李金林

中鐵十七局第一工程有限公司成蘭項(xiàng)目 山西太原 030000

摘要：本文結(jié)合成蘭鐵路茂縣隧道進(jìn)口三線大跨段大管棚施工實(shí)例，分析了三線大跨隧道段處于在富水淺埋卵石土層時(shí)，如何合理科學(xué)地進(jìn)行大管棚施工，提高施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三線大跨；富水；卵石土

引言

目前，在大跨、淺埋等施工條件下，大管棚施工技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁４蠊芘锸┕な欠乐箛鷰r坍塌及地表沉降的主要手段，管棚施工已成為淺埋暗挖三線大跨隧道控制地面下沉和加強(qiáng)隧道圍巖施工的主要方法，但對于同時(shí)存在富水和卵石土等軟弱地質(zhì)的施工條件，大管棚施工技術(shù)的研究和開發(fā)仍然是隧道前方圍巖預(yù)加固技術(shù)研究的主流。

1 工程概況

茂縣隧道穿越茂汶斷裂，該斷裂帶受汶川地震影響，仍處于活躍狀態(tài)，其高地殼應(yīng)力、高地震烈度、高地災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)極為顯著，屬極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，隧道進(jìn)口段穿越卵石土層厚1.89～33.23m，含少量大漂石，具有滲透性較強(qiáng)、遇水地基承載力降低、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)。正線進(jìn)口淺埋段洞身采用φ76mm鋼管樁加固；隧道進(jìn)口洞頂采用大管棚超前支護(hù)加固，加固里程范圍為D8K125+250～+285，棚管采用φ108mm熱軋無縫鋼花管，單根長35m，共63根。大管棚布置圖如圖1-1、圖1-2和圖1-3所示。

圖1-1大管棚立面布置圖

圖1-2 大管棚縱向布置圖

圖1-3 大管棚縱斷面布置圖

隧道進(jìn)口段淺埋，最淺處靠近洞口，只有1.89m，如圖3所示。洞身位于第四系全新統(tǒng)堆積卵石土層內(nèi)，地表水流量及地下水水位受季節(jié)影響較大（正洞正常涌水量為291 m3/d，雨季最大涌水量為437m3/d），且本段位于車站內(nèi)為三線隧道，開挖斷面大（開挖尺寸寬×高為21.07m×13.99m，開挖斷面面積為239.85㎡），圍巖自穩(wěn)性差，大管棚施工應(yīng)充分考慮到這些因素的影響。

在富水、卵石土層、大跨、淺埋等復(fù)雜條件下進(jìn)行大管棚施工，不利條件相互之間容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，施工難度相當(dāng)大。

2 施工機(jī)具的確定

2.1大管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）導(dǎo)向墻：C20混凝土，厚度100cm，寬度100cm。

（2）導(dǎo)管規(guī)格：熱扎無縫鋼花管，外徑108mm，壁厚6mm；單根長度35m，共63根。

（3）導(dǎo)管施作范圍及管距：環(huán)向間距40cm，施作范圍為拱部120°。

（4）傾角：外插角以1°～3°為宜。

（5）注漿材料：水泥-水玻璃雙液漿。

（6）孔口管規(guī)格：熱扎無縫鋼管，外徑180mm，壁厚6.5mm。

2.2施工機(jī)具的選擇

根據(jù)大管棚設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合適的機(jī)械?，F(xiàn)有的機(jī)械類型及相關(guān)參數(shù)見表2-1。

表2-1 現(xiàn)有機(jī)械及相關(guān)參數(shù)對照表

型號KG930B型

露天潛孔鉆車KQD-100型

電動(dòng)潛孔鉆機(jī)ZSL-70

全液壓履帶式工程鉆機(jī)ZSL-100

全液壓履帶式工程鉆機(jī)

鉆孔直徑80～115m80～100m90～180m90～250m

鉆孔深度25m25m20～60m30～100m

鉆孔角度0～185°0～±90°0～360°0～360°

爬坡能力30°/≤20°30°

試鉆結(jié)果富水卵石土造成容易塌孔富水卵石土造成塌孔，卡鉆，鉆頭拔不出來沒有配套的跟管

和偏心鉆頭跟管施工，

具有可行性

綜合比選xxx√

綜合比選：

①鉆孔直徑：導(dǎo)管采用Φ108mm鋼花管，跟管采用Φ146mm專用鋼管，只有ZSL-70、ZSL-100合適；

②鉆孔深度：導(dǎo)管每根長35m，只有ZSL-70、ZSL-100合適；

③方法選擇：由于處在富水卵石土層，裸鉆施工容易造成塌孔、卡鉆和導(dǎo)管送不到位等現(xiàn)象，跟管施工比較合適。而ZSL-70沒有配套的跟管和偏心鉆頭，只有ZSL-100合適。

