松散地質條件下的隧道超前大管棚支護施工工藝

馮啟隆

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030600）

0 引言

在松散地質條件下建設隧道時，因為現場地質條件復雜，容易出現質量問題乃至安全事故，因此，加強防護尤為關鍵。在隧道開挖前，需采取有效的支護方法提高圍巖的穩定性，以確保隧道施工的順利進行。目前施工現場常用的超前支護方法主要有管棚法、超前小導管法和超前錨桿。本文將結合工程實例，對超前大管棚支護施工工藝進行介紹。

1 工程概況

某隧道工程進出口起訖里程為K5+100～K6+000，全長900m，路線設計縱坡為-3%、-0.094%。進口K5+100 段55m 為V 級圍巖，隧址區存在堆積碎石土層，埋深淺，自穩能力不足，圍巖易在開挖擾動作用下發生坍塌?？紤]到隧道施工現場松散地質條件的特殊性，于拱部120°范圍內采取超前小導管注漿支護施工工藝。隧道限界凈高5.0m、凈寬10.5m。

2 大管棚設計方案的變更

根據原管棚設計方案，在K2+438～K2+488 段設置管棚，分兩環有序完成。結合現場實際條件，對原管棚設計方案做出如下變更：

（1）變更一：管棚里程段調整為K2+433～K2+488，提出如下兩項施工方案：

方案一：按兩環布置，管棚長度為里程段（55m）+一個接頭（5m）+超前量（5m），共65m。

方案二：按三環布置，相較于兩環布置的方案，里程段和超前量保持一致，接頭數量增加至2 個，即管棚總長增加5m，共70m。

對比分析發現，在兩環布置方式下，每環管棚長度在30m 以上，施工難度增加，施工質量的可控性差，因此采用三環布置的方式，將每環長度設定為24m、24m、22m。

根據施工現場的鉆孔記錄可知，第二環管棚伸入巖層的深度已經達到2m，無需設置第三環管棚。

（2）變更二：原設計方案中，管子兩頭車公螺紋，精準對接鋼管，外套厚壁管箍，上緊絲扣。從施工可行性的角度來看，螺紋加工的工作量較大，成本較高，因此做出調整，第一環大管棚采用外套管法，第二環大管棚采用絲扣法。

3 大管棚超前支護方法

3.1 管棚構造

管棚包含鋼管和鋼格柵拱架兩部分。以較小的外插角沿開挖輪廓線打設鋼管至開挖面，建立預支護結構，維持開挖面前方圍巖的穩定性。管棚構造如圖1 所示。

圖1 管棚構造

3.2 管棚的應用特性

管棚結構中，鋼格柵拱架作為橫向環形支撐，鋼管作為縱向支撐，建立橫、縱向的結構體系。得益于管棚較大剛度的特性，可阻止圍巖的變形。管棚支護在隧道工程中具有突出的應用價值，在極破碎巖體、砂土質地層、強膨脹性地層等多種工程場景中均具有可行性。管棚施工可根據現場條件采取長管棚、短管棚的方法，其中長管棚的超前量較大，鋼管安裝次數較少，在大斷面開挖中具有可行性。

3.3 管棚支護結構

（1）沿隧道拱部開挖輪廓線外10cm 布置大管棚鉆孔孔口，環向間距為40cm，每環布設35 根。

（2）鋼管采用無縫鋼管，外徑108mm，壁厚8mm，分段安裝鋼管。第一段，奇、偶數管的管長相差2m，剩余各段的各鋼管長度保持一致，相鄰兩段鋼管間用絲扣連接。為順利注漿，在鋼管上鉆10mm 的注漿孔，遵循梅花型布置原則，孔間距為50cm，鋼管尾端2m 作為止漿段（不鉆孔）。取4 根20mm 螺紋鋼筋和適量長4cm、壁厚8mm、外徑42mm 的固定短環，共同組成鋼筋籠，將其設置在鋼管內，用于提高鋼管的強度和剛度?？v向兩組管棚的水平搭接長度不少于3.0m。

