提升隧道洞內管棚施工質量技術研究

唐開軍

貴州職業技術學院 貴州貴陽 550023

1 隧道超前管棚預支護作用機理分析

隧道超前管棚超前預支護是一種能提供較強支護作用的隧道輔助技術，其做法是在隧道開掘進施工前，沿開挖輪廓線在隧道頂部一定范圍內環向間隔一定距離向軸線方向鉆孔并安裝管棚管，隨后進行注漿作業，以形成超前支護效應。施做管棚注漿時會形成一個預先加固保護環，充分發揮承載拱的受力作用，在上方施加荷載，使拱內圍巖承受變形壓力，進而獲得一個良好的開挖條件。如果超前管棚沿著隧道外圍分布時，則要將環形拱架與管棚結合加固，此時拱部圍巖受到的變形力傳遞到支撐拱架中。因為支撐拱架相互連接并且相互支護，能夠使掘進支護更加安全、穩定。[1]

通常情況下管棚、拱架、鎖腳錨桿或者錨管、注漿工藝等形成復合的支護技術。管棚管通過注漿，漿液可以填充巖體裂隙提升其整體性和穩定性，漿液在管棚管內凝結硬化可以很大程度上提升管棚管的棚護能力；鎖腳錨桿或者錨管可提高管棚支護體系的抗沉降能力，對于控制圍巖變形發揮較好作用。

研究者Ibrahim在其研究中指出，隧道的管棚超前預支護能夠有效應對隧道開挖所引起的地表位移及掌子面穩定性等問題，尤其是在特別惡劣的地質條件下效果更顯著。[2]伍振志、張向東、孫玉永等對管棚的加固機理及加固效果進行分析得出，管棚注漿能夠顯著地限制軟弱圍巖的松動變形，可以有效地減少隧道支護結構的受力和變形，避免淺埋松軟圍巖發生塌方現象，是在工程實踐中比較廣泛采用的隧道超前預加固的方法[3-5]。辛潤勤[6]在《隧道洞口段超前管棚預支護體系數值分析》一文中指出，在隧道洞口段施做超前管棚預支護體系，能顯著改善洞口段地層的物理力學性質，提高軟弱地層的整體性，有效地抑制圍巖的不利變形。管棚打設角度對管棚預支護體系作用效果的發揮影響較大。管棚的加固作用機理，主要是將管棚上部圍巖傳來的荷載分散到掌子面前方的土體和格柵(鋼)拱架上，以此來減少掌子面前方巖土體所承受壓力的強度，從而取得更大的掌子面土坡穩定安全系數，保證掌子面前方巖土體的穩定性。[7-10]

2 工程概況

某市貴金線(瑞金北路延伸段)道路工程C標段線路長1.12km，包括隧道、道路和匝道橋，設計為城市快速路。該項目1號隧道是該線上的關鍵工程，標段承擔的是隧道出口端左線1.018km(ZK2+618～ZK1+600)和右線1.02km(YK2+640～YK1+620)，縱坡為2.9%的反坡掘進任務。凈距7m，為雙向6車道(單洞3車道)隧道，單洞開挖斷面面積達到163.8m2，寬度為16.98m，高度為11.56m，按照國際隧道協會(ITA)定義的隧道的橫斷面積的大小劃分標準分類，該隧道屬于大斷面隧道。

隧道圍巖地質特別復雜，分布4條斷層，有巖溶、涌水、突泥和可能瓦斯不良地質。隧道圍巖級別以Ⅳ級、Ⅴ級圍巖為主。隧道YK1+760～+620段屬于軟弱圍巖地質條件，同時屬于淺埋情況，圍巖巖體穩定性較差，地質情況如圖1所示，施工過程存在較大的安全隱患，根據隧道監控量測數據分析，對該段的支護參數進行調整，調整后的支護參數如表1所示。

表1 隧道YK1+760～+620段V圍巖調整后的支護參數

3 管棚施工存在的主要問題及對策

3.1 管棚施工存在的主要問題

在進行管棚管施工質量問題的原因分析時，將管棚管施工的環向間距、仰角設置、管棚管接頭及送管作為主要分析因素，其他如管棚管質量等因材料在進場已經進行驗收并有相關證明材料，故不作為分析對象。管棚管施工過質量問題原因分析的統計數據如表2所示。

表2 隧道YK1+760～+620段管棚施工質量檢查統計表

經過分析，可知隧道YK1+760～+620段管棚施工質量問題的主要原因為管棚管的環向間距分布不均均勻，管棚角度布置不準確，施工完成后容易出現管棚管侵入洞內的情況，管棚接頭連接頭的可靠性不高以及管棚管送管存在不符合設計要求等，管棚壓漿時漿液回流量大等，這些問題將嚴重影響隧道管棚管的支護效應，會對隧道掘進施工安全帶來極大隱患。隧道YK1+760～+620段管棚施工質量問題的產生原因如表3所示。

表3 隧道YK1+760～+620段管棚施工質量問題原因

3.2 提升管棚管施工質量的措施

超前管棚管施工質量控制是系統工程，在實踐過程中應按照質量目標控制的基本方法，將組織措施、技術措施、經濟措施和管理措施等對該段管棚施工質量進行控制，以達到預期目標要求，為隧道安全掘進施工提供保障。

