富水卵石土三線大跨隧道大管棚施工技術(shù)

李金林

中鐵十七局第一工程有限公司成蘭項目 山西太原 030000

摘要：本文結(jié)合成蘭鐵路茂縣隧道進口三線大跨段大管棚施工實例，分析了三線大跨隧道段處于在富水淺埋卵石土層時，如何合理科學(xué)地進行大管棚施工，提高施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三線大跨；富水；卵石土

引言

目前，在大跨、淺埋等施工條件下，大管棚施工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁４蠊芘锸┕な欠乐箛鷰r坍塌及地表沉降的主要手段，管棚施工已成為淺埋暗挖三線大跨隧道控制地面下沉和加強隧道圍巖施工的主要方法，但對于同時存在富水和卵石土等軟弱地質(zhì)的施工條件，大管棚施工技術(shù)的研究和開發(fā)仍然是隧道前方圍巖預(yù)加固技術(shù)研究的主流。

1 工程概況

茂縣隧道穿越茂汶斷裂，該斷裂帶受汶川地震影響，仍處于活躍狀態(tài)，其高地殼應(yīng)力、高地震烈度、高地災(zāi)風(fēng)險特點極為顯著，屬極高風(fēng)險隧道，隧道進口段穿越卵石土層厚1.89～33.23m，含少量大漂石，具有滲透性較強、遇水地基承載力降低、自穩(wěn)性差等特點。正線進口淺埋段洞身采用φ76mm鋼管樁加固；隧道進口洞頂采用大管棚超前支護加固，加固里程范圍為D8K125+250～+285，棚管采用φ108mm熱軋無縫鋼花管，單根長35m，共63根。大管棚布置圖如圖1-1、圖1-2和圖1-3所示。

圖1-1大管棚立面布置圖

圖1-2 大管棚縱向布置圖

圖1-3 大管棚縱斷面布置圖

隧道進口段淺埋，最淺處靠近洞口，只有1.89m，如圖3所示。洞身位于第四系全新統(tǒng)堆積卵石土層內(nèi)，地表水流量及地下水水位受季節(jié)影響較大（正洞正常涌水量為291 m3/d，雨季最大涌水量為437m3/d），且本段位于車站內(nèi)為三線隧道，開挖斷面大（開挖尺寸寬×高為21.07m×13.99m，開挖斷面面積為239.85㎡），圍巖自穩(wěn)性差，大管棚施工應(yīng)充分考慮到這些因素的影響。

在富水、卵石土層、大跨、淺埋等復(fù)雜條件下進行大管棚施工，不利條件相互之間容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，施工難度相當(dāng)大。

2 施工機具的確定

2.1大管棚設(shè)計參數(shù)

（1）導(dǎo)向墻：C20混凝土，厚度100cm，寬度100cm。

（2）導(dǎo)管規(guī)格：熱扎無縫鋼花管，外徑108mm，壁厚6mm；單根長度35m，共63根。

（3）導(dǎo)管施作范圍及管距：環(huán)向間距40cm，施作范圍為拱部120°。

（4）傾角：外插角以1°～3°為宜。

（5）注漿材料：水泥-水玻璃雙液漿。

（6）孔口管規(guī)格：熱扎無縫鋼管，外徑180mm，壁厚6.5mm。

2.2施工機具的選擇

根據(jù)大管棚設(shè)計參數(shù)選擇合適的機械。現(xiàn)有的機械類型及相關(guān)參數(shù)見表2-1。

表2-1 現(xiàn)有機械及相關(guān)參數(shù)對照表

型號KG930B型

露天潛孔鉆車KQD-100型

電動潛孔鉆機ZSL-70

全液壓履帶式工程鉆機ZSL-100

全液壓履帶式工程鉆機

鉆孔直徑80～115m80～100m90～180m90～250m

鉆孔深度25m25m20～60m30～100m

鉆孔角度0～185°0～±90°0～360°0～360°

爬坡能力30°/≤20°30°

試鉆結(jié)果富水卵石土造成容易塌孔富水卵石土造成塌孔，卡鉆，鉆頭拔不出來沒有配套的跟管

和偏心鉆頭跟管施工，

具有可行性

綜合比選xxx√

綜合比選：

①鉆孔直徑：導(dǎo)管采用Φ108mm鋼花管，跟管采用Φ146mm專用鋼管，只有ZSL-70、ZSL-100合適；

②鉆孔深度：導(dǎo)管每根長35m，只有ZSL-70、ZSL-100合適；

③方法選擇：由于處在富水卵石土層，裸鉆施工容易造成塌孔、卡鉆和導(dǎo)管送不到位等現(xiàn)象，跟管施工比較合適。而ZSL-70沒有配套的跟管和偏心鉆頭，只有ZSL-100合適。

