管棚超前導管精確導向施工控制技術研究

潘嘉誠 劉 明 方維龍

中交路橋南方工程有限公司 北京 100000

大慶至廣州高速公路南康至龍南段擴容工程C7標段的馬槽仔隧道，起止樁號為K124+475～K126+320，長度為1845m，隧道內輪廓總寬15.6m，內輪總高10.0m，凈空斷面積102.6m2，屬公路長隧道。隧道軸線走向大致為北至南走向，隧道橫斷面為雙向橫坡2%，隧道進洞口和出洞口的縱坡分別為2.5%和-1.5%，進出洞口洞門形式均為端墻式，且進洞口和出洞口分別位于沖溝右側和左側的山腰，山體坡度較緩、巖土體整體性較差。受連續降雨和洞口土體穩定性差等因素影響，在隧道進口處出現了較大規模的滑坡病害，大幅提升了隧道工程的進洞施工的難度。

從物理力學指標以及依托工程圍巖實際情況來看，研究項目地質環境相對于完整巖石隧道或其它破碎巖層隧道具有一定的特殊性。主要體現在：洞口段頂部為松散結構的含粉質粘土和全風化泥灰巖；地下水活動較強，局部存在高揚程的承壓水；松散滑坡體影響范圍超過100mm，并已封閉隧道洞口段。上述工程問題的存在必然會對工程施工時的變形控制、穩定性控制、安全問題以及現場施工組織產生不利影響，并會嚴重影響工程的建設進度和質量，以及工程施工的安全性。對此工程建設過程中，先后出現了兩次邊坡滑坡問題。

通過第三方測斜結果，該邊坡的最大滑移深度為約15m；滑坡體的最大長度約48m，滑動方向發展主軸最大直徑65m，總滑坡體面積約250m2，體積約30000m3。滑動面剪出口位于土層和巖層的交界面附近，并局部切入全風化頁巖石。依據滑坡體量大小判斷，該滑坡屬中型土質滑坡。滑坡幾何形態特征如圖1所示。

圖1 隧道洞口厚滑坡土體滑坡照片

針對松散地質條件下，管棚超前支護施工技術，學者和工程技術人員進行了有針對性的研究，如冀曉偉[1]、衛敏[2]等對隧道超前支護效應方案進行了分析研究；羅文[3]、王巖[4]、李成[5]、周劉剛[6]等深入研究了隧道超前導管的支護施工技術；吳旦[7]、鐘德祥[8]、趙培[9]、王新明[10]、苑俊廷[11]等對超前導管在隧道中的應用進行了探討。

分析表明，管棚及超前導管已在公路隧道工程中得到了較為廣泛的 ，現有研究成果在適宜的工況下取得了較好的工程建設效果。然而，考慮到依托工程本身的特殊地質環境和建造環境，在工程研究過程中，亟需對隧道超前支護結構以及管棚超前導管精確導向技術進行進一步研究。同時，現有工程措施和技術成果中，尚存在鉆孔作業平臺支設困難、導管插設定位準確度低、導管注漿變異性大等問題。鑒于此，為彌補現有技術的不足，文章以馬槽仔隧道洞口管棚超前支護工程為對象心，對管棚超前導管精確導向施工控制技術進行了研究。

1 工程技術問題及施工難點

1.1 支架搭設施工效率低

支架搭設是管棚導管施工的重要環節，其搭設質量不僅會影響導管引孔質量，而且會對導管鉆設施工效率和安全性產生較大影響。常規管棚施工支架以鋼管滿堂支架為主，現場搭設需要大量的人工作業量、搭設施工工效低，且節點連接質量、支架穩定性常難保證，支架結構體系的重復利用率較低。

1.2 導管鉆設施工質量不易控制

導管鉆設施工通常包括鉆機定位、鉆孔鉆進、鉆孔清渣和導管插設等工序，在現場施工時，鉆孔施工常需要依靠鉆機工人的技術熟練程度，其鉆孔位置和傾斜角度控制精度常難保證，同時，由于鉆孔施工會對孔周土體造成擾動，容易發生坍孔、卡鉆、鉆機移位等現象，導致導管鉆設施工質量不易控制。

1.3 套管更換施工難度大

管棚超前導管施工技術中，管棚鋼管安裝過程中常需借助外部機械進行輔助作業，為保證導管定位精度，在導管安裝過程中必須保證鋼管的軸線與鉆孔保持一致，使得套管更換施工難度大，定位的準確度低。

2 施工結構改善設計及特點分析

2.1 改善設計

基于馬槽仔隧道洞口管棚超前支護工程實際情況，結合管棚超前導管施工技術現狀，對現場施工結構進行優化設計，圖2是裝配式平臺導管導向插設裝置示意圖，圖3上 雙向控位導管驅動桿結構示意圖。

