程建軍

在隧道施工中,常會遇到自穩(wěn)性較差的軟弱破碎圍巖、偏壓嚴重地段,在開挖前,常采用長大管棚超前支護作為輔助施工方法與穩(wěn)定措施,以便洞身施工時能夠保證圍巖穩(wěn)定,確保隧道安全、優(yōu)質(zhì)、快速的施工。張石公路化稍營—蔚縣段高速公路蝴蝶谷隧道在設計施工中就采用了長管棚技術對圍巖進行預先處理,從而使隧道開挖順利進行,保證了施工安全、進度和質(zhì)量。

1 工程概況

蝴蝶谷隧道位于河北蔚縣城南30 km的飛狐峪風景區(qū),設計為雙向分離式四車道結構短隧道,左線全長334 m,右線全長102 m,全隧道按新奧法原理設計和施工,左洞進口淺埋偏壓段最薄覆蓋層為3.75 m,右洞進口淺埋偏壓段最薄覆蓋層為3.1 m,工程地質(zhì)狀況分別在洞口60 m和31 m的范圍內(nèi)為第四系松散碎石土,極易坍塌,洞口穩(wěn)定性極差,在雨季下暴雨還容易造成滑塌,設計在洞口段采用30 m管棚進行超前支護。

2 管棚工藝原理及參數(shù)

2.1 管棚工藝原理

從隧道洞口沿開挖輪廓外緣以1°～3°外插角打入一排縱向鋼管,插入鋼管后,再通過管內(nèi)注漿孔注入水泥漿,以固結軟弱圍巖、充填鋼管與孔壁之間的空隙,使管棚與圍巖固結緊密,并用水泥砂漿充填鋼管,以增加鋼管剛度。開挖后架設鋼拱架,這樣利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐,構成整體剛度較大的棚狀支護結構,阻止和限制圍巖變形,增加圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 管棚參數(shù)

1)鋼管布設在圓心角為118°的隧道拱部;2)鋼管環(huán)向間距為40 cm;3)管心與襯砌設計外輪廓線間距為25 cm;4)傾角:仰角1°(不包括路線縱坡);5)管棚長度為 30 m,采用φ 89 mm的熱軋無縫鋼管,壁厚5 mm,管節(jié)長度 4 m～6 m;6)孔口導向管為φ 108 mm的無縫鋼管,壁厚6 mm,管節(jié)長度2 m。

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準備→開挖支護明洞邊、仰坡→施作套拱→搭設鉆孔平臺、安裝鉆機→鉆設管棚孔→清孔和驗孔→安裝管棚鋼管→注入水泥漿。

3.2 施工要點

3.2.1 明洞邊、仰坡的開挖支護

1)隧道明洞邊、仰坡處理應遵循“早進晚出”的施工原則,盡量少破壞山體植被,特別是處于風景區(qū)內(nèi)必須注意做好此項工作;2)在明洞邊、仰坡開挖之前,必須先完成洞頂截水溝的施工;3)邊、仰坡開挖一定要一次到位,并進行錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土的施工,邊、仰坡必須封閉密實堅固,防止雨水滲入邊、仰坡內(nèi)。

3.2.2 施作套拱

1)在明暗交界地段開挖輪廓線之外施作C25混凝土拱作為長管棚的導向墻,套拱內(nèi)埋設4榀Ⅰ16工字型鋼拱架作為支撐,將導向管按40 cm間距布設與鋼拱架焊成整體;2)導向管安設的平面位置、傾角、外插角的精確度直接影響管棚施工質(zhì)量,導向管必須準確測量放樣定位,使導向管軸線與管棚設計軸線相吻合。導向管還必須與鋼拱架焊接穩(wěn)固牢靠,保證澆筑時不產(chǎn)生位移。

3.2.3 搭設鉆孔平臺、安裝鉆機

1)在所開挖的工作面上,采用鋼管腳手架、型鋼或枕木搭設鉆孔作業(yè)平臺,作業(yè)平臺應根據(jù)管棚在隧道拱頂及拱腳部位處的設計尺寸和鉆機作業(yè)高度要求一次性搭設好;2)作業(yè)平臺必須支撐在實地上,必須連接牢固、穩(wěn)定,以防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生擺動、不均勻下沉、傾斜等影響鉆孔質(zhì)量的情況;3)鉆機就位:鉆機安置的位置距工作面的距離以不小于2 m為宜。鉆機安置后,要求鉆桿必須與設定好的孔口導向管方向平行,通過鉆桿穿過套拱上的孔口導向管和掛線相結合的方法,反復調(diào)整,精確核定鉆機位置,確保鉆機鉆桿軸線與孔口導向管軸線相吻合。