通過綜合比選，ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機各項性能均能滿足施工需要。最終選擇ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機作為大管棚的施工機械。

2.3施工機具配件的合理準(zhǔn)備

考慮到施工質(zhì)量和工期的影響，應(yīng)提前做好施工機具配件的準(zhǔn)備工作。考慮因素如下：

①大管棚每根導(dǎo)管需要采用Φ146mm套管24節(jié)（24x1.5m=36m>35m）；正常情況下，鉆孔完成一根需要7.5h，送管需要1h，拔管需要1.5h，注漿需要0.7h。正常情況下，一天24h可以完成鉆孔3根；

②設(shè)計注漿壓力要求達到1.5～2Mpa并穩(wěn)壓10min以上，需要封錨的快硬水泥砂漿初凝之后，才能進行注漿工藝，時間為4h；

③設(shè)計導(dǎo)管是按曲線布設(shè)在拱部120°范圍內(nèi)，同時鉆孔施工時要求隔樁鉆孔，造成一個作業(yè)平臺做好之后，只能夠完成導(dǎo)管鉆孔4～5根；

④正線進口淺埋段洞身采用Φ76mm鋼管樁加固，鋼管樁間距1.0m*1.0m（橫*縱），在鉆進的過程中，存在鉆頭鉆到鋼管樁的情況；

⑤隧道進口段穿越厚卵石土層，有大孤石，在鉆進的過程中，存在鉆頭鉆到孤石的情況；

⑥導(dǎo)管之間的間距為0.4m，在鉆進的過程中，存在鉆頭鉆到相鄰導(dǎo)管的情況。

綜合考慮，要合理高效地施工，需要準(zhǔn)備套管4套、鉆桿30節(jié)（30*1.5m=45m）、鉆頭3個（偏心鉆頭）、沖擊器2個等。

3 施工方法的確定

3.1現(xiàn)場試驗

在富水卵石土層中，進行了以下三組試驗，結(jié)果及原因分析如下：

（1）KQD-100型電動潛孔鉆機現(xiàn)場試驗結(jié)果失敗。原因：①鉆孔直徑不滿足要求；②鉆孔深度不滿足要求；③鉆孔角度準(zhǔn)確定位困難；④由于卵石土層富水，鉆進緩慢、同時也容易卡鉆，成孔后塌孔也比較嚴重；⑤導(dǎo)管送不進去的現(xiàn)象頻頻發(fā)生。

（2）ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機現(xiàn)場試驗裸鉆失敗。原因：①由于卵石土層富水，鉆進的過程中高壓風(fēng)將砂和石粉吹不出來，造成卡鉆；②卵石土層成孔后，塌孔現(xiàn)象屢見不鮮；③導(dǎo)管不能完全送進孔內(nèi)。

（3）ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機現(xiàn)場試驗跟管成功。成功經(jīng)驗總結(jié)：采用Φ146mm套管先跟鉆頭打進去，再退內(nèi)桿將偏心鉆頭拔出來，然后將導(dǎo)管頂進去，最后拔出套管的鉆孔方法，過程復(fù)雜，但具有可操作性。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗比選，大管棚施工決定選用ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機進行跟管施工。

3.2工法確定

（1）工法選擇。由現(xiàn)場試驗比選確定：富水卵石土層大管棚施工時，采用跟管施工方法，套管為Φ146mm，每節(jié)1.5m，鉆頭采用偏心鉆頭。

（2）施工工藝。大管棚跟管施工工藝流程圖如圖3-1所示。

4 大管棚施工工藝卡控要點

4.1工作平臺開挖

首先根據(jù)鉆機自身高度確定臺階的開挖高度，由原地面自上而下挖臺階，仰坡面需豎直開挖，以便大管棚導(dǎo)向墻施作。考慮鉆機平臺高度不能滿足導(dǎo)向墻施作高度，需將開挖平臺兩側(cè)以外的位置進行加深。

