馮啟隆

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030600）

0 引言

在松散地質(zhì)條件下建設(shè)隧道時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題乃至安全事故，因此，加強(qiáng)防護(hù)尤為關(guān)鍵。在隧道開挖前，需采取有效的支護(hù)方法提高圍巖的穩(wěn)定性，以確保隧道施工的順利進(jìn)行。目前施工現(xiàn)場(chǎng)常用的超前支護(hù)方法主要有管棚法、超前小導(dǎo)管法和超前錨桿。本文將結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)超前大管棚支護(hù)施工工藝進(jìn)行介紹。

1 工程概況

某隧道工程進(jìn)出口起訖里程為K5+100～K6+000，全長(zhǎng)900m，路線設(shè)計(jì)縱坡為-3%、-0.094%。進(jìn)口K5+100 段55m 為V 級(jí)圍巖，隧址區(qū)存在堆積碎石土層，埋深淺，自穩(wěn)能力不足，圍巖易在開挖擾動(dòng)作用下發(fā)生坍塌?？紤]到隧道施工現(xiàn)場(chǎng)松散地質(zhì)條件的特殊性，于拱部120°范圍內(nèi)采取超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)施工工藝。隧道限界凈高5.0m、凈寬10.5m。

2 大管棚設(shè)計(jì)方案的變更

根據(jù)原管棚設(shè)計(jì)方案，在K2+438～K2+488 段設(shè)置管棚，分兩環(huán)有序完成。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，對(duì)原管棚設(shè)計(jì)方案做出如下變更：

（1）變更一：管棚里程段調(diào)整為K2+433～K2+488，提出如下兩項(xiàng)施工方案：

方案一：按兩環(huán)布置，管棚長(zhǎng)度為里程段（55m）+一個(gè)接頭（5m）+超前量（5m），共65m。

方案二：按三環(huán)布置，相較于兩環(huán)布置的方案，里程段和超前量保持一致，接頭數(shù)量增加至2 個(gè)，即管棚總長(zhǎng)增加5m，共70m。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在兩環(huán)布置方式下，每環(huán)管棚長(zhǎng)度在30m 以上，施工難度增加，施工質(zhì)量的可控性差，因此采用三環(huán)布置的方式，將每環(huán)長(zhǎng)度設(shè)定為24m、24m、22m。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的鉆孔記錄可知，第二環(huán)管棚伸入巖層的深度已經(jīng)達(dá)到2m，無(wú)需設(shè)置第三環(huán)管棚。

（2）變更二：原設(shè)計(jì)方案中，管子兩頭車公螺紋，精準(zhǔn)對(duì)接鋼管，外套厚壁管箍，上緊絲扣。從施工可行性的角度來(lái)看，螺紋加工的工作量較大，成本較高，因此做出調(diào)整，第一環(huán)大管棚采用外套管法，第二環(huán)大管棚采用絲扣法。

3 大管棚超前支護(hù)方法

3.1 管棚構(gòu)造

管棚包含鋼管和鋼格柵拱架兩部分。以較小的外插角沿開挖輪廓線打設(shè)鋼管至開挖面，建立預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，維持開挖面前方圍巖的穩(wěn)定性。管棚構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 管棚構(gòu)造

3.2 管棚的應(yīng)用特性

管棚結(jié)構(gòu)中，鋼格柵拱架作為橫向環(huán)形支撐，鋼管作為縱向支撐，建立橫、縱向的結(jié)構(gòu)體系。得益于管棚較大剛度的特性，可阻止圍巖的變形。管棚支護(hù)在隧道工程中具有突出的應(yīng)用價(jià)值，在極破碎巖體、砂土質(zhì)地層、強(qiáng)膨脹性地層等多種工程場(chǎng)景中均具有可行性。管棚施工可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采取長(zhǎng)管棚、短管棚的方法，其中長(zhǎng)管棚的超前量較大，鋼管安裝次數(shù)較少，在大斷面開挖中具有可行性。

3.3 管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)

