淺埋砂質新黃土隧道下穿國道雙層長管棚進洞技術

蔣寧

Technology for Shallow-buried Sandy New Loess Tunnel Underneath the National Highway

摘要：武家坡隧道進口段淺埋黃土及下穿國道，為預防塌方、大變形、路面沉陷使隧道安全、順利地完成進洞施工、國道正常運營，選擇管棚超前支護措施。通過介紹86.7m雙層超前長管棚一次施做施工技術，為類似工程提供參考。

Abstract： For the shallow-buried loess in the entrance section of Wujiapo tunnel and underpass national highway， to prevent landslides， large deformations and road subsidence and ensure the safely of tunnel， the smooth completion of the tunnel construction and the normal operation of the national highway， the pipe shed advanced support measures are taken. Through the introduction of 86.7m double-decked long pipe roof construction technology， it provides reference for similar projects.

關鍵詞：淺埋；下穿國道；砂質新黃土；雙層長管棚；施工技術

Key words： shallow-buried；underpass national highway；sandy new loess；double long pipe shed；construction technology

中圖分類號：U455.49 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0155-02

1 工程概況

武家坡隧道位于陜西省榆林市靖邊縣小河鄉前河村，為單洞雙線隧道，最大埋深168.88m。距進口50m處下穿G307國道，與線路交角60°，最小埋深約25m，國道寬度8m。

進口處覆蓋砂質新黃土，黃褐色，稍密，稍濕，具濕陷性、呈松散狀；砂巖，紫紅色，強～全分化，砂質結構，厚層至巨厚層狀交錯層里結構，成巖作用差，巖質較軟。隧道內無水，受大氣降水和地表水入滲補給。隧道進口（DK256+643.25～DK256+670）段上部新黃土，可見階梯狀表層溜塌，厚約1.5m，地形陡峭，自然坡腳約64°，若開挖極易造成坡腳失穩造成滑塌。

2 超前管棚作用原理

超前管棚將鋼花管作安插在超前鉆孔中，在隧道開挖輪廓線外形成鋼管支護棚架。超前管棚采用套拱作為環向后支點，利用初支鋼架作環向支撐，鋼管作為縱向預支撐組成為預前棚架結構，其整體剛度大對整體圍巖變形限制能力強，能提前承受早期壓力。通過大管棚注漿補充固結土體，增強上方土體穩定性，滿足開挖穩定的要求。利用超前管棚預前支護棚架結構、固結地層功能加固自穩能力低的圍巖，防止軟弱圍巖得下沉、松弛、坍塌。

3 超前長管棚設計

隧道洞口里程256+653.25且隧道DK256+700處既下穿國道又是淺埋，施工安全風險較大。因此DK256+653.25-DK256+740段拱頂中心兩側60°范圍設置86.7m長￠159雙層超前長管棚。管棚長度86.75m一次施作。管棚采用節長4～6m，？準159×7mm熱軋無縫鋼管，管口環向距離40cm，上下管層距36cm，上層孔數36個，下層孔數33個，外插角0°～3°；鋼管周圍打設￠15mm、間距15cm，梅花形布置的注漿孔，尾部設150cm未鉆孔的止漿段。管棚注漿采用水泥漿液（水灰比：0.5：1-2：1）。

管棚內設由4根Ф22螺紋鋼筋及固定環組成的鋼筋籠增加管棚抗拉強度和抗彎剛度。

為保證管棚整體穩定和鉆孔施工方向設置縱向長度2m、厚度1m的導向墻。同時穩定洞口掌子面。

4 鉆機選型

根據本隧道的工程地質制約即黃土具有大孔隙、易沖刷沖蝕和濕陷性特點。采用常規水鉆成孔再進行管棚推進的方法極易導致黃土遇水濕陷性增大造成較大空洞并沖蝕洞內圍巖。使用鉆桿鉆孔試孔判斷巖層易于成孔、采用頂進法施工（定位導向一次跟管作業法）。鉆機配設定位導向儀器，孔位成孔跟管棚安設一次性成型并滿足管棚長度87.65m。為滿足以上施工條件和要求，對施工管棚鉆機進行調查選型，選擇北京通鐵恒大工程技術有限公司生產的TTHD-100型水平定向管棚鉆機。導向儀采用美國DCI月蝕水平導向儀，隨著鉆桿鉆進，可隨時采集鉆進的方位角、深度、水平偏差等，發現有偏離設計軌跡時，隨時校正。