4.2測量放樣

首先考慮預(yù)留16cm的沉降量，再根椐線路中心線控制樁及高程控制點在坡面上標(biāo)識出隧道中心線及外拱頂標(biāo)高，并根據(jù)隧道的開挖輪廓線在坡面上畫出內(nèi)外拱弧，作為導(dǎo)向墻立模的依據(jù)，根據(jù)導(dǎo)向墻的里程和具體尺寸來控制導(dǎo)向墻內(nèi)外模的高度。

圖3-1 大管棚跟管施工工藝流程圖

4.3施作導(dǎo)向墻

（1）工字鋼安裝：為保證大管棚施工剛度，在導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)2榀I18定位鋼架（如圖4-1和圖4-2所示），拱部工字鋼半徑為11.9m（內(nèi)弧半徑），間距0.6米。鋼架安裝時應(yīng)嚴格按照設(shè)計中線及水平位置架設(shè)，定位鋼架大里程側(cè)比小里程側(cè)高2.1cm。鋼架的下端設(shè)在穩(wěn)固的地層上，拱腳開挖超深時，加設(shè)鋼板或混凝土墊塊。

（2）導(dǎo)向管埋設(shè)：鋼架架設(shè)完成后，進行導(dǎo)向管的埋設(shè)，導(dǎo)向管應(yīng)焊牢在定位鋼架上，布置如圖5所示。為滿足設(shè)計要求，先在工字鋼架頂面標(biāo)定出導(dǎo)向管的位置，并按間距、方向角要求布置導(dǎo)向管，導(dǎo)向管縱向與線路方向需一致，外插角角度控制為2°，即一端高3cm，安設(shè)時用1m水平管檢查。為避免混凝土澆注時堵塞導(dǎo)向管，則在導(dǎo)向管兩端采取密封措施。

（3）模板安裝：導(dǎo)向墻鋼模板之間通過鋼釘連接。為確保導(dǎo)向墻內(nèi)模圓順，導(dǎo)向墻端頭模板采用5cm厚木板安裝，木板間連接采用加背撐方式進行加固；下部內(nèi)模用兩榀I16工字鋼加固，下部用工字鋼斜向三角支撐加固，外側(cè)用腳手架鋼管支撐加固。模板安裝需牢固可靠，模板與混凝土接觸面需涂刷脫模劑。

圖4-1 大管棚導(dǎo)向墻內(nèi)導(dǎo)管布置圖

圖4-2 I-I大樣圖

（4）混凝土澆注：混凝土澆注前，需再次對模板加固情況和導(dǎo)向墻的結(jié)構(gòu)尺寸進行檢查，并作必要的較正；澆注順序為自拱腳兩側(cè)對稱澆注，直至拱頂。

（5）混凝土拆模及養(yǎng)護：混凝土澆注完畢后，需及時進行養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期不得少于7天。混凝土強度達到設(shè)計強度的70%后可拆除非承重模板（外模）及端模板，強度達到設(shè)計強度的100%后可拆除內(nèi)模及支架；拆除模板后，將孔口管進行編號。

（6）施工過程中，加強導(dǎo)向墻的沉降觀測。混凝土澆筑前、混凝土澆筑過程中、混凝土拆模后都必須量測，確保導(dǎo)向墻的沉降量在可控范圍內(nèi)。

4.4封閉開挖面

開挖面封閉采用濕噴混凝土，形成止?jié){墻，防止?jié){液回流影響注漿效果和邊坡垮塌。

4.5鉆機就位

（1）鉆機平臺用鋼管和扣件搭設(shè)，搭設(shè)平臺應(yīng)一次性搭好，鉆孔由1臺ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機由高孔位向低孔位進行。

（2）平臺要支撐于穩(wěn)固的地基上，腳手架連接要牢固、穩(wěn)定，防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移而影響鉆孔質(zhì)量。