通過綜合比選，ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)各項(xiàng)性能均能滿足施工需要。最終選擇ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)作為大管棚的施工機(jī)械。

2.3施工機(jī)具配件的合理準(zhǔn)備

考慮到施工質(zhì)量和工期的影響，應(yīng)提前做好施工機(jī)具配件的準(zhǔn)備工作?？紤]因素如下：

①大管棚每根導(dǎo)管需要采用Φ146mm套管24節(jié)（24x1.5m=36m>35m）；正常情況下，鉆孔完成一根需要7.5h，送管需要1h，拔管需要1.5h，注漿需要0.7h。正常情況下，一天24h可以完成鉆孔3根；

②設(shè)計(jì)注漿壓力要求達(dá)到1.5～2Mpa并穩(wěn)壓10min以上，需要封錨的快硬水泥砂漿初凝之后，才能進(jìn)行注漿工藝，時(shí)間為4h；

③設(shè)計(jì)導(dǎo)管是按曲線布設(shè)在拱部120°范圍內(nèi)，同時(shí)鉆孔施工時(shí)要求隔樁鉆孔，造成一個(gè)作業(yè)平臺(tái)做好之后，只能夠完成導(dǎo)管鉆孔4～5根；

④正線進(jìn)口淺埋段洞身采用Φ76mm鋼管樁加固，鋼管樁間距1.0m*1.0m（橫*縱），在鉆進(jìn)的過程中，存在鉆頭鉆到鋼管樁的情況；

⑤隧道進(jìn)口段穿越厚卵石土層，有大孤石，在鉆進(jìn)的過程中，存在鉆頭鉆到孤石的情況；

⑥導(dǎo)管之間的間距為0.4m，在鉆進(jìn)的過程中，存在鉆頭鉆到相鄰導(dǎo)管的情況。

綜合考慮，要合理高效地施工，需要準(zhǔn)備套管4套、鉆桿30節(jié)（30*1.5m=45m）、鉆頭3個(gè)（偏心鉆頭）、沖擊器2個(gè)等。

3 施工方法的確定

3.1現(xiàn)場試驗(yàn)

在富水卵石土層中，進(jìn)行了以下三組試驗(yàn)，結(jié)果及原因分析如下：

（1）KQD-100型電動(dòng)潛孔鉆機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果失敗。原因：①鉆孔直徑不滿足要求；②鉆孔深度不滿足要求；③鉆孔角度準(zhǔn)確定位困難；④由于卵石土層富水，鉆進(jìn)緩慢、同時(shí)也容易卡鉆，成孔后塌孔也比較嚴(yán)重；⑤導(dǎo)管送不進(jìn)去的現(xiàn)象頻頻發(fā)生。

（2）ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)裸鉆失敗。原因：①由于卵石土層富水，鉆進(jìn)的過程中高壓風(fēng)將砂和石粉吹不出來，造成卡鉆；②卵石土層成孔后，塌孔現(xiàn)象屢見不鮮；③導(dǎo)管不能完全送進(jìn)孔內(nèi)。

（3）ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)跟管成功。成功經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：采用Φ146mm套管先跟鉆頭打進(jìn)去，再退內(nèi)桿將偏心鉆頭拔出來，然后將導(dǎo)管頂進(jìn)去，最后拔出套管的鉆孔方法，過程復(fù)雜，但具有可操作性。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)比選，大管棚施工決定選用ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)進(jìn)行跟管施工。

3.2工法確定

（1）工法選擇。由現(xiàn)場試驗(yàn)比選確定：富水卵石土層大管棚施工時(shí)，采用跟管施工方法，套管為Φ146mm，每節(jié)1.5m，鉆頭采用偏心鉆頭。

（2）施工工藝。大管棚跟管施工工藝流程圖如圖3-1所示。

4 大管棚施工工藝卡控要點(diǎn)

