跟進式管棚在隧道洞口松散破碎地層中的應用

鄭寰宇

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

山嶺隧道建設中，隧道洞口段設計多數采用大管棚進行超前支護，而隧道洞口往往處于松散破碎地層，使用常規的引孔頂入法施工管棚，鉆孔成孔難，即使成好孔，也易在送管過程出現坍孔卡管，一旦出現此問題就需要反復鉆孔或拔出已插入的管棚鋼管重新鉆孔，施工難度大、花費成本高、處理時間長。跟進式管棚施工是在鉆機鉆進過程中，管棚鋼管跟隨著鉆頭與鉆桿一起同步鉆進，從而使管棚鋼管能及時對成孔起到護壁作用，有效地防止了鉆孔的坍孔。來都高速公路某隧道洞口土層自穩能力差，為加快施工進度、確保管棚超前支護效果，以達到隧道進洞安全，應用了跟進式管棚。本文通過對跟進式管棚施工工程實例的介紹，為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

來都高速公路某隧道穿越溶蝕峰叢洼地谷地，設計為雙洞四車道分離式隧道，設計時速為100 km/h。出口處巖層走向與線位走向呈大角度相交，自然坡度為15°～25°，巖層產狀262°∠5°，隧道所穿越的山體巖性為石炭系中統黃龍組(C2h)灰色中厚-厚層狀白云質灰巖和灰巖，隧道出口覆蓋層主要由角礫土等碎石類土組成，層厚4.9～9.0 m，洞口段設計圍巖級別為Ⅴ級。隧址區地下水主要為巖溶裂隙水，水量中等-豐富，雨季洞內易出現淋雨狀或小股集中出水。隧道出口設計有20 m長明洞段，暗洞洞口設置套拱，采用管棚作為暗洞第一環超前支護，暗洞洞口有60 m長度為淺埋段，暗洞最小埋深約0.8 m。

2 套拱與管棚設計

隧道明暗洞交界處設計厚度為0.7 m、長度為2 m的C25混凝土套拱，套拱內設置3榀I20b工字鋼型鋼拱架(縱向間距為75 cm)，拱架之間用長度為125 cm的C22混凝土(環形間距為100 cm，縱向交錯布置)，拱架套拱基礎為C15混凝土(寬0.7 m、長2 m、高1 m)。管棚設計布置在隧道拱部135.8°范圍，共33根，套拱內預埋33個長度2 m、直徑127 mm、壁厚4 mm的無縫鋼管作為管棚導向管，導向管間距為50 cm，設置外插角度為向上0.5°。管棚鋼管每根總長度為30 m，采用直徑為108 mm、6 mm壁厚的無縫鋼管。

3 工程應用

3.1 跟進式管棚參數及工藝原理

本工程的跟進式管棚由管節、管靴、接箍組成。管節為寶鋼R780，每節長1.5 m，兩端設有內螺紋。管棚鉆孔采用C6多功能鉆機，鉆頭選用與管棚直徑大小相適應的偏心鉆頭。管靴連接管節，管節之間用接箍相連，鉆頭與鉆桿穿過管靴、管節、接箍進行鉆進，邊鉆進邊安裝接長管棚鋼管直至設計長度，然后退出鉆頭和鉆桿，最后安裝止漿閥進行注漿。跟進式管棚的結構組成及鉆頭形式如圖1所示。

圖1 跟進式管棚組成及鉆頭形式示例圖

3.2 施工流程

施工準備→洞口土石方開挖→邊仰坡防護→套拱施工→管棚鉆孔及安管→管棚注漿→進洞準備。

3.3 施工方法

3.3.1 施工準備

施工前進行測量放樣，核對現場實際地形是否與設計文件相符，應結合實際地形確定設計文件中的隧道明暗交界位置是否合理，如設計隧道明暗交界位置不合理則應聯系業主、設計、監理等相關單位到現場確認后，進行調整。測量放樣出隧道洞口邊仰坡開挖線。

3.3.2 洞口土石方開挖

洞口土石方開挖前，結合地形先在邊、仰坡開挖線3～5 m以外設置截水溝。對隧道洞口不穩定的地表土和山坡危石等進行清除、防護或加固，確保洞口安全。按照邊仰坡開挖線，對隧道洞口的土石方采取拉槽開挖。邊仰坡的開挖應自上而下進行，注意不能上下重疊開挖或掏底開挖。開挖方式為優先人工，配合機械開挖，如需進行爆破，應采用控制爆破以減少對邊仰坡及圍巖的擾動。

3.3.3 邊仰坡防護

邊仰坡防護要及時施作。邊仰坡采用錨噴支護，鉆孔安裝長度為3.5 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的小導管，小導管設置間距為100 cm×100 cm。小導管灌注水灰比為(0.3～0.8)∶1的水泥凈漿，掛B8鋼筋網，鋼筋網格間距為25 cm×25 cm，最后噴射10 cm厚C20早強混凝土。