鉆機主要參數：鉆孔直徑180mm，鉆孔深度100～120m，鉆孔角度范圍正負20°，電動機功率55kW，重量800～1000kg，回轉式鉆機，采用可變形機身，可在現場方便的任意改變機身長度（可調節為9m-6m-3.5m），而不影響打設質量。

5 超前長管棚施工

使用鉆桿鉆孔試孔判斷巖層易于成孔、采用跟管鉆進的法施工，鉆孔采用間隔鉆孔方法，成孔1個即安裝鋼管，同時鋼管內安設鋼筋籠。在全部管棚安裝完成后采取隔二注一的方法進行注漿。

管棚施工主要工序：準備工作（洞口開挖及坡面防護）、長管棚鋼花管制作、導向墻施作、鉆孔頂管、安裝管棚鋼筋籠、注漿。

5.1 準備工作（洞口開挖及坡面防護）

開挖洞口，將洞口邊仰坡一次開挖到位，噴錨支護防護坡面、施作截排水水溝防止雨水沖刷坡面保護洞內圍巖，減少雨水對黃土的沖刷沖蝕。洞口預留核心土以便管棚施工，并做好洞口排水系統。

5.2 長管棚鋼花管制作

長管棚第一節頂進鋼管前端加工成尖錐形長10cm；剩余鋼管的兩端加工外絲扣，長15cm，以便連接接頭鋼管，同一斷面內的接頭數不超過總管數的50%。鋼管按照設計打設注漿孔。

5.3 導向墻施作

導向墻縱向長度2m、厚度1m，內設置拱架定位預埋導向管。為保證管棚有效維護拱頂圍巖及管棚不傾入隧道洞內鋼架定位要精確，導向墻基礎應穩定。當基礎位于濕陷性黃土上時基礎下施作2根擠密樁并澆筑30cm厚混凝土預埋鋼筋固定鋼架，安裝鋼架時考慮導向鋼管角度并用全站儀復測并放樣導向管的坐標定點。拱架制作考慮洞口沉降量。

5.4 鉆機平臺架設、鉆孔頂管

為確保鉆機鉆進穩定，黃土隧道洞口使用黃土回填，壓路機壓實并用C20砼硬化場地，做好排水設施，用枕木搭設井字臺確保鉆機平臺搭設牢固。以減小鉆機工作時偏斜，提高施鉆精度。保證鉆孔方向，鉆機鉆速及頂推壓力要隨著鉆進情況變化調節。

開挖前對鉆孔軌跡進行設計，對垂直方向跟水平方向設計一定的糾偏值，定位導向儀器隨時監控，特制的楔形鉆頭及時進行糾正。鉆頭為可變鉆進方向導向鉆頭，偏離設計軌跡時可隨設定的程序進行軌跡調整。從而保證實際鉆進的軌跡跟設計軌跡不出現大的偏差，保證鉆孔質量。

為了更好掌控現場鉆進所需的各種參數，探尋針對此地質鉆進的偏斜規律，正式施工前，對現場進行工藝性試驗，先鉆1～2個孔位，根據鉆設時的涌水、涌沙、孔位偏斜量、鉆進速度等因素，探索出規律，從而選定特定的技術參數。試驗孔位一般選取中心的拱頂部位。

根據現場實際情況，本著盡量減少地層擾動，充分維持土體自穩性，便于施工，現場實際施工采用“先上部后下部，先易后難”的原則。主要施工順序為：先拱頂后拱腰，上下孔位錯開鉆孔，梅花形雙側對稱式鉆孔。

5.5 安裝鋼筋籠

管棚鋼管安裝好后，放置鋼筋籠。鋼筋籠穿入時防卡籠措施：因為管棚現場采用內絲扣的連接方式，所以穿如鋼筋籠時容易發生鋼筋籠端頭被內絲扣鋼管卡頓的情況發生，為解決此問題，現場設計了楔形鋼板尖頭，將其與鋼筋籠端頭焊接，以此保證鋼筋籠順利穿入。