3.2.1 提升施工人員質量意識和技術水平

目標控制理論中，組織因素是目標能否實現的重要因素。管棚施工的質量提升，施工人員的質量意識和施工技術水平是關鍵因素。在實踐操作過程中，可以采用如下方法：一是認真落實交底制度。技術交底是施工現場進行施工質量控制的有效方法之一，翔實的交底可以讓施工人員更加清晰的理解和掌握施工要求和標準，有利于提升實踐操作的質量，交底人員可以采用多形式的交底方式，如運用BIM建模技術的實現三維仿真，使交底內容更加直觀，以便于工人理解掌握。二是采用施工質量評比獎懲機制，即在有條件的情況開展班組施工質量評比競賽并進行相應獎勵。有效的激勵獎懲機制可以激發施工人員的質量控制意識，強化質量控制的意識引導，將質量控制的他律轉換為自律行為。三是進行管棚的施工技術培訓。采用定期進行施工質量培訓交流的方式，可以提升施工的人員的技術水平，亦可以強化施工人員的質量意識。

3.2.2 改進隧道施工方法及參數

管棚管施工機械操作需要有合適的施工操作空間，才能保證鉆孔、送管等工藝的操作符合要求。本項目中的隧道原設計挖方式為側壁導坑開挖方式，操作空間較小，對管棚施工的帶來不利影響。根據隧道洞身所處的水文地質條件及監控量測的數據分析，將原側壁導坑開挖方式改為臺階法施工，根據施工機械操作需要并結合圍巖穩定性確定上臺階的高度設置為1.5～1.8m之間，此數據可以根據實際施工過程中在確保施工安全的情況進行必要調整，為管棚管的施工、管棚管的鉆孔及送管的施工作業提供必要空間，能及時知曉隧道施工過程中圍巖穩定性，增強隧道監控量測的頻率和監測點位，實時收集數據信息，以便及時為調整隧道施工參數提供數據支撐。

3.2.3 改進管棚管的接頭處理方式

管棚管接頭質量是管棚施工關鍵控制點，其施工質量對整個管棚是否能較好發揮棚護能力具有重要影響，目前工程實踐中常用焊接或者絲扣連接的方式。隧道超前管棚棚護失效的原因中，管棚管接頭可靠度低是比較常見情形，同時還有管棚管注漿對圍巖的凝結加固的效果差等。[11]根據項目施工實際，超前管棚管施工對原焊接方式改為絲扣的形式進行可靠連接，要求絲扣的長度應不小于150mm，然后采用300mm長的鋼管從中間破開，將管棚接頭處進行包裹焊接，增強管棚管的接頭可靠度，如圖2所示，可以提高單根管棚管的剛度，減少管棚管在送管過程中的“低頭”而出現送管困難、送不到位等情況。管棚管施工作業時，要求同一里程斷面上的接頭率不大于50%，確保管棚管的整體棚護作用和棚護剛度。

3.2.4 提升管棚注漿作業質量

超前管棚對巖體的支護作用主要體現在兩個方面：一個方面是管棚會在隧道開挖面正前方形成一個具有保護作用的“防護棚”，因為管棚的一端支撐在隧道前方的巖體里，一端則支撐在鋼拱架上。這個防護棚的作用既能為隧道開挖提供掩體作用，同時也能保障掌子面的穩定性；一個方面是管棚體的注漿使漿液沿隧道開挖輪廓線對圍巖進行加固，提高圍巖的穩定性，以達到比較好的施工條件。提升管棚管的注漿作業質量是提升管棚施工質量的重要環節，針對本工程中出現的問題，對施工工藝進行改進。首先，對隧道開挖掌子面進行封閉處理。在管棚管注漿作業前，可以通過噴射混凝土對開挖掌子面進行封閉處理，噴射混凝土的厚度可根據實際設置100～150mm，且應根據后續注漿作業的反饋情況進行調整。其次，設置管棚注漿口和排氣孔，排氣口設置閘閥。在進行注漿作業時，開啟排氣口，待排氣口有漿液溢出時將閘閥關閉，繼續注漿穩壓1.0Mpa，穩壓時間約為5分鐘時可以視為注漿達到要求，可以根據隧道開挖后視檢查注漿效果進行適當調整。

4 總結與思考

管棚超前預支護技術是隧道工程中常用的技術，對隧道的安全施工、快速掘進有著重要影響。管棚施工質量的影響因素較多，通常在設計合理、施工質量可靠度高的情況下，管棚才能發揮較好的棚護能力。管棚的注漿效果在沙土或者強風化的破碎巖體中能發揮較好效果，而在黏土中通常會由于黏土遇漿液形成致密隔膜而造成注漿困難，效果不好的情況。因此，在選擇超前管棚作為隧道施工的輔助工法時，應充分考慮隧道所處地質條件等因素對施工質量的影響，及時調整施工工藝，提升管棚的施工質量以發揮其作用。施工員在進行管棚質量控制過程中，對質量影響因素、質量控制關鍵應進行重點把控，根據工程實際情況進行技術調整，這是施工員崗位職業能力的重要體現，作為職業教育者應將其進行整理，作為適合入課的知識內容，實現崗位職業能力標準入課，課程教學與崗位能力要求對接，踐行崗課融合人才培養。