（3）鉆機定位：鉆機要求與已設(shè)定好的孔口管方向平行，必須精確確定鉆機位置。

4.6鉆孔

（1）鉆孔采用ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機進行，鉆機平臺的高度根據(jù)鉆機的可調(diào)控范圍以及鉆孔順序進行確定，由于鉆機鉆孔順序按高孔位向低孔位進行，平臺位置相應(yīng)自上而下進行逐步降低，以滿足鉆孔需要。

（2）為了便于棚管安裝，鉆孔采用跟管施工，并隔孔開鉆。

（3）鉆機開鉆時，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）鉆進過程中經(jīng)常校正位置，并根據(jù)鉆機鉆進的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的事故。

（5）鉆進過程中確保沖擊器、偏心鉆頭按同心鉆進，減少自重對鉆孔造成影響。

（6）認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖時的超前地質(zhì)預(yù)報參考資料，從而指導(dǎo)洞身開挖。

4.7管棚加工

大管棚導(dǎo)管為Φ108mm，壁厚為6mm的無縫鋼管。鋼管在專用的管床上加工好絲扣，四周鉆設(shè)孔徑15mm，孔環(huán)向間距10cm，徑向間距20cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100cm的不打孔段作為止?jié){段，管頭15cm割成圓錐形，便于入孔。示意圖如圖4-3所示。

圖4-3 大管棚導(dǎo)管加工示意圖

4.8清孔驗孔

退內(nèi)桿時，用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣；開始退內(nèi)桿時，技術(shù)員如實記錄鉆桿的節(jié)數(shù)，計算出鉆孔深度。

4.9裝設(shè)管棚鋼管

（1）大管棚導(dǎo)管之間采用絲扣連接，連接鋼管絲扣長度至少為30cm。

（2）棚管頂進是在挖機、鉆機和人工相互配合下進行。

（3）鋼管連接應(yīng)滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭錯開3m。

（4）在管棚鉆孔時檢查前方地質(zhì)情況并做好記錄，作為進洞施工的超前地質(zhì)預(yù)報參考。導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，如圖4-4所示。

圖4-4 大管棚導(dǎo)管和鋼筋籠構(gòu)造圖

4.10注漿

（1）注漿配合比：由于處于卵石土層、地下水發(fā)育區(qū)域，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃漿比為1：0.8，水泥漿水灰比1：1，水玻璃濃度30～35Be’，水玻璃模數(shù)2.4。

（2）注漿壓力：注漿壓力根據(jù)巖層性質(zhì)、地下水情況和注漿材料的不同而定，一般情況下注漿初始壓力取0.5～1.0Mpa，注漿終壓取1.5～2.0Mpa。達到設(shè)計終壓并穩(wěn)定10min以上。

（3）注漿量：實際的注漿量與設(shè)計注漿量進行對比，確保單孔注漿量達到設(shè)計注漿量的80%以上。注漿量的計算公式如（1）所示：

Q=Anα（1+β）..............................（1）

式中：Q---總注漿量（m3）；

A---加固圍巖體積（m3）；

n---地層填充率；

α---漿液填充系數(shù)，一般在0.7～0.9之間；

β---注漿材料損耗系數(shù)，一般取0.1，填充率根據(jù)具體所處地層來選取；

（4）注漿效果檢查

①分析法：即分析鉆孔注漿記錄，看每個孔的深度、注漿壓力、注漿量是否達到設(shè)計要求；在注漿過程中，漏漿、跑漿是否嚴重；以漿液注入量估算漿液擴散半徑，分析是否與設(shè)計相符。

②檢查孔法：用地質(zhì)鉆機按設(shè)計孔位和角度鉆檢查孔，取巖芯進行鑒定。

經(jīng)過兩種方法檢查了已完成大管棚的注漿效果，全部合格。

5 效益分析

大管棚施工比計劃工期提前了15天完成，合計節(jié)約費用約為17.7萬元。培養(yǎng)出了一批能專門進行富水、軟弱地質(zhì)、大跨、淺埋等復(fù)雜條件下大管棚施工的架子隊伍，熟練地掌握了ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機的機械性能，為后續(xù)的隧道注漿施工提供了專業(yè)人員和機械準(zhǔn)備。為下一里程段的中管棚施工提供了技術(shù)保障。中管棚加固里程D8K125+280～D8K125+380，單根長8m，共1220根。預(yù)計比工人不熟悉施工的情況下，計劃工期將會提前完成，同樣會創(chuàng)造一定的經(jīng)濟價值。

