馬武祥 許巖波 肖智廣 方延明 許戰(zhàn)波

（洛陽恒諾錨固技術(shù)有限公司，河南洛陽 471000）

超前管棚支護(hù)是在隧道建設(shè)過程中被廣泛采用的一種支護(hù)方式［1-3］。傳統(tǒng)無縫鋼花管管棚施工是在圍巖中鉆孔插入鋼花管，而在易坍塌的松散圍巖地段，插管困難，施工效率及質(zhì)量得不到保證［4］。集鉆進(jìn)、錨固、注漿為一體的自進(jìn)式管棚可改善塌孔的問題，提高整體施工效率［5-6］。

本文以鄭萬鐵路高家坪隧道自進(jìn)式管棚施工為依托，通過與傳統(tǒng)無縫鋼花管管棚的施工設(shè)計(jì)對(duì)比，來分析自進(jìn)式管棚的施工技術(shù)，為隧道超前支護(hù)提供新的思路。

1 簡(jiǎn)支梁支護(hù)模型

管棚超前支護(hù)實(shí)質(zhì)上是在洞頂形成環(huán)形保護(hù)層，在隧道的縱向與橫向逐漸形成一個(gè)剛度較大的梁拱結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)隧道施工安全支護(hù)。管棚支護(hù)計(jì)算普遍采用梁承載模型［7-8］，即頂部管棚后端支撐在已施工好的支護(hù)結(jié)構(gòu)上，前方深入地層中來實(shí)現(xiàn)梁拱效應(yīng)，承擔(dān)和分散圍巖載荷與壓力，達(dá)到加固巖體的效果。中間懸空的鋼花管段可簡(jiǎn)化為兩端受固定約束的簡(jiǎn)支梁，其管棚支護(hù)計(jì)算簡(jiǎn)支梁模型如圖1所示。其中：L為掌子面開挖過程中未支護(hù)危險(xiǎn)段長(zhǎng)度，包含施工中未立拱架長(zhǎng)度l1和爆破開挖長(zhǎng)度l2；q為管棚上部承受的垂直均布?jí)毫?；θ為核心土與水平面的夾角。

圖1 管棚支護(hù)計(jì)算簡(jiǎn)支梁模型

2 試驗(yàn)段鋼花管管棚施工情況

高家坪隧道為越嶺隧道，采用進(jìn)出口雙向掘進(jìn)，全長(zhǎng)5 498 m。隧道進(jìn)口段（DK449+037—DK452+300）最大埋深320 m，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。圍巖以中～強(qiáng)風(fēng)化頁巖為主，巖質(zhì)較軟、巖體破碎，自穩(wěn)性差。該區(qū)段還存在斷層破碎帶，易發(fā)生突水涌泥情況，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高，屬Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

選取DK449+090—DK452+115 為試驗(yàn)段。暗挖施工時(shí)洞身中擬采用長(zhǎng)20 m 的φ76×6 熱軋無縫鋼花管作管棚進(jìn)行超前支護(hù)，其構(gòu)造如圖2 所示。φ76 鋼花管管棚的管壁上每隔0.2～0.3 m 鉆注漿孔，孔距0.5 m，孔徑6～8 mm，呈梅花形布置，尾部留不小于0.3 m 的止?jié){段。根據(jù)工程地質(zhì)條件和隧道施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，φ76 鋼花管管棚前后兩環(huán)搭接5 m，外插角7°～10°。φ76鋼花管管棚施工布置如圖3所示。

圖2 φ76鋼花管管棚構(gòu)造示意

圖3 φ76鋼花管管棚布置（單位：mm）

V 級(jí)圍巖段采用三臂鑿巖臺(tái)車施工，嚴(yán)格控制鉆孔打設(shè)方向。注漿采用水灰比0.45～0.50的純水泥漿液，注漿順序從下而上，漿液先稀后稠。每孔注漿壓力由小逐漸加大，注漿壓力為0.8～1.0 MPa。

施工結(jié)果表明，由于V 級(jí)圍巖的地質(zhì)條件差管棚施工時(shí)不僅成孔率低，而且已成孔的送管困難。遇到斷層帶時(shí)通常需要5～6 h 去清孔或重新鉆孔。此外，還存在著鉆孔塌孔、無法插入管棚的情況，有較大的安全隱患，對(duì)于鑿巖臺(tái)車的鉆桿、鉆頭損耗較大，施工成本增高。

3 自進(jìn)式管棚施工技術(shù)