（3）鋼筋籠制作成型后，將其置入鋼管內，而后灌注漿液，隨著漿液的固結，提高鋼管的剛度。

（4）注漿采用水泥漿，水灰比為0.5∶1，漿液擴散范圍較大或是現場地下水較發育時，調整為水泥-水玻璃雙液漿。注漿采取壓力注漿的方法，壓力控制在0.5～1MPa。

4 超前大管棚支護施工工藝的具體應用

4.1 測量放樣

4.1.1 第1 環大管棚（K2+432～K2+456）

隧道進口處布設三角導線網，測設管棚的起始中心里程K2+433，確定中心線的垂線方向，沿著該方向測設控制樁。然后沿該方向設鋼格柵作定位使用。測設2 處控制樁，于鋼格柵上落點，點兩側焊接短鋼筋頭，發揮出導向作用。為維持鋼格柵的穩定性，在其下方布設五道I18 工字鋼，用于支撐鋼格柵。

4.1.2 鉆孔

在導管中心線方向打設兩處方向樁，起到輔助作用，精準控制鉆孔的方向?？變扔盟酵勇輧x檢測傾斜度，予以控制，測點位置規劃在距孔口2m、1/2 孔深、終孔處。經檢測，若鉆孔不滿足精度要求，隨即封孔重鉆，再次安排檢測，直至實測結果滿足要求為止。

4.1.3 第2 環大管棚（K2+452～K2+476）

（1）第2 環大管棚增設工作室，長度為8m。圍巖開挖后，先初噴混凝土，將鋼格柵支撐架設到位、錨桿打設到位，掛網并噴射混凝土，有效防護圍巖。工作室的尺寸略大于設計輪廓線，縱斷面結構組成如圖2 所示。

圖2 工作室縱斷面

（2）第2 環大管棚于洞內施作成型，但現場作業空間有限，難以將控制方向護樁釘設在地面上。針對該局限性，在鉆機機身中間上部的初期支護拱部設點，測定此類點的標高數據，經反算后得到鉆機中心的高度。在前述基礎上，綜合考慮孔口及鉆機中心兩點的高程，精準控制鉆孔的傾斜度。

4.2 鉆孔

（1）詳細檢查開挖斷面的中線及高程，判斷開挖輪廓線是否滿足工程要求。在工作面穩定安設受力拱架，準確標記管棚的位置。

（2）鋼管安裝的中線及高程誤差不超過±5cm，垂直度誤差不超過±2°。沿隧道開挖輪廓線，在鋼架上縱向鉆進管棚孔。鉆孔作業示意如圖3 所示。

圖3 兩臺鉆機鉆孔順序示意

（3）Ⅰ部和Ⅱ部協同開孔、Ⅲ部和Ⅳ部協同開孔。全程加強管控，使兩臺鉆機同步運行。上導坑的開挖采取人工作業的方法，開挖精度較高，但施工效率偏低，因此在不影響施工質量的前提下,盡快提高管棚施工效率，為人工開挖爭取充足的時間。

（4）根據孔位測量放線結果鉆孔，司鉆人員加強對鉆孔方向和傾斜度的檢測與控制?？椎孜恢闷羁刂圃诳咨畹?%以內，孔口位置偏差不超過±5cm。

（5）開孔初期，遵循低壓、慢轉的原則，檢查開孔施工情況，確認無異常后逐步提高鉆進速度和鉆壓。鉆進深度范圍內存在大孤石時，按照高壓、低速的方式有序鉆進。鉆孔采用130mm 合金鉆頭，局部地質條件特殊時需進行調整，例如遇到孤石時采用金剛石鉆頭。鉆進過程中，用清水護壁，期間及時取出取芯管和巖芯。隨著鉆進的持續進行，即將成孔時向孔內注入清水，清理鉆孔期間聚集在孔內的泥漿、懸浮物等，使成型的鉆孔內部保持潔凈。

