深埋隧道管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理及設(shè)計(jì)施工方法研究

呂虎波 陳雄峰

（浙江省隧道工程公司 浙江杭州 310030）

引言

隧道工程施工在遇到自穩(wěn)性差的軟弱破碎帶時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生突泥涌水等現(xiàn)象。在處理突泥涌水時(shí)，超前大管棚注漿法是最常用也最為有效的預(yù)支護(hù)施工方法。國(guó)內(nèi)對(duì)該工法在設(shè)計(jì)和施工方面做了許多有用的探索[1～2]，介紹了管棚支護(hù)的設(shè)計(jì)方法、施工工藝流程及質(zhì)量安全措施，提出了防止大管棚施工過(guò)程中位置偏移的措施[3]，同時(shí)，也給出了淺埋隧道管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算圖式[4]和基于塌落拱理論的管棚承受地壓分析。但是這些文獻(xiàn)多數(shù)處在工程類(lèi)比、定性研究階段，對(duì)施工技術(shù)研究較多，力學(xué)機(jī)理研究偏少，對(duì)深埋隧道破碎帶的管棚承受地壓研究更是極少。

1 工程概況

福建龍津溪引水工程2#支洞上游段長(zhǎng)2022.57m（引1+500～引3+522.57），隧道埋深600m。全線分布4條斷層，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，巖性變化較大。當(dāng)上游掘進(jìn)開(kāi)挖540m左右時(shí)，地質(zhì)條件變差，為Ⅳ類(lèi)圍巖，開(kāi)挖后立即采用鋼拱架和錨噴支護(hù)。當(dāng)掘進(jìn)570.57m（引2+952）時(shí)，掌子面發(fā)生了大塌方，大約100m3碎石夾巖粉涌入隧道（見(jiàn)圖1），塌方體堵塞洞室10m，碎石充填巖屑、巖粉、無(wú)膠結(jié)，塌方無(wú)冒頂，掌子面前方破碎帶規(guī)模未知。掌子面涌水嚴(yán)重，實(shí)測(cè)80m3/h，隧道開(kāi)挖后無(wú)自穩(wěn)時(shí)間。針對(duì)該段地質(zhì)突變，業(yè)主立即召集設(shè)計(jì)、監(jiān)理和施工等單位開(kāi)會(huì)討論解決問(wèn)題，最后提出采用大管棚法穿越該軟弱破碎帶。

2 塌方處理方案及參數(shù)計(jì)算

2.1 應(yīng)急處理

塌方體呈粉碎狀，含大量巖粉，根據(jù)塌方體體積推斷，塌方體與穩(wěn)定圍巖之間存在較大塌穴，約100m3。為了防止塌穴繼續(xù)發(fā)展，造成更大規(guī)模的塌方，首先在離掌子面10m處，對(duì)塌方體進(jìn)行噴混凝土封閉，封住塌體暴露面使之穩(wěn)定。

圖1 大塌方圖

2.2 塌落拱高度計(jì)算

本軟弱破碎帶埋深大，想要獲得準(zhǔn)確的掌子面前方塌落拱高度和范圍，難度很大。目前常用的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法有超前鉆探法、TSP法和GPR法。超前鉆探法能準(zhǔn)確預(yù)知掌子面前方圍巖的狀況，但不能掌握破碎圍巖塌落拱的高度；TSP法和GPR法對(duì)涌水嚴(yán)重的破碎帶來(lái)說(shuō)精確度不高。因此本方案決定采取超前鉆探法、理論解析法，力求比較全面掌握塌方體前方圍巖的情況。

超前鉆探可以與管棚鋼管鉆孔同時(shí)進(jìn)行，施工技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)跟蹤分析。掌子面前方塌落拱的高度采用朗肯土壓力理論計(jì)算。

由現(xiàn)場(chǎng)情況可知，塌方體相對(duì)穩(wěn)定，掌子面前方圍巖處于主動(dòng)土壓力狀態(tài)。因此，可直接采用主動(dòng)土壓力公式分析掌子面的受力情況。涌入隧道的突泥為碎石充填巖屑、巖粉、無(wú)膠結(jié)，且涌水嚴(yán)重，可假設(shè)為有滲透作用的無(wú)粘性土，土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2中各參數(shù)取值如下：

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)；

圖2 有連續(xù)均布荷載的土壓力計(jì)算圖

圖3 掌子面圖

Ka=tan2（45°-φ/2）；

γ——軟弱破碎圍巖和大塌方體的重度，查《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》取20.0kN/m3；

φ——軟弱破碎圍巖的內(nèi)摩擦角，與塌方體傾角一致；

α——有滲流作用塌方體的傾角，α=22.7°；

q——塌落拱連續(xù)均布荷載，q=γh，本文求解對(duì)向；

h——掌子面前方塌落拱高度，本文求解對(duì)象；

H——開(kāi)挖面高度，H=3.9m；

G——塌方體重度；

G=γV=20.0×12.8/2×10=1280kN；

F——塌方體的摩擦力；

F=G×tanα=1280×tan22.7°=535.4kN；

Ea——主動(dòng)土壓力合力，Ea=F=535.4kN。

針對(duì)涌水問(wèn)題，我們主要以排為主，保證從施工到運(yùn)營(yíng)期水路都是串通的，因此只要做好引水工作，就可以忽略水壓力的作用。

求解土壓力合力h和q：

Ea=G×[γhKa+γ（h+H）Ka]×S=535.4kN

Ka=tan2（45°-φ/2）=tan2（45°-φ/2）=0.26，H=3.9m，S=12.8m2，γ=20.0kN/m3

將參數(shù)代入得塌落拱高度h=2.77m。

塌落拱均布荷載：

q=γh=20.0×2.77=55.41kN/m2。

2.3 管棚法設(shè)計(jì)