6 結(jié)束語

大管棚超前支護加固是淺埋暗挖隧道施工的一項重要的輔助工法，可以有效地解決隧道地下水活動較強、軟弱地層等特殊地段的隧道施工問題。通過大管棚施工在成蘭鐵路三線大跨富水卵石土層隧道施工中的應(yīng)用可以看出，管棚支護對控制地表下沉、穩(wěn)定洞頂土體和穩(wěn)定掌子面開挖等方面起到了重要的作用，保證了大管棚施工質(zhì)量的同時，也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟價值，還有更深的研究意義。

參考文獻：

[1]中鐵二局集團公司.高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南.北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]姚先成，潘樹杰.管棚支護技術(shù)在超淺埋隧道施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2004.

[3]郭陜云.隧道施工技術(shù)方案及方法遴選要點[M].隧道建設(shè)，2006

作者簡介：

李金林，（1981.9.30），男，工程師，本科，目前從事成蘭鐵路隧道施工工作。

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行修補，以達到預(yù)期效果。

8）混凝土養(yǎng)生

玻璃鋼模板澆筑混凝土與普通鋼模板一樣，要用透水土工布覆蓋保濕養(yǎng)生，在土工布上灑水的次數(shù)根據(jù)天氣情況確定，以保持土工布經(jīng)常濕潤為原則，保濕養(yǎng)生至少7天。

在混凝土澆筑過程中，要用不透水的薄膜從模板底一直至地面覆蓋已經(jīng)脫模的成品表面，以免澆筑混凝土?xí)r漏漿污染。

4.施工注意事項

1）玻璃鋼模板不同于普通鋼模板，支模、拆模時不能隨意碰撞，不能隨意從高處扔下，也不能用鋼釬去撬，以免損傷。

2）支模前的測量計算不可少，一定要量測洞門拱圈高度和模板寬度，以保證拱圈頂是條灰縫線，同一層拱圈兩邊支模時，要保證模板端頭伸進拱圈的長度一致，以保證拱圈兩邊的假石形成對稱，這樣會讓整個洞門假石排列更美觀。

3）澆洞門假石混凝土是一個精細活，布料時層厚要均勻，不能堆滿模盒后再用鍬往另一頭鏟，也不能混凝土初凝了還沒布滿一層。

4）混凝土振搗時，堅決禁止振搗棒觸碰模板，要保持10cm以上距離，而且要掌握好振搗時間和“快進慢出” 的節(jié)奏。

5）澆混凝土?xí)r，對下層已經(jīng)拆模的成品保護特別重要，一旦污染，就可能造成不美觀的效果。

6）拆模后，要及時進行修復(fù)。特別是隧道拱圈附近，要剔出灰縫，使其拱圈圓順；其余灰縫缺陷也要及時處理；假石如果有缺陷，也要及時修補，以免影響整體美觀。

5.工程實例

湖南武靖高速公路3標(biāo)蓮荷隧道長度1.8km，設(shè)計為端墻式洞門，為了洞門美觀，澆成了這種假石鑲面的形式，達到了預(yù)期效果；但本洞門施工時，測量劃線不太準(zhǔn)確，拱頂有小塊假石的現(xiàn)象。見下圖：

6.結(jié)束語

隨著國家科技和生活水平的發(fā)展，大家對工程的要求已經(jīng)從“經(jīng)濟適用”向“內(nèi)實外美”轉(zhuǎn)變，所以，現(xiàn)在的工程產(chǎn)品都講求與環(huán)境協(xié)調(diào)及工程自身的美觀。本文介紹的隧道洞門假石鑲面工藝有“耐久性好、整體性強、經(jīng)濟適用”的特點，相信能為以后的隧道洞門裝飾提供一種新思路。