（1）沿隧道拱部開挖輪廓線外10cm 布置大管棚鉆孔孔口，環(huán)向間距為40cm，每環(huán)布設(shè)35 根。

（2）鋼管采用無(wú)縫鋼管，外徑108mm，壁厚8mm，分段安裝鋼管。第一段，奇、偶數(shù)管的管長(zhǎng)相差2m，剩余各段的各鋼管長(zhǎng)度保持一致，相鄰兩段鋼管間用絲扣連接。為順利注漿，在鋼管上鉆10mm 的注漿孔，遵循梅花型布置原則，孔間距為50cm，鋼管尾端2m 作為止?jié){段（不鉆孔）。取4 根20mm 螺紋鋼筋和適量長(zhǎng)4cm、壁厚8mm、外徑42mm 的固定短環(huán)，共同組成鋼筋籠，將其設(shè)置在鋼管內(nèi)，用于提高鋼管的強(qiáng)度和剛度?？v向兩組管棚的水平搭接長(zhǎng)度不少于3.0m。

（3）鋼筋籠制作成型后，將其置入鋼管內(nèi)，而后灌注漿液，隨著漿液的固結(jié)，提高鋼管的剛度。

（4）注漿采用水泥漿，水灰比為0.5∶1，漿液擴(kuò)散范圍較大或是現(xiàn)場(chǎng)地下水較發(fā)育時(shí)，調(diào)整為水泥-水玻璃雙液漿。注漿采取壓力注漿的方法，壓力控制在0.5～1MPa。

4 超前大管棚支護(hù)施工工藝的具體應(yīng)用

4.1 測(cè)量放樣

4.1.1 第1 環(huán)大管棚（K2+432～K2+456）

隧道進(jìn)口處布設(shè)三角導(dǎo)線網(wǎng)，測(cè)設(shè)管棚的起始中心里程K2+433，確定中心線的垂線方向，沿著該方向測(cè)設(shè)控制樁。然后沿該方向設(shè)鋼格柵作定位使用。測(cè)設(shè)2 處控制樁，于鋼格柵上落點(diǎn)，點(diǎn)兩側(cè)焊接短鋼筋頭，發(fā)揮出導(dǎo)向作用。為維持鋼格柵的穩(wěn)定性，在其下方布設(shè)五道I18 工字鋼，用于支撐鋼格柵。

4.1.2 鉆孔

在導(dǎo)管中心線方向打設(shè)兩處方向樁，起到輔助作用，精準(zhǔn)控制鉆孔的方向?？變?nèi)用水平陀螺儀檢測(cè)傾斜度，予以控制，測(cè)點(diǎn)位置規(guī)劃在距孔口2m、1/2 孔深、終孔處。經(jīng)檢測(cè)，若鉆孔不滿足精度要求，隨即封孔重鉆，再次安排檢測(cè)，直至實(shí)測(cè)結(jié)果滿足要求為止。

4.1.3 第2 環(huán)大管棚（K2+452～K2+476）

（1）第2 環(huán)大管棚增設(shè)工作室，長(zhǎng)度為8m。圍巖開挖后，先初噴混凝土，將鋼格柵支撐架設(shè)到位、錨桿打設(shè)到位，掛網(wǎng)并噴射混凝土，有效防護(hù)圍巖。工作室的尺寸略大于設(shè)計(jì)輪廓線，縱斷面結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 工作室縱斷面

（2）第2 環(huán)大管棚于洞內(nèi)施作成型，但現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間有限，難以將控制方向護(hù)樁釘設(shè)在地面上。針對(duì)該局限性，在鉆機(jī)機(jī)身中間上部的初期支護(hù)拱部設(shè)點(diǎn)，測(cè)定此類點(diǎn)的標(biāo)高數(shù)據(jù)，經(jīng)反算后得到鉆機(jī)中心的高度。在前述基礎(chǔ)上，綜合考慮孔口及鉆機(jī)中心兩點(diǎn)的高程，精準(zhǔn)控制鉆孔的傾斜度。

4.2 鉆孔

（1）詳細(xì)檢查開挖斷面的中線及高程，判斷開挖輪廓線是否滿足工程要求。在工作面穩(wěn)定安設(shè)受力拱架，準(zhǔn)確標(biāo)記管棚的位置。

（2）鋼管安裝的中線及高程誤差不超過(guò)±5cm，垂直度誤差不超過(guò)±2°。沿隧道開挖輪廓線，在鋼架上縱向鉆進(jìn)管棚孔。鉆孔作業(yè)示意如圖3 所示。

