管棚技術在隧道穿越淺埋軟弱地段中的設計與應用

陳斌 林世興

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超前預支護及預加固技術主要用于克服隧道開挖過程中遇到的淺埋軟弱、自穩定性差、斷層破碎、砂土層等不良地質條件造成的圍巖松弛和變形。施工四川某丘陵地帶一隧道工程，根據要求采取噴錨暗挖法（即傳統的礦山法），隧道里程K2+185處需穿越一處深溝（常年有流水），且根據公路隧道圍巖分類標準，穿越段處于Ⅴ類、Ⅵ類圍巖地段，隧道最淺處埋深為1．2米（見圖1）。原設計擬在穿越該段時采取“明挖法+拱蓋”的施工方法，鑒于開挖過程中土地征用及經濟性的原因難以實現。設計單位根據現場條件，考慮該地段設計為“以大管棚結合中管棚為主+隧道內加固”組成的管棚系統用以對特殊圍巖地層的超前預支護預加固[1]。

圖1 K2+185隧道橫斷面圖

1 管棚系統超前支護設計

經過實際地貌測量以及地質勘察資料分析，自然沖溝段超前預支護預加固縱向范圍為k2+180～k2+220，長度40m，圍巖級別為Ⅴ類、Ⅵ類。

1.1 管棚工作通道設計

依據施工開挖方向，從大里程向小里程開挖，施工至K2+238時，向徑向外側擴展挖掘1．25m，擴展通道長度為13米，并及時施做初期支護，初期支護采用Ⅰ20a型鋼拱架，縱向間距600mm，內置Φ8@200×200鋼筋網片，縱向連接鋼筋采用HRB400EΦ22，環向間距1m。采用C25噴射混凝土，噴射厚度為250mm；開挖面擴展拱部150°范圍內預埋Φ147孔口定位導向管，長度L=2m；待超前支護施工完畢后，施工二次襯砌之際，采用C30混凝土填充管棚工作通道。

圖2 隧道穿越沖溝處預支護預加固段縱斷面圖

1.2 管棚預支護預加固設計

（1） 由k2+225至k2+190施 做 Φ108×6mm 大 管 棚，L1=35m，布設范圍拱部150°。既能夠保證對淺埋軟弱土層的預加固預支護效果，又避免了打穿原始地面沖溝。（2）由k2+193至k2+180施作Φ89×4mm中管棚，L2=15m，沿著隧道中軸線外插角度為7°，布設范圍拱部150°。即能有效加固沖溝段地層，又能穿越沖溝淺埋段。（3）為保證施工安全，開挖進尺控制范圍內，打設雙層超前小導管，k2+180至k2+220系統錨桿（Φ25中空錨桿）長度固定在4．5m，以更有效地加固地層及地表土層，保證地層穩定，布設范圍拱部150°。

2 超前支護施工技術要點

施工作業過程按照：開挖管棚工作通道→支護管棚工作通道→打設孔口導向管→打設大管棚→注漿加固地層→施做超前小導管→洞身開挖→初期支護→打設孔口導向管→中管棚施工→注漿加固地層→施做超前小導管→初期支護→洞身開挖→通過沖溝段。在注漿充填管棚、小導管及中空錨桿施工時，應控制注漿壓力在1．0～1．5Mpa內，確保地層加固效果[2]。為保證施工順利進行，宜避開雨季。施工至k2+185附近時易出現拱頂漏天現象，尤其是在雨季作業時，應提前做好沖溝雨水改道及隧道內降排水措施，確保施工安全。針對施工可能出現的風險，應加強對周邊圍巖及拱頂、地面沉降的觀測，并應安排專人對沖溝環境進行巡查，并做好記錄。

3 施工過程中可能處出現的風險及應對措施

每次開挖前后及時對收集到的監測數據進行分析，如果發現異常現象，須詳細記錄發現的時間、距開挖工作面的距離以及附近監測點的各項數據。如有失穩跡象時應立即通知洞內作業人員撤離施工現場。隧道穩定狀態判斷，可參考如下依據：①正常狀態：未發現初期噴護混凝土產生裂縫、錨桿變形拉壞、墊板凹陷、型鋼拱架扭曲等，圍巖變形量小，穩定性好，可正常施工；②危險性較小的破壞：噴射混凝土表面出現細小裂縫，發展趨勢緩慢，監控量測位移量數值逐漸減小，圍巖變形趨于穩定，可正常施工[3]。③危險性較大的破壞：拱頂及邊墻初期支護所噴射混凝土表面出現縱向及環向裂縫，長度大于1m或寬度大于1cm，混凝土碎片剝落，型鋼拱架扭曲變形，漏水量突然加大等，工作面應停止施工，結合監測數據，判斷圍巖變形階段，采取處理措施。④坍方跡象：拱頂下沉量或洞身兩側位移量超過預警值，拱頂初期支護出現對稱的，向下滑落的剪切破壞面或側墻發生內向側滑動的剪切破壞，并伴有底鼓、冒頂片邦現象。應立即停止施工撤出人員設備，拉起警戒線，采取特殊處理措施。

4 結語

施工過程中未出現危險狀態，監測數據遠小于設計預警值，隧道穿越順利。通過這一設計-施工過程，說明了：正確選型混凝土加勁鋼筋束管棚能夠有效克服不良地質土層的破壞作用，起到了超前預支護預加固作用，為施工過程提供了安全作業空間；合理組合的系統管棚具備穿越深溝峽谷的條件，為隧道穿越復雜地貌情況提供了可借鑒的經驗。