2.3.1 管棚間距計(jì)算

偏于安全起見(jiàn)，開(kāi)挖后，只考慮管棚的支護(hù)作用，注漿后加固的圍巖作為安全儲(chǔ)備，管棚按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。其跨度為一次循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺加上開(kāi)挖操作空間0.5m，假設(shè)進(jìn)尺1.2m，取計(jì)算跨度l=1.7m。根據(jù)工程類(lèi)比法，初步選用φ108mm、壁厚6mm的無(wú)縫鋼管作為棚管。假設(shè)鋼管間距為s，取永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)為1.2，其計(jì)算過(guò)程如下：

鋼管最大彎矩：

M=1.2×1/8Ql2=1.2×1/8qsl2

鋼管最大主應(yīng)力：

fy=≤205N/mm2（y、I為半徑和慣性矩）

求解得s=400mm，此時(shí)fy=206.9N/mm2，超過(guò)設(shè)計(jì)值0.9%，滿(mǎn)足要求。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，取棚管中到中間距40cm。

2.3.2 管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果、類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)和超前鉆探情況，本項(xiàng)目初步選定36m長(zhǎng)大管棚，設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

①鋼管規(guī)格：熱軋無(wú)縫鋼管φ108×6mm，節(jié)長(zhǎng)3m、6m。②管距：環(huán)向間距40cm。③傾角：仰角1.5°（不包括路線縱坡）。④鋼管施工誤差：徑向不大于20cm。⑤隧道縱向同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管的接頭至少須錯(cuò)開(kāi)1m。⑥鋼管接頭采用絲扣連接，絲扣長(zhǎng)15cm，為使鋼管接頭錯(cuò)開(kāi)，編號(hào)為奇數(shù)的第一節(jié)管采用3m鋼管。

3 管棚法施工

（1）管棚法施工工藝流程為：封堵工作面→施作C25素混凝土套拱→安設(shè)鋼架及→127導(dǎo)向管，并澆筑C25素混凝土→搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)→管棚施工。

（2）本設(shè)計(jì)采用C25素混凝土套拱作為長(zhǎng)管棚導(dǎo)向墻，套拱在輪廓線以外施作，套拱內(nèi)埋設(shè)5榀I20b工字鋼，工字鋼與管棚導(dǎo)向管焊成整體，工字鋼間采用間距1m的φ20鋼筋連接，工字鋼安裝后噴射C25混凝土30cm厚。

（3）管棚應(yīng)按設(shè)計(jì)位置施工，應(yīng)先打有孔鋼花管，注漿后再打無(wú)孔鋼管，無(wú)孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量。鉆機(jī)立軸方向必須準(zhǔn)確控制，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進(jìn)一根鋼管，鉆進(jìn)中應(yīng)經(jīng)常采用測(cè)斜儀量測(cè)鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過(guò)設(shè)計(jì)要求，及時(shí)糾正。

（4）長(zhǎng)管棚注漿漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5m：①水泥漿水灰比1：1；②注漿壓力：初壓為0.5～1.0MPa，終止壓力為2MPa；③注漿前應(yīng)先進(jìn)行注漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，注漿參數(shù)應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)按實(shí)際情況確定，以利施工；④注漿結(jié)束后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，并用C30水泥沙漿緊密充填，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度；⑤在施工無(wú)孔鋼管時(shí)，發(fā)現(xiàn)注漿質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可將無(wú)孔管改為有孔鋼花管進(jìn)行補(bǔ)注漿。

4 隧道開(kāi)挖與支護(hù)

管棚施作完畢，沿原洞軸線重新開(kāi)挖隧道，采用邊開(kāi)挖、邊支護(hù)和二次襯砌緊跟的方式。

開(kāi)挖一次完成，每次進(jìn)尺0.5～0.8m，周邊孔孔距40cm，線裝藥密度不大于100g/m，崩落孔采用小藥量松動(dòng)爆破。爆破后立即對(duì)新暴露的圍巖和整個(gè)掌子面噴5cm素混凝土，通過(guò)噴射混凝土使得開(kāi)挖后到型鋼排架支撐前棚管間的圍巖保持穩(wěn)定，采用管棚、型鋼排架支撐、掛網(wǎng)噴射混凝土與巖體的聯(lián)合作用形成承載拱，共同支撐軟弱破碎圍巖。

5 結(jié)論

長(zhǎng)管棚技術(shù)已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的施工方法，但是棚管參數(shù)一般按照工程類(lèi)比法和類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)取值。本文依托福建項(xiàng)目，用涌入隧道塌方體的規(guī)模計(jì)算掌子面前方軟弱破碎帶的塌落拱高度及其對(duì)大管棚的壓應(yīng)力，得出了如下結(jié)論：

（1）針對(duì)涌入隧道的突泥為碎石充填巖屑、巖粉、無(wú)膠結(jié)且涌水嚴(yán)重這一情況，應(yīng)用朗肯土壓力理論分析掌子面的受力情況，結(jié)合超前鉆探法預(yù)知塌方體規(guī)模，實(shí)踐證明是可靠的。

（2）本文將注漿后加固的圍巖作為安全儲(chǔ)備，管棚按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。這一方法從施工安全性角度是有利的，但是不經(jīng)濟(jì)，將來(lái)可以對(duì)加固圍巖所起的作用進(jìn)行研究。

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[4]馬卓軍.淺埋隧道中管棚超前支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].施工技術(shù)，2004，3：36～37.