破碎巖層的物理力學性質，水泥漿液在壓力的作用下向四周擴散，充滿了鋼管周圍地質的縫隙，起到了固結圍巖的作用。管棚支護和后期施工的初期支護形成一個統一整體，縱橫交錯，共同受力，使整個開挖工作面處在管棚的“保護”之中。進洞口地段均采用管棚注漿施工進洞，達到了“零進洞、零開挖、零擾動”的目的，且順利進洞，實際施工效果證明，采用管棚支護和預注漿加固技術對于偏壓、淺埋隧道進出洞口段安全進洞開挖是安全、可靠的。

參考文獻：

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