4.1工作平臺(tái)開挖

首先根據(jù)鉆機(jī)自身高度確定臺(tái)階的開挖高度，由原地面自上而下挖臺(tái)階，仰坡面需豎直開挖，以便大管棚導(dǎo)向墻施作?？紤]鉆機(jī)平臺(tái)高度不能滿足導(dǎo)向墻施作高度，需將開挖平臺(tái)兩側(cè)以外的位置進(jìn)行加深。

4.2測量放樣

首先考慮預(yù)留16cm的沉降量，再根椐線路中心線控制樁及高程控制點(diǎn)在坡面上標(biāo)識(shí)出隧道中心線及外拱頂標(biāo)高，并根據(jù)隧道的開挖輪廓線在坡面上畫出內(nèi)外拱弧，作為導(dǎo)向墻立模的依據(jù)，根據(jù)導(dǎo)向墻的里程和具體尺寸來控制導(dǎo)向墻內(nèi)外模的高度。

圖3-1 大管棚跟管施工工藝流程圖

4.3施作導(dǎo)向墻

（1）工字鋼安裝：為保證大管棚施工剛度，在導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)2榀I18定位鋼架（如圖4-1和圖4-2所示），拱部工字鋼半徑為11.9m（內(nèi)弧半徑），間距0.6米。鋼架安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)中線及水平位置架設(shè)，定位鋼架大里程側(cè)比小里程側(cè)高2.1cm。鋼架的下端設(shè)在穩(wěn)固的地層上，拱腳開挖超深時(shí)，加設(shè)鋼板或混凝土墊塊。

（2）導(dǎo)向管埋設(shè)：鋼架架設(shè)完成后，進(jìn)行導(dǎo)向管的埋設(shè)，導(dǎo)向管應(yīng)焊牢在定位鋼架上，布置如圖5所示。為滿足設(shè)計(jì)要求，先在工字鋼架頂面標(biāo)定出導(dǎo)向管的位置，并按間距、方向角要求布置導(dǎo)向管，導(dǎo)向管縱向與線路方向需一致，外插角角度控制為2°，即一端高3cm，安設(shè)時(shí)用1m水平管檢查。為避免混凝土澆注時(shí)堵塞導(dǎo)向管，則在導(dǎo)向管兩端采取密封措施。

（3）模板安裝：導(dǎo)向墻鋼模板之間通過鋼釘連接。為確保導(dǎo)向墻內(nèi)模圓順，導(dǎo)向墻端頭模板采用5cm厚木板安裝，木板間連接采用加背撐方式進(jìn)行加固；下部內(nèi)模用兩榀I16工字鋼加固，下部用工字鋼斜向三角支撐加固，外側(cè)用腳手架鋼管支撐加固。模板安裝需牢固可靠，模板與混凝土接觸面需涂刷脫模劑。

圖4-1 大管棚導(dǎo)向墻內(nèi)導(dǎo)管布置圖

圖4-2 I-I大樣圖

（4）混凝土澆注：混凝土澆注前，需再次對模板加固情況和導(dǎo)向墻的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行檢查，并作必要的較正；澆注順序?yàn)樽怨澳_兩側(cè)對稱澆注，直至拱頂。

（5）混凝土拆模及養(yǎng)護(hù)：混凝土澆注完畢后，需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期不得少于7天?；炷翉?qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后可拆除非承重模板（外模）及端模板，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后可拆除內(nèi)模及支架；拆除模板后，將孔口管進(jìn)行編號。

（6）施工過程中，加強(qiáng)導(dǎo)向墻的沉降觀測?；炷翝仓啊⒒炷翝仓^程中、混凝土拆模后都必須量測，確保導(dǎo)向墻的沉降量在可控范圍內(nèi)。

4.4封閉開挖面

開挖面封閉采用濕噴混凝土，形成止?jié){墻，防止?jié){液回流影響注漿效果和邊坡垮塌。

4.5鉆機(jī)就位

（1）鉆機(jī)平臺(tái)用鋼管和扣件搭設(shè)，搭設(shè)平臺(tái)應(yīng)一次性搭好，鉆孔由1臺(tái)ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)由高孔位向低孔位進(jìn)行。

（2）平臺(tái)要支撐于穩(wěn)固的地基上，腳手架連接要牢固、穩(wěn)定，防止在施鉆時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移而影響鉆孔質(zhì)量。

（3）鉆機(jī)定位：鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的孔口管方向平行，必須精確確定鉆機(jī)位置。