3.3.4 套拱施工

開挖套拱基礎，套拱基礎開挖至基底后，復核基底地基容許承載力，如承載力小于設計要求值300 kPa，采用C15素混凝土進行換填基底，換填深度較深時，則應聯系設計確定加固處理措施。澆筑基礎混凝土，在基礎上架立工字鋼拱架，用連接鋼筋焊接穩固，將導向管用C16鋼筋箍焊在工字鋼拱架上，外插角度為0.5°。按照套拱設計尺寸安裝套拱模板，進行套拱混凝土澆筑。混凝土澆筑時，套拱左右側必須對稱澆筑，左右側混凝土高差<0.5 m。

3.3.5 管棚鉆孔及安管

待套拱混凝土強度達到設計強度的75%后，開始管棚鉆孔。鉆孔前，先將管棚孔從左至右按順序進行編號。鉆孔的整體順序為先鉆高位孔，再鉆低位孔，以奇偶數孔交錯跳孔施工為原則。鉆孔開孔時，以低鉆速低鉆壓進行鉆進，管棚孔鉆進到一定深度后再提高鉆速鉆壓至正常值。鉆進過程中，鉆頭牽引著管靴拉動管棚鋼管，隨著鉆桿的鉆進，管棚鋼管跟著鉆桿同步進入地層，通過接箍不斷接長安裝管棚鋼管。鉆到設計深度后，將鉆頭和鉆桿從管棚鋼管中間抽出，管棚安管完畢。

3.3.6 管棚注漿

注漿前，將開挖工作面用噴射混凝土封閉防止跑漿。在管棚鋼管管口上焊接好止漿閥，進行止漿處理。開始注漿，管棚注漿的漿液為水泥漿，水灰比為1∶1。注漿應連續不間斷，注漿壓力初壓為0.5～1 MPa，終壓為2 MPa，壓力達到設計壓力后穩壓時間為1～5 min。注漿后，及時清除干凈管棚鋼管內的水泥漿液，用M30水泥砂漿密實填充，以增強管棚的剛度和強度。

3.3.7 進洞準備

管棚施工完成后，在管棚注漿范圍鉆探孔對管棚注漿情況進行驗證，確保管棚注漿效果合格后才能進洞開挖。隧道進洞前，要按照設計及規范要求在隧道洞頂布設好地表沉降監控量測點，并測取初始讀數。

4 施工效果

隧道洞口管棚支護段采用三臺階七步開挖法施工，在隧道洞口淺埋段施工時，嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則。隧道洞口管棚支護段的施工過程中，經過對地表下沉、洞頂下沉及周邊位移等三個必測項目的監控量測，變形速率與變形量均未超標，各項監測數據正常，隧道變形處于穩定狀態。

5 施工注意事項

(1)隧道洞口開挖盡可能避開雨季。雨季施工時，應采取防止坍塌的安全保護措施。

(2)隧道洞口開挖前，要做好隧道洞口周邊的截排水措施，防止洞頂積水軟化圍巖或沖刷洞口。

(3)套拱基底承載力必須滿足設計要求，套拱一旦下沉開裂變形，套拱對管棚一端的支撐作用將失效，反之變成在管棚一端的負載。

(4)套拱內導向管的外插角度及方向位置要定位準確，管棚鉆孔安管要及時糾偏。管棚鋼管如外插角度過大，相同長度的管棚鋼管所起到的有效支護長度將減短。管棚鋼管如出現左右間距與方向偏差，隨著管棚深度的加大，其間距可能出現過大或過小的現象，間距過大降低了管棚的支護效果，隧道開挖至此處易增加坍塌風險。

(5)管棚鋼管之間的連接必須緊密，管棚鋼管管節、接箍、管靴的螺紋不得有磨損，各部位連接時要擰緊螺紋。

(6)管棚注漿必須達到設計壓力及理論注漿量，否則應查明原因并做相應處理。

6 結語

由跟進式管棚在來都高速某隧道洞口超前支護的應用中可以得到以下結論：

(1)跟進式管棚施工工藝方法簡便，且超前支護效果出色，能有效解決在松散破碎地層成孔困難的問題。

(2)跟進式管棚施工時必須加強監管機制，施工過程嚴格控制各環節的質量是該工藝成功的基礎與保障。在此工藝中，鉆孔安管的角度及方向、管節間的連接、注漿等工序是重點與核心，必須定人實時監管。

(3)跟進式管棚工藝應用的成功與否，材料起到關鍵作用，必須選用優質、高性能的材料，尤其注意各部件接口的質量，確保能連接緊密牢固。

(4)從跟進式管棚工藝的原理及應用效果分析，此施工工藝也可應用于隧道洞內塌方段處理。