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

為解決φ76 鋼花管管棚施工困難的問題，更改設(shè)計(jì)方案，以R51×10 自進(jìn)式管棚代替φ76×6 熱軋無縫鋼花管管棚。確定自進(jìn)式管棚長(zhǎng)度時(shí)首先須穿過掌子面上端一定長(zhǎng)度的破碎帶，使土壓力傳到已封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)中。其次須考慮鉆機(jī)設(shè)備參數(shù)，同時(shí)為確保施工質(zhì)量，管棚也不宜過長(zhǎng)。根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況，試驗(yàn)段設(shè)計(jì)方案更改為采用23 m 長(zhǎng)的自進(jìn)式管棚。施工部件組合如圖4所示。

更改方案后，該試驗(yàn)段采用全斷面開挖法施工，于拱部150°布設(shè)R51×10 自鉆式錨桿，環(huán)向間距0.4 m，共50 根。管棚長(zhǎng)23 m，前后兩環(huán)搭接不小于5 m，管棚孔口外擴(kuò)0.1 m，外插角7°。

圖4 R51自進(jìn)式管棚施工部件組合

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)該隧道自進(jìn)式管棚支護(hù)時(shí)，除了要滿足基本的抗拉力外，還須計(jì)算并校核其抗剪和抗彎強(qiáng)度。R51×10自鉆式錨桿選用40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，通過冷軋形成全長(zhǎng)螺紋，符合ISO 10208—1991《鑿巖釬具左旋波形螺紋》要求。根據(jù)40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼的工程性質(zhì)，抗拉強(qiáng)度σb≥810 MPa，該管棚橫截面面積A1為1 045 mm2，由此得出桿體的抗拉力Fb≥846.45 kN。取95%作為抗拉力值，即Fb=804 kN（自鉆式）。對(duì)于φ76×6 鋼花管管棚，通常采用20#鋼，σb≥550 MPa，橫截面面積A2為1 319 mm2，故其Fb=725.45 kN（鋼花管）?？梢钥闯?，在鉆桿的抗拉性能上R51×10 自進(jìn)式管棚完全可以替代φ76×6鋼花管管棚。

根據(jù) JTG D70—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］和TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］，對(duì)試驗(yàn)段的支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。管棚支護(hù)計(jì)算模型（洞內(nèi)）參考圖1。

當(dāng)單洞隧道圍巖為松散巖土體時(shí)，其垂直均布?jí)毫τ?jì)算公式為

式中：s為圍巖級(jí)別；γ為圍巖的重度，kN/m3；ω為跨度影響系數(shù)，m。

根據(jù)試驗(yàn)段的工程地質(zhì)情況，s=5，γ=20 kN/m3，ω=1.83。代入公式（1），計(jì)算可得q=263.52 kN/m2。

考慮到施作后管棚對(duì)圍巖壓力的緩沖、吸收、分散及管棚注漿對(duì)圍巖的加固效果，實(shí)際圍巖垂直均布?jí)毫H為理論計(jì)算值的40%～50%，取50%。因采用簡(jiǎn)支梁模型，故圍巖實(shí)際垂直均布?jí)毫實(shí)=131.76 kN/m。

根據(jù)實(shí)際工程對(duì)未立拱架長(zhǎng)度和爆破開挖長(zhǎng)度的要求，取L=3 m。結(jié)合q實(shí)，自進(jìn)式管棚支護(hù)剪切力Qx計(jì)算公式為

當(dāng)條件系數(shù)ζ=0 時(shí)Qx最大，即Qmax=197.64 kN，則在支護(hù)過程中自鉆式錨桿桿體的抗剪強(qiáng)度τ=1 000Qmax/A1=189.13 MPa。

自進(jìn)式管棚承受隧道圍巖壓力時(shí)發(fā)生彎曲。采用簡(jiǎn)支梁模型計(jì)算桿體在橫截面處的彎矩，可得最大受力點(diǎn)的彎矩Mmax=q實(shí)L2/8=148.23 kN·m。

假設(shè)桿體僅承受中部載荷，將桿體全長(zhǎng)方向均布載荷等效為中部受力，進(jìn)行等效替代，根據(jù)Mmax=FmaxL/2，可得出最大受力Fmax=98.82 kN，故工程支護(hù)過程中自鉆式錨桿桿體的抗彎強(qiáng)度P=1 000Fmax/A1=94.56 MPa。