圖2 裝配式平臺導管導向插設裝置示意圖

圖3 雙向控位導管驅動桿結構示意圖

圖4 超前小導管施工工藝流程圖

（1）在隧道洞周土體內預設洞口套拱，并在洞周土體上設置由支架底板、支架撐桿、支架撐墩和支架平臺板組合形成的支撐平臺；支架撐墩采用鋼板或型鋼軋制而成，其頂端通過可轉動的撐桿端鉸與支架撐桿連接，相鄰支架撐桿的傾斜角度可通過調整撐桿調節栓的長度進行調整。

（2）在支架平臺板上鋪設第二滑槽及第一滑槽，并將第一滑槽置于第二滑槽的縱向滑移槽道內，依次通過第一控位體控制第一滑板在第一滑槽內的位置；通過第二控位體控制第二控位連板在第二滑槽內的位置，從而實現轉動箍板及導向驅動桿的橫向位置和縱向位置。

（3）將導管驅動桿置于固定箍板上，并使導管驅動桿的一端與引孔鉆機連接，另一端與插入導管連接，通過引孔鉆機進行插入導管的現場插設施工。

（4）接管施工時，先解除導管驅動桿與插入導管的連接，再通過耳板緊固栓將鏡像相對的箍板耳板連接牢固，然后分別通過第一控位體和第二控位體調整導管驅動桿的平面位置。

2.2 特點分析

（1）管棚導管導向插設裝置通過撐桿調節栓調整支架撐桿的傾斜角度，進而改變支架平臺板的高度，降低施工支架平臺的搭設難度。

（2）管棚導管導向插設裝置通過第一控位體和第二控位體調整導管驅動桿的平面位置，減小接管施工時人工移管的工作量，提高連接定位的準確度。

3 導管插設施工

3.1 導管插設施工工藝流程

3.2 超前導管插設施工

（1）小導管安設

①小導管的安設應采用引孔頂入法，采用氣腿式風鉆引孔，鉆頭直徑100mm，成孔直徑108-112mm；鉆孔施工完成后，及時向孔洞內插設套管，避免相鄰孔鉆孔時塌孔。

②小導管與工字鋼做好搭接，封堵導管周圍，安裝孔口閥門。

③插入小導管之后，管端外露20cm，以安裝注漿管路。

（2）注漿漿液配制

①小導管注漿液采用水泥凈漿，當孔洞內存在水體時，可摻入一定比例的水玻璃調節凝結時間；小導管注漿的水灰比1.0:1.0，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，緩凝劑摻量根據所需凝膠時間而定,一般控制在水泥用量的2%～3%。

②水泥漿攪拌在拌合機內進行，在加水的同時將緩凝劑一并加入拌合機內并攪拌,待水量加夠后繼續攪拌1分鐘，最后將水泥投入并攪拌3分鐘。

③制備水泥漿時，應嚴格控制拌合時間，并通過濾網對投入物內的雜物進行控制，避免水泥包裝紙及其它雜物混入。

（3）注漿

注漿順序為由上至下、由拱頂至拱腳對稱施工。壓漿過程中要嚴格控制注漿施工壓力，若出現注漿孔泄漿不暢，被迫提前停止時，須適當增加臨近孔洞的補漿壓力。注漿時出現孔漿串漿問題，可采用跳孔方式進行注漿。

（4）注漿結束標準

①當注漿壓力逐漸提升時，當達到設計終壓（1.0MPa）后，應繼續注漿10min以上，方可結束注漿；

②根據測試確定的鉆孔內注入量，與設計的注入量進行比較，如注入量與設計計算量大致相近，且進漿量為20-30L/min，可結束注漿。

3.3 施工注意事項

（1）導管插設的角度和位置應根據隧道開挖開挖輪廓線確定，鉆孔的孔位偏差不得大于10cm，角度偏差不得大于3°。

（2）導管鋼管每根實際打入長度不得小于原設計的導管長度，否則應進行補管施工。

（3）當導管的水泥漿注漿壓力突然升高時，應核實施工機械及導管是否發生堵塞問題，清除故障后繼續進行注漿；若注漿壓力在注漿過程中逐漸提升，且超過1.5MPa，則應調整漿液的水灰比。

（4）注漿前需對注漿機械、管路、接頭等等性能進行檢查，確保管路暢通，機械工作性能良好。

（5）注漿結束后要及時對管路、閥門及注漿泵體進行清洗，確保無殘留的漿體，管路暢通。

（6）管棚所有注漿導管均注漿完成后，要對注漿效果、漿液飽和度、注漿范圍等進行檢測評價，不合格者應及時補充注漿或重新施作注漿導管。

4 結論

受諸多不確定性因素影響，管棚超前導管施工的質量和工期一直是工程施工控制的難點。文章針對管棚結構施工的難點問題，進行了有針對性的技術研究，得到了以下結論：

（1）基于管棚超前導管精確導向施工的技術難點，提出了一種管棚導管導向插設裝置，并闡明了管棚導管導向插設裝置的特點。

（2）結合依托工程中管棚超前導管的施工工況，結合研究提出的管棚導管導向插設裝置，形成了管棚超前導管精確導向導管注漿技術，闡明了管棚超前導管精確導向導管注漿技術施工控制要點。