（6）遇卡鉆、孔口不出水等異常狀況時，隨即暫停鉆孔，安排注漿。鉆孔完成后，檢查是否有塌孔或其他異常狀況。通過成孔檢查后，開始安設鋼管。

4.3 配管

接長管棚鋼管時，接頭在縱斷面錯開2m，保證管棚受力的可靠性。大導管的長度為4～6m 不等，下管時根據工程要求連接管子，使其達到設計長度要求。管子連接方法有如下兩種：

（1）絲扣法：在管子的兩端分別車出深度不超過1/2壁厚、長度不小于15cm 的公螺紋和母螺紋，將前一根管的母螺紋套在后一根管的公螺紋上，再旋緊，保證兩根管穩定結合為一體。

（2）外套管法：在兩根管的接頭外邊套長度為40cm的外套管，再采用電弧焊的方法進行處理，保證縫隙經過焊接后飽滿、穩定。

4.4 送管

現場空間充足時，用大型機械高效送管，減輕人工的勞動強度并提高施工效率。第1 環大管棚施工空間寬闊，具備機械作業的條件，用CAT320 挖掘機挖斗送管；第2 環大管棚施工時，礙于現場空間狹窄，不再采用機械送管的方法，取而代之的是鉆機送管。鉆進成孔后，用主動鉆桿帶動Φ108mm×8mm 的大導管，在旋轉的同時適度向前推進，直至管子精準到位為止。

4.5 管口封閉

于管子端部焊接帶眼鋼板，將長度為50cm 的Φ32mm×4mm 注漿管焊接至已經設置到位的鋼板上。配套的注漿管為三通構造，一通用于接入大導管，一通為沖洗用，一通接塑料架管。其中，作為沖洗用的一通可及時用于清理管道中的雜物，防止由于水泥漿固結或是其它原因而堵管。

4.6 壓力注漿

4.6.1 注漿參數

（1）取Φ108mm×8mm 的鋼管，在管壁上按梅花型布置的方式鉆10mm 出漿孔，孔距為50cm，鋼管尾端2m 作為止漿段，不做鉆孔處理。

（2）沿隧道開挖輪廓線布置鋼管，間距0.4m，外傾角1°。為使縱向前后兩排鋼管穩定連接，要求兩者的水平搭接長度至少達到3m。

（3）注漿以單液注漿為主，漿液擴散范圍大或是現場的地下水較發育時，調整為水泥-水玻璃雙液漿。漿液按0.5∶1 的水灰比制備，水玻璃模數2.6～2.9，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.3。壓力注漿時，將注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，具體根據現場注漿情況做靈活的調整。

4.6.2 大導管注漿量

按如下公式計算，確定大導管注漿量：

4.6.3 漿液的制備

（1）漿液用拌和機制備而成，單次投料量根據拌和機的容量而定，但必須滿足配合比的要求。

（2）投料時，先摻入水和外加劑，待水量達到設計要求后，進行1min 拌和，再向其中投入水泥，攪拌至少3min。經過拌和后，漿液需有均勻性，注漿過程中仍需攪拌。

（3）注漿采用水玻璃漿液時，濃度以25～40°Be 為宜；在加水的同時進行攪拌，用于稀釋水玻璃。

（4）在水泥漿或稀釋水玻璃漿液的制備過程中，禁止任何水泥包裝紙或是其它雜物混入漿液內。及時將拌制后的漿液轉入貯漿槽內，并做過濾處理，而后方可利用注漿泵注漿。漿液的使用遵循隨拌隨用的原則，縮短漿液拌制完成至注漿前的間歇時間，以防漿液凝固。