自鉆式錨桿材質(zhì)為40Cr 合金結(jié)構(gòu)鋼。按照材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論計(jì)算，許用抗剪強(qiáng)度［τ］為抗拉強(qiáng)度的0.5～0.7，取下限，則［τ］=810×0.95×0.5=384.8 MPa。根據(jù)鋼材手冊(cè)，查得其許用抗彎強(qiáng)度［P］=365.7 MPa。

結(jié)合施工，取安全系數(shù)n=1.25，則實(shí)際抗剪強(qiáng)度τ實(shí)=τn=236.41 MPa＜［τ］，實(shí) 際 抗 彎 強(qiáng) 度P實(shí)=Pn=118.2 MPa＜［P］。

故R51×10 自進(jìn)式管棚的支護(hù)設(shè)計(jì)同時(shí)滿足實(shí)際抗剪和抗彎要求，完全可替代φ76×6鋼花管管棚。

3.3 自進(jìn)式管棚與鋼花管管棚施工對(duì)比

該隧道V 級(jí)軟弱圍巖段采用ZYS113 三臂鑿巖臺(tái)車施工。R51×10 自進(jìn)式管棚一次施工和鉆孔后人工安裝鋼花管管棚的施工場(chǎng)景見圖5?？擅黠@看出，同樣采用三臂鑿巖臺(tái)車，R51×10 自鉆式錨桿一次鉆進(jìn)支護(hù)，將鋼花管管棚施工中的鉆孔、清孔、支護(hù)等工序結(jié)合為一體，解決了人工送管的難題，同時(shí)減少了人員的配置。鋼花管管棚施工支護(hù)須在鉆孔后取出鉆桿人工送管，不僅施工效率低、周期長(zhǎng)，還增加人員及設(shè)備成本。

圖5 兩種支護(hù)方法施工現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)R51×10 自進(jìn)式管棚在該隧道和同類圍巖隧道的施工效率跟蹤監(jiān)測(cè)了2 043 m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備使用情況見表1。經(jīng)加權(quán)平均，自進(jìn)式管棚平均施工效率達(dá)到1.42 m/min。而鋼花管管棚施工效率僅有0.98 m/min。

Ⅴ級(jí)圍巖段 R51×10 自進(jìn)式管棚與φ76×6 鋼花管管棚施工情況對(duì)比見表2。可以看出，與自進(jìn)式管棚相比，鋼花管管棚對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車的使用率降低約35%。由于自進(jìn)式管棚加工工藝造成材料費(fèi)用偏高，材料直接費(fèi)用高出鋼花管約14%。自進(jìn)式管棚施工費(fèi)用高出鋼花管管棚約18%。自進(jìn)式管棚施工效率高出鋼花管管棚約45%，考慮到自進(jìn)式管棚實(shí)際施工中多段錨桿、連接套等部件的安裝和連接情況，取40%。在相同的工程量下，綜合評(píng)估材料、機(jī)械設(shè)備和施工效率，整體效益約提高22%。

表1 R51×10自進(jìn)式管棚施工效率

表2 自進(jìn)式管棚與鋼花管管棚施工情況對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比，R51×10 自進(jìn)式管棚可滿足φ76×6 鋼花管管棚的性能要求。實(shí)際工程中，直徑小于鋼管30%左右的自鉆式錨桿，其抗拉力和屈服強(qiáng)度均高于鋼花管，質(zhì)量約減少2%～5%。在爆破施工中可看到即使注漿不充分的自進(jìn)式管棚仍可達(dá)到較好的支護(hù)效果，這是材料剛度本身較高所致。

4 結(jié)論

自進(jìn)式管棚的應(yīng)用成功解決了鋼花管管棚在軟弱圍巖段施工時(shí)塌孔、送管困難等難題。對(duì)Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖段鉆進(jìn)施工跟蹤了2 043 m，R51×10 自進(jìn)式管棚施工效率可達(dá)1.42 m/min，滿足隧道施工的機(jī)械化要求。

Ⅴ級(jí)圍巖條件下R51×10 自進(jìn)式管棚實(shí)際抗拉力為804 kN，抗剪強(qiáng)度為236.41 MPa，抗彎強(qiáng)度為118.2 MPa，滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求，可替代φ76×6 鋼花管管棚，施工效益約提高22%。在管棚支護(hù)中采用直徑小于鋼管30%左右的自鉆式錨桿代替相應(yīng)的鋼花管，在滿足支護(hù)性能的情況下可大幅提升施工效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。此超前支護(hù)方法可為隧道穿越軟弱破碎圍巖段、斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)段施工參考。