4.6鉆孔

（1）鉆孔采用ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)進(jìn)行，鉆機(jī)平臺(tái)的高度根據(jù)鉆機(jī)的可調(diào)控范圍以及鉆孔順序進(jìn)行確定，由于鉆機(jī)鉆孔順序按高孔位向低孔位進(jìn)行，平臺(tái)位置相應(yīng)自上而下進(jìn)行逐步降低，以滿足鉆孔需要。

（2）為了便于棚管安裝，鉆孔采用跟管施工，并隔孔開鉆。

（3）鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓，待成孔10m后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。

（4）鉆進(jìn)過程中經(jīng)常校正位置，并根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)的狀態(tài)判斷成孔質(zhì)量，及時(shí)處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的事故。

（5）鉆進(jìn)過程中確保沖擊器、偏心鉆頭按同心鉆進(jìn)，減少自重對鉆孔造成影響。

（6）認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時(shí)對孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖時(shí)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)參考資料，從而指導(dǎo)洞身開挖。

4.7管棚加工

大管棚導(dǎo)管為Φ108mm，壁厚為6mm的無縫鋼管。鋼管在專用的管床上加工好絲扣，四周鉆設(shè)孔徑15mm，孔環(huán)向間距10cm，徑向間距20cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100cm的不打孔段作為止?jié){段，管頭15cm割成圓錐形，便于入孔。示意圖如圖4-3所示。

圖4-3 大管棚導(dǎo)管加工示意圖

4.8清孔驗(yàn)孔

退內(nèi)桿時(shí)，用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣；開始退內(nèi)桿時(shí)，技術(shù)員如實(shí)記錄鉆桿的節(jié)數(shù)，計(jì)算出鉆孔深度。

4.9裝設(shè)管棚鋼管

（1）大管棚導(dǎo)管之間采用絲扣連接，連接鋼管絲扣長度至少為30cm。

（2）棚管頂進(jìn)是在挖機(jī)、鉆機(jī)和人工相互配合下進(jìn)行。

（3）鋼管連接應(yīng)滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯(cuò)開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭錯(cuò)開3m。

（4）在管棚鉆孔時(shí)檢查前方地質(zhì)情況并做好記錄，作為進(jìn)洞施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)參考。導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，如圖4-4所示。

圖4-4 大管棚導(dǎo)管和鋼筋籠構(gòu)造圖

4.10注漿

（1）注漿配合比：由于處于卵石土層、地下水發(fā)育區(qū)域，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿與水玻璃漿比為1：0.8，水泥漿水灰比1：1，水玻璃濃度30～35Be’，水玻璃模數(shù)2.4。

（2）注漿壓力：注漿壓力根據(jù)巖層性質(zhì)、地下水情況和注漿材料的不同而定，一般情況下注漿初始壓力取0.5～1.0Mpa，注漿終壓取1.5～2.0Mpa。達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定10min以上。

（3）注漿量：實(shí)際的注漿量與設(shè)計(jì)注漿量進(jìn)行對比，確保單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上。注漿量的計(jì)算公式如（1）所示：

Q=Anα（1+β）..............................（1）

式中：Q---總注漿量（m3）；

A---加固圍巖體積（m3）；

n---地層填充率；

α---漿液填充系數(shù)，一般在0.7～0.9之間；

β---注漿材料損耗系數(shù)，一般取0.1，填充率根據(jù)具體所處地層來選??；

（4）注漿效果檢查

①分析法：即分析鉆孔注漿記錄，看每個(gè)孔的深度、注漿壓力、注漿量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在注漿過程中，漏漿、跑漿是否嚴(yán)重；以漿液注入量估算漿液擴(kuò)散半徑，分析是否與設(shè)計(jì)相符。

②檢查孔法：用地質(zhì)鉆機(jī)按設(shè)計(jì)孔位和角度鉆檢查孔，取巖芯進(jìn)行鑒定。

經(jīng)過兩種方法檢查了已完成大管棚的注漿效果，全部合格。

5 效益分析

大管棚施工比計(jì)劃工期提前了15天完成，合計(jì)節(jié)約費(fèi)用約為17.7萬元。培養(yǎng)出了一批能專門進(jìn)行富水、軟弱地質(zhì)、大跨、淺埋等復(fù)雜條件下大管棚施工的架子隊(duì)伍，熟練地掌握了ZSL-100全液壓履帶式工程鉆機(jī)的機(jī)械性能，為后續(xù)的隧道注漿施工提供了專業(yè)人員和機(jī)械準(zhǔn)備。為下一里程段的中管棚施工提供了技術(shù)保障。中管棚加固里程D8K125+280～D8K125+380，單根長8m，共1220根。預(yù)計(jì)比工人不熟悉施工的情況下，計(jì)劃工期將會(huì)提前完成，同樣會(huì)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