3.2.4 鉆孔

1)為保證鉆孔方向,鉆孔前要由測量工程師準確定出鉆孔位置;2)為了便于安裝鋼管,鉆孔直徑要比管棚外徑大15 mm～20 mm,孔深要大于管長0.5 m以上;3)使用兩臺電動鉆機施鉆,從高孔位向低孔位對稱進行,經(jīng)過幾次接桿完成長管棚鉆孔,鉆孔時隨著孔深的增長,要對回轉扭矩、沖擊力和推力進行控制和協(xié)調(diào),特別是推力要嚴格控制;4)鉆機開鉆時鉆速宜低,可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速和風壓,鉆深20 cm后轉入正常鉆速;5)為防止鉆桿在推力和振動力的雙重作用下,上下顫動,導致鉆孔不直,鉆孔時,應把扶直器套在鉆桿上,隨鉆桿鉆進向前平移;6)在鉆進中出現(xiàn)坍孔、卡鉆情況時,要進行注漿后再施鉆;7)在鉆進時要注意做好對鉆具、套管及鉆桿接頭的檢查,以保證鉆孔順利;8)在鉆進過程中要用測斜儀檢測鉆孔位置,并根據(jù)鉆機鉆進的情況及時判斷成孔質(zhì)量,并及時處理鉆進過程中出現(xiàn)的問題;9)認真做好鉆進過程的原始記錄,及時對鉆出的巖屑進行地質(zhì)判斷、描述,可作為開挖洞身的地質(zhì)超前預報,為指導洞身開挖提供依據(jù)。

3.2.5 清孔驗孔

1)用長度不小于2.5 m的φ 100 mm的巖芯鉆桿進行來回掃孔,以清除孔內(nèi)碎渣和順孔,確?？讖健⒖咨罘弦?防止堵孔;2)用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣;3)用測斜儀、全站儀等檢測孔深、傾角和外插角。

3.2.6 安裝管棚鋼管

1)管棚管口段2 m不開孔,其余部分按15 cm間距交錯設置孔徑為10 mm的注漿孔,管頭焊成圓錐形,便于入孔;2)在下管前,將要頂進的鋼管節(jié)搭配到設計長度并試拼接,并做好記錄,以保證同一斷面內(nèi)的鋼管接頭數(shù)不大于50%,相鄰鋼管的接頭至少錯開1 m。鋼管接頭采用絲扣連接,絲扣長15 cm,絲扣要上滿,確保連接可靠,接長鋼管要滿足受力要求,為保證相鄰鋼管接頭相互前后錯開,將編號為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3 m鋼管,編號為偶數(shù)的第一節(jié)鋼管采用6 m鋼管,以后每節(jié)均采用6 m鋼管;3)鋼管安裝前期,用人工送管,當阻力增大、人力無法送進時,利用鉆機的沖擊力和推力低速頂進鋼管,其沖擊力控制在18 MPa～22 MPa,推力控制在4 MPa～6 MPa。

3.2.7 注入水泥漿

1)每完成一孔管棚的安裝后,即對孔內(nèi)注漿,根據(jù)設計采用水泥漿,水灰比為1∶1;2)采用BW-250/50型液壓注漿機壓注水泥漿,注漿前應先進行現(xiàn)場運轉試驗,保證注漿順利進行,考慮到巖層裂隙阻力,注漿壓力取初壓 0.5 MPa～1.0 MPa,終壓1.5 MPa～2.5 MPa,施工時,注漿壓力按分級升壓法控制;3)以最終注漿量和達到設計壓力的持續(xù)時間作為注漿達到質(zhì)量標準要求的控制指標。設計規(guī)定注漿量為鉆孔圓柱體的5倍,若注漿量達到規(guī)定量,未達到壓力要求,應調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿,直至符合注漿質(zhì)量標準,確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙都被漿液充填;注漿壓力達到設計終壓,持壓約15 min后停止注漿;4)注漿結束后及時用清水清洗管棚內(nèi)漿液,然后用30號水泥砂漿緊密填充,以增強管棚的剛度和強度。

4 質(zhì)量控制要點

1)套拱鋼拱架安裝要精確,其垂直度誤差控制在±2°,平面及高程誤差控制在±5 cm,在鉆孔前,要精確測頂管棚位置、傾角及外插角,并對每個孔進行編號;2)嚴格控制鉆孔平面位置,以確保管棚孔不侵入隧道開挖輪廓線及相鄰的管孔不得相交為標準;3)經(jīng)常量測鉆孔的傾角和外插角,發(fā)現(xiàn)誤差超限要及時糾正,糾正不了的要注漿原位重鉆。

5 結語

對于隧道洞口的淺埋偏壓、軟弱破碎圍巖地段采用長大管棚施工工藝,可以起到超前支護作用,提高了隧道的整體穩(wěn)定性,增加了施工安全度,在管棚支護下進行隧道開挖,可有效防止地表下沉和圍巖坍塌,同時,管棚鉆孔施工的地質(zhì)資料可為指導洞身開挖提供依據(jù),極大地保證了隧道施工的順利進行。