4.6.4 注漿方法與順序

（1）注漿方法。綜合考慮現場圍巖條件、地質特性、機械設備性能，采取全孔式注漿的方法，先鉆進至孔底，鉆孔成型質量達到要求后，一次注漿到位。

（2）注漿順序。從拱頂開始對稱向下注漿，先注無水孔，再注有水孔。跑漿、竄漿時，間隔一孔或多孔灌注。注漿后，啟用止漿閥，用于維持孔內壓力的穩定性，直至漿液凝固為止。注漿壓力主要根據注漿作業范圍內的地層條件而定，通常需擴散至管周0.5～1.0m 的半徑范圍內。注漿量則根據實際注入情況而定，待每根大導管的實際注入量達到規定要求時，可結束注漿。遇孔口壓力上升至設計值但孔內注漿量仍有限的情況時，隨即暫停注漿，分析原因并處理，防止因較強注漿壓力的持續作用而導致開挖面被壓裂。

4.6.5 注漿要求

依據設計要求，嚴格控制漿液的膠凝時間和濃度，未經許可禁止變更；注漿作業人員加強對泵口及孔口注漿壓力的檢查，判斷是否存在異常，若有則妥善處理；雙液注漿施工中，及時測定混合漿液的膠凝時間，實測結果偏離設計要求后，隨即調整。

4.6.6 注漿結束條件

注漿結束條件考慮到如下兩部分：

（1）單孔結束條件：注漿壓力達到設計值（終壓），注入量超過設計值的80%。

（2）全地段結束條件：各注漿孔均符合上述提及的單孔結束條件，并且無任何的漏注漿現象。

4.6.7 注漿效果的檢驗

（1）分析法：注漿期間記錄注漿壓力、注漿量等關鍵數據，針對數據展開分析，判斷注漿效果；注漿時加強檢查，分析是否存在漏漿、跑漿等異常狀況；在確定漿液注入量后，估算漿液擴散半徑，評價此項指標是否具有合理性。

（2）檢查孔法：在施工現場鉆檢查孔，取巖芯進行檢驗，有效判斷注漿加固效果。

4.6.8 注漿施工的注意事項

（1）部分鉆孔的成孔難度小、出水量少，可一次性注漿到位；易于成孔但有較大出水量時，分段后退式注漿；成孔難度較大時，可采用分段前進式注漿的方法。

（2）漿液攪拌時間為3min，保證原材料均勻混合；制漿后，用濾網做過濾處理，再將漿液轉至儲漿桶，用于壓漿。漿液制備時，原材料的用量必須準確，水泥、水的稱量誤差均不可超過5%。攪拌時，禁止任何紙片或是其他的雜物混入漿液中，攪拌后用篩網過濾，否則禁止注漿。

（3）注漿期間，施工人員加強對孔口、鄰孔等薄弱部位的檢查，判斷是否有串漿的問題，若有，則采用間歇式注漿的方法封堵串漿口，或是用快硬水泥砂漿封堵，保證串漿部位不再繼續涌出漿液。注漿壓力增加異常時，表明注漿管路可能發生堵塞，此時停機檢查，鎖定堵管的部位，有效疏通。

4.7 沉降觀測

為明確超前大管棚支護施工工藝的應用效果，安排沉降觀測工作，根據實測數據進行判斷。在地面設K2+441、K2+453 2 個監測斷面，各斷面觀測樁數量均為5 個，注漿期間加強觀察，判斷是否有局部上鼓、隆起的異常狀況。大管棚范圍段開挖時，觀測結果顯示此階段有10cm 的沉降，較為特殊的是山體整體沉降量達到20cm，根據各類沉降數據，預留25～30cm 的沉降量，此方式可有效滿足隧道工程在安全施工和正常施工兩個層面的要求。

5 結束語

總之,松散地質條件下的隧道工程施工難度偏大，需采取有效的支護方法提高圍巖的穩定性，以確保隧道施工的順利進行。筆者認為，超前大管棚支護工藝對維持隧道圍巖穩定性的效果較好，但一定要把控其在松散地質環境中的應用要點，并根據沉降觀測結果評價其應用效果。本文案例的實踐證明，該超前大管棚支護施工后，可滿足隧道正常施工要求和安全要求，該項施工工藝具有可行性。