6 結(jié)束語

大管棚超前支護(hù)加固是淺埋暗挖隧道施工的一項(xiàng)重要的輔助工法，可以有效地解決隧道地下水活動(dòng)較強(qiáng)、軟弱地層等特殊地段的隧道施工問題。通過大管棚施工在成蘭鐵路三線大跨富水卵石土層隧道施工中的應(yīng)用可以看出，管棚支護(hù)對控制地表下沉、穩(wěn)定洞頂土體和穩(wěn)定掌子面開挖等方面起到了重要的作用，保證了大管棚施工質(zhì)量的同時(shí)，也創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還有更深的研究意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]中鐵二局集團(tuán)公司.高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南.北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]姚先成，潘樹杰.管棚支護(hù)技術(shù)在超淺埋隧道施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2004.

[3]郭陜云.隧道施工技術(shù)方案及方法遴選要點(diǎn)[M].隧道建設(shè)，2006

作者簡介：

李金林，（1981.9.30），男，工程師，本科，目前從事成蘭鐵路隧道施工工作。

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行修補(bǔ)，以達(dá)到預(yù)期效果。

8）混凝土養(yǎng)生

玻璃鋼模板澆筑混凝土與普通鋼模板一樣，要用透水土工布覆蓋保濕養(yǎng)生，在土工布上灑水的次數(shù)根據(jù)天氣情況確定，以保持土工布經(jīng)常濕潤為原則，保濕養(yǎng)生至少7天。

在混凝土澆筑過程中，要用不透水的薄膜從模板底一直至地面覆蓋已經(jīng)脫模的成品表面，以免澆筑混凝土?xí)r漏漿污染。

4.施工注意事項(xiàng)

1）玻璃鋼模板不同于普通鋼模板，支模、拆模時(shí)不能隨意碰撞，不能隨意從高處扔下，也不能用鋼釬去撬，以免損傷。

2）支模前的測量計(jì)算不可少，一定要量測洞門拱圈高度和模板寬度，以保證拱圈頂是條灰縫線，同一層拱圈兩邊支模時(shí)，要保證模板端頭伸進(jìn)拱圈的長度一致，以保證拱圈兩邊的假石形成對稱，這樣會(huì)讓整個(gè)洞門假石排列更美觀。

3）澆洞門假石混凝土是一個(gè)精細(xì)活，布料時(shí)層厚要均勻，不能堆滿模盒后再用鍬往另一頭鏟，也不能混凝土初凝了還沒布滿一層。

4）混凝土振搗時(shí)，堅(jiān)決禁止振搗棒觸碰模板，要保持10cm以上距離，而且要掌握好振搗時(shí)間和“快進(jìn)慢出” 的節(jié)奏。

5）澆混凝土?xí)r，對下層已經(jīng)拆模的成品保護(hù)特別重要，一旦污染，就可能造成不美觀的效果。

6）拆模后，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。特別是隧道拱圈附近，要剔出灰縫，使其拱圈圓順；其余灰縫缺陷也要及時(shí)處理；假石如果有缺陷，也要及時(shí)修補(bǔ)，以免影響整體美觀。

5.工程實(shí)例

湖南武靖高速公路3標(biāo)蓮荷隧道長度1.8km，設(shè)計(jì)為端墻式洞門，為了洞門美觀，澆成了這種假石鑲面的形式，達(dá)到了預(yù)期效果；但本洞門施工時(shí)，測量劃線不太準(zhǔn)確，拱頂有小塊假石的現(xiàn)象。見下圖：

6.結(jié)束語

隨著國家科技和生活水平的發(fā)展，大家對工程的要求已經(jīng)從“經(jīng)濟(jì)適用”向“內(nèi)實(shí)外美”轉(zhuǎn)變，所以，現(xiàn)在的工程產(chǎn)品都講求與環(huán)境協(xié)調(diào)及工程自身的美觀。本文介紹的隧道洞門假石鑲面工藝有“耐久性好、整體性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用”的特點(diǎn)，相信能為以后的隧道洞門裝飾提供一種新思路。