自進式管棚施工技術在軟弱圍巖隧道中的應用

馬武祥 許巖波 肖智廣 方延明 許戰波

（洛陽恒諾錨固技術有限公司，河南洛陽 471000）

超前管棚支護是在隧道建設過程中被廣泛采用的一種支護方式［1-3］。傳統無縫鋼花管管棚施工是在圍巖中鉆孔插入鋼花管，而在易坍塌的松散圍巖地段，插管困難，施工效率及質量得不到保證［4］。集鉆進、錨固、注漿為一體的自進式管棚可改善塌孔的問題，提高整體施工效率［5-6］。

本文以鄭萬鐵路高家坪隧道自進式管棚施工為依托，通過與傳統無縫鋼花管管棚的施工設計對比，來分析自進式管棚的施工技術，為隧道超前支護提供新的思路。

1 簡支梁支護模型

管棚超前支護實質上是在洞頂形成環形保護層，在隧道的縱向與橫向逐漸形成一個剛度較大的梁拱結構，從而實現隧道施工安全支護。管棚支護計算普遍采用梁承載模型［7-8］，即頂部管棚后端支撐在已施工好的支護結構上，前方深入地層中來實現梁拱效應，承擔和分散圍巖載荷與壓力，達到加固巖體的效果。中間懸空的鋼花管段可簡化為兩端受固定約束的簡支梁，其管棚支護計算簡支梁模型如圖1所示。其中：L為掌子面開挖過程中未支護危險段長度，包含施工中未立拱架長度l1和爆破開挖長度l2；q為管棚上部承受的垂直均布壓力；θ為核心土與水平面的夾角。

圖1 管棚支護計算簡支梁模型

2 試驗段鋼花管管棚施工情況

高家坪隧道為越嶺隧道，采用進出口雙向掘進，全長5 498 m。隧道進口段（DK449+037—DK452+300）最大埋深320 m，圍巖等級為Ⅴ級。圍巖以中～強風化頁巖為主，巖質較軟、巖體破碎，自穩性差。該區段還存在斷層破碎帶，易發生突水涌泥情況，施工難度大、風險高，屬Ⅱ級風險隧道。

選取DK449+090—DK452+115 為試驗段。暗挖施工時洞身中擬采用長20 m 的φ76×6 熱軋無縫鋼花管作管棚進行超前支護，其構造如圖2 所示。φ76 鋼花管管棚的管壁上每隔0.2～0.3 m 鉆注漿孔，孔距0.5 m，孔徑6～8 mm，呈梅花形布置，尾部留不小于0.3 m 的止漿段。根據工程地質條件和隧道施工設計經驗，φ76 鋼花管管棚前后兩環搭接5 m，外插角7°～10°。φ76鋼花管管棚施工布置如圖3所示。

圖2 φ76鋼花管管棚構造示意

圖3 φ76鋼花管管棚布置（單位：mm）

V 級圍巖段采用三臂鑿巖臺車施工，嚴格控制鉆孔打設方向。注漿采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿液，注漿順序從下而上，漿液先稀后稠。每孔注漿壓力由小逐漸加大，注漿壓力為0.8～1.0 MPa。

施工結果表明，由于V 級圍巖的地質條件差管棚施工時不僅成孔率低，而且已成孔的送管困難。遇到斷層帶時通常需要5～6 h 去清孔或重新鉆孔。此外，還存在著鉆孔塌孔、無法插入管棚的情況，有較大的安全隱患，對于鑿巖臺車的鉆桿、鉆頭損耗較大，施工成本增高。

3 自進式管棚施工技術

3.1 支護設計

為解決φ76 鋼花管管棚施工困難的問題，更改設計方案，以R51×10 自進式管棚代替φ76×6 熱軋無縫鋼花管管棚。確定自進式管棚長度時首先須穿過掌子面上端一定長度的破碎帶，使土壓力傳到已封閉的支護結構中。其次須考慮鉆機設備參數，同時為確保施工質量，管棚也不宜過長。根據工程實際地質情況，試驗段設計方案更改為采用23 m 長的自進式管棚。施工部件組合如圖4所示。

更改方案后，該試驗段采用全斷面開挖法施工，于拱部150°布設R51×10 自鉆式錨桿，環向間距0.4 m，共50 根。管棚長23 m，前后兩環搭接不小于5 m，管棚孔口外擴0.1 m，外插角7°。

圖4 R51自進式管棚施工部件組合

3.2 設計計算

設計該隧道自進式管棚支護時，除了要滿足基本的抗拉力外，還須計算并校核其抗剪和抗彎強度。R51×10自鉆式錨桿選用40Cr合金結構鋼，通過冷軋形成全長螺紋，符合ISO 10208—1991《鑿巖釬具左旋波形螺紋》要求。根據40Cr合金結構鋼的工程性質，抗拉強度σb≥810 MPa，該管棚橫截面面積A1為1 045 mm2，由此得出桿體的抗拉力Fb≥846.45 kN。取95%作為抗拉力值，即Fb=804 kN（自鉆式）。對于φ76×6 鋼花管管棚，通常采用20#鋼，σb≥550 MPa，橫截面面積A2為1 319 mm2，故其Fb=725.45 kN（鋼花管）。可以看出，在鉆桿的抗拉性能上R51×10 自進式管棚完全可以替代φ76×6鋼花管管棚。