5.6 管棚鋼管注漿

管棚注漿采用1：1純水泥灰漿，按配比進行均勻攪拌，然后由注漿機進行注漿作業，注漿時隨時控制注漿量及注漿壓力，注漿施工時要采取低壓力中流量注入的方法，同時要保證在注漿的過程中壓力要逐漸增大，漿液的流量呈逐漸減小的趨勢，當壓力升至注漿終壓時，繼續壓注，直至達到設計要求。當每孔注漿終壓達到1.0MPa并穩定10～15min，且注漿量達到設計量的95%時，可結束注漿。

注漿順序：注漿采用鉆好一孔注一孔的方式進行，自上而下，隔孔鉆孔，隔孔注漿。

串漿時及時堵塞串漿孔，泵壓突然升高時，可能發生堵管，應停機檢查，進漿量很大，壓力長時間不升高，應重新調整漿液濃度及配合比，縮短膠凝時間，采用小流量低壓力注漿或間歇式注漿。

6 施工遇到的問題及采取的措施

長大管棚注漿超前在大孔隙的黃土隧道施工中注漿效果較好，開挖后能看見土塊滲進水泥漿膠結成整體，長管棚補注的水泥漿增大了鋼管的截面模量，提高了橫向荷載能力。在開挖過程中拱頂未出現塌方掉塊現象增加施工安全系數。但在具體施工過程中仍遇到許多問題，應采取相應的措施及時解決。

①由于鉆孔長86.75m，各孔易出現漏風、無渣排除、鉆不進情況，采用慢進慢出多次竄動，每鉆進10m，退出20m，同時以高壓風不斷吹動，然后緩慢鉆進，待正常排渣后，再加鉆桿鉆入。鉆孔順先單后雙施做，為避免串孔現象。同時為保證成孔質量應鉆孔后立即安裝管棚鋼管。

②精確定位鉆孔角度和方位并控制鉆孔角度，尤其是接長鉆桿后鉆進角度應嚴格控制。水平鉆孔難免有些彎曲，且向隧道設計斷面彎曲，可以先鉆不易傾入隧道設計斷面的最低的孔試鉆并用測孔器探測得出下沉高差以此適當抬高。應經常測量軸線與襯砌外緣夾角。

③施工中應提前做好導向墻施工準備工作，導向管的外徑厚度、連接管棚鋼管的套管外徑厚度選擇很重要，避免鉆孔時鉆機吹不出渣、無法鉆進或無法安裝管棚等現象。由于采用內絲扣應改正鋼筋籠的直徑并打磨好端頭及接頭部位確保鋼筋籠能有效順利地進入管棚鋼管中。

④由于地質狀況原因會出現軟質圍巖、流塑狀黏土、砂卵石或破碎帶不易成孔時應改用低壓鉆進或者采用套管跟管鉆成孔。鉆進過程中應注意鉆孔速度、返回介質的成分數量、地質水文等資料的收集與記錄，發現異常情況及時解決。

⑤鉆孔時如出現卡鉆、嚴重塌孔、漏風等現象，應停止鉆進，注漿后再鉆。

7 結束語

通過使用TTHD-100型水平定向管棚鉆機說明該設備滿足在淺埋砂質新黃土地層中水平鉆孔深86.75m施工要求。通過監控量測數據分析：DK256+653.25～DK256+715段內的全部測量斷面，穩定后最大累計沉降值為18.3mm（DK256+680），最大周邊收斂值為12.1mm（DK256+691），日拱頂沉降平均值約0.9mm，收斂值約為0.2mm，國道側沉降觀測點最終累計最大沉降值為9.8mm，說明在黃土隧道洞口淺埋段施作雙層超前長管棚能夠有效控制塌方、大變形、路面沉陷以及承受國道上行車荷載影響。管棚超前支護措施能夠滿足隧道進洞施工要求，保證隧道施工安全和質量。

參考文獻：

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