根據 JTG D70—2014《公路隧道設計規范》［9］和TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［10］，對試驗段的支護設計進行計算驗證。管棚支護計算模型（洞內）參考圖1。

當單洞隧道圍巖為松散巖土體時，其垂直均布壓力計算公式為

式中：s為圍巖級別；γ為圍巖的重度，kN/m3；ω為跨度影響系數，m。

根據試驗段的工程地質情況，s=5，γ=20 kN/m3，ω=1.83。代入公式（1），計算可得q=263.52 kN/m2。

考慮到施作后管棚對圍巖壓力的緩沖、吸收、分散及管棚注漿對圍巖的加固效果，實際圍巖垂直均布壓力僅為理論計算值的40%～50%，取50%。因采用簡支梁模型，故圍巖實際垂直均布壓力q實=131.76 kN/m。

根據實際工程對未立拱架長度和爆破開挖長度的要求，取L=3 m。結合q實，自進式管棚支護剪切力Qx計算公式為

當條件系數ζ=0 時Qx最大，即Qmax=197.64 kN，則在支護過程中自鉆式錨桿桿體的抗剪強度τ=1 000Qmax/A1=189.13 MPa。

自進式管棚承受隧道圍巖壓力時發生彎曲。采用簡支梁模型計算桿體在橫截面處的彎矩，可得最大受力點的彎矩Mmax=q實L2/8=148.23 kN·m。

假設桿體僅承受中部載荷，將桿體全長方向均布載荷等效為中部受力，進行等效替代，根據Mmax=FmaxL/2，可得出最大受力Fmax=98.82 kN，故工程支護過程中自鉆式錨桿桿體的抗彎強度P=1 000Fmax/A1=94.56 MPa。

自鉆式錨桿材質為40Cr 合金結構鋼。按照材料力學第四強度理論計算，許用抗剪強度［τ］為抗拉強度的0.5～0.7，取下限，則［τ］=810×0.95×0.5=384.8 MPa。根據鋼材手冊，查得其許用抗彎強度［P］=365.7 MPa。

結合施工，取安全系數n=1.25，則實際抗剪強度τ實=τn=236.41 MPa＜［τ］，實 際 抗 彎 強 度P實=Pn=118.2 MPa＜［P］。

故R51×10 自進式管棚的支護設計同時滿足實際抗剪和抗彎要求，完全可替代φ76×6鋼花管管棚。

3.3 自進式管棚與鋼花管管棚施工對比

該隧道V 級軟弱圍巖段采用ZYS113 三臂鑿巖臺車施工。R51×10 自進式管棚一次施工和鉆孔后人工安裝鋼花管管棚的施工場景見圖5。可明顯看出，同樣采用三臂鑿巖臺車，R51×10 自鉆式錨桿一次鉆進支護，將鋼花管管棚施工中的鉆孔、清孔、支護等工序結合為一體，解決了人工送管的難題，同時減少了人員的配置。鋼花管管棚施工支護須在鉆孔后取出鉆桿人工送管，不僅施工效率低、周期長，還增加人員及設備成本。

圖5 兩種支護方法施工現場

對R51×10 自進式管棚在該隧道和同類圍巖隧道的施工效率跟蹤監測了2 043 m。監測數據及設備使用情況見表1。經加權平均，自進式管棚平均施工效率達到1.42 m/min。而鋼花管管棚施工效率僅有0.98 m/min。

Ⅴ級圍巖段 R51×10 自進式管棚與φ76×6 鋼花管管棚施工情況對比見表2。可以看出，與自進式管棚相比，鋼花管管棚對三臂鑿巖臺車的使用率降低約35%。由于自進式管棚加工工藝造成材料費用偏高，材料直接費用高出鋼花管約14%。自進式管棚施工費用高出鋼花管管棚約18%。自進式管棚施工效率高出鋼花管管棚約45%，考慮到自進式管棚實際施工中多段錨桿、連接套等部件的安裝和連接情況，取40%。在相同的工程量下，綜合評估材料、機械設備和施工效率，整體效益約提高22%。

表1 R51×10自進式管棚施工效率

表2 自進式管棚與鋼花管管棚施工情況對比

根據設計計算對比，R51×10 自進式管棚可滿足φ76×6 鋼花管管棚的性能要求。實際工程中，直徑小于鋼管30%左右的自鉆式錨桿，其抗拉力和屈服強度均高于鋼花管，質量約減少2%～5%。在爆破施工中可看到即使注漿不充分的自進式管棚仍可達到較好的支護效果，這是材料剛度本身較高所致。

4 結論

自進式管棚的應用成功解決了鋼花管管棚在軟弱圍巖段施工時塌孔、送管困難等難題。對Ⅳ～Ⅴ級圍巖段鉆進施工跟蹤了2 043 m，R51×10 自進式管棚施工效率可達1.42 m/min，滿足隧道施工的機械化要求。

Ⅴ級圍巖條件下R51×10 自進式管棚實際抗拉力為804 kN，抗剪強度為236.41 MPa，抗彎強度為118.2 MPa，滿足支護設計要求，可替代φ76×6 鋼花管管棚，施工效益約提高22%。在管棚支護中采用直徑小于鋼管30%左右的自鉆式錨桿代替相應的鋼花管，在滿足支護性能的情況下可大幅提升施工效率、降低勞動強度。此超前支護方法可為隧道穿越軟弱破碎圍巖段、斷層破碎帶等復雜地質條件區段施工參考。