圖3 兩臺(tái)鉆機(jī)鉆孔順序示意

（3）Ⅰ部和Ⅱ部協(xié)同開孔、Ⅲ部和Ⅳ部協(xié)同開孔。全程加強(qiáng)管控，使兩臺(tái)鉆機(jī)同步運(yùn)行。上導(dǎo)坑的開挖采取人工作業(yè)的方法，開挖精度較高，但施工效率偏低，因此在不影響施工質(zhì)量的前提下,盡快提高管棚施工效率，為人工開挖爭(zhēng)取充足的時(shí)間。

（4）根據(jù)孔位測(cè)量放線結(jié)果鉆孔，司鉆人員加強(qiáng)對(duì)鉆孔方向和傾斜度的檢測(cè)與控制?？椎孜恢闷羁刂圃诳咨畹?%以內(nèi)，孔口位置偏差不超過(guò)±5cm。

（5）開孔初期，遵循低壓、慢轉(zhuǎn)的原則，檢查開孔施工情況，確認(rèn)無(wú)異常后逐步提高鉆進(jìn)速度和鉆壓。鉆進(jìn)深度范圍內(nèi)存在大孤石時(shí)，按照高壓、低速的方式有序鉆進(jìn)。鉆孔采用130mm 合金鉆頭，局部地質(zhì)條件特殊時(shí)需進(jìn)行調(diào)整，例如遇到孤石時(shí)采用金剛石鉆頭。鉆進(jìn)過(guò)程中，用清水護(hù)壁，期間及時(shí)取出取芯管和巖芯。隨著鉆進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行，即將成孔時(shí)向孔內(nèi)注入清水，清理鉆孔期間聚集在孔內(nèi)的泥漿、懸浮物等，使成型的鉆孔內(nèi)部保持潔凈。

（6）遇卡鉆、孔口不出水等異常狀況時(shí)，隨即暫停鉆孔，安排注漿。鉆孔完成后，檢查是否有塌孔或其他異常狀況。通過(guò)成孔檢查后，開始安設(shè)鋼管。

4.3 配管

接長(zhǎng)管棚鋼管時(shí)，接頭在縱斷面錯(cuò)開2m，保證管棚受力的可靠性。大導(dǎo)管的長(zhǎng)度為4～6m 不等，下管時(shí)根據(jù)工程要求連接管子，使其達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度要求。管子連接方法有如下兩種：

（1）絲扣法：在管子的兩端分別車出深度不超過(guò)1/2壁厚、長(zhǎng)度不小于15cm 的公螺紋和母螺紋，將前一根管的母螺紋套在后一根管的公螺紋上，再旋緊，保證兩根管穩(wěn)定結(jié)合為一體。

（2）外套管法：在兩根管的接頭外邊套長(zhǎng)度為40cm的外套管，再采用電弧焊的方法進(jìn)行處理，保證縫隙經(jīng)過(guò)焊接后飽滿、穩(wěn)定。

4.4 送管

現(xiàn)場(chǎng)空間充足時(shí)，用大型機(jī)械高效送管，減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高施工效率。第1 環(huán)大管棚施工空間寬闊，具備機(jī)械作業(yè)的條件，用CAT320 挖掘機(jī)挖斗送管；第2 環(huán)大管棚施工時(shí)，礙于現(xiàn)場(chǎng)空間狹窄，不再采用機(jī)械送管的方法，取而代之的是鉆機(jī)送管。鉆進(jìn)成孔后，用主動(dòng)鉆桿帶動(dòng)Φ108mm×8mm 的大導(dǎo)管，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)適度向前推進(jìn)，直至管子精準(zhǔn)到位為止。

4.5 管口封閉

于管子端部焊接帶眼鋼板，將長(zhǎng)度為50cm 的Φ32mm×4mm 注漿管焊接至已經(jīng)設(shè)置到位的鋼板上。配套的注漿管為三通構(gòu)造，一通用于接入大導(dǎo)管，一通為沖洗用，一通接塑料架管。其中，作為沖洗用的一通可及時(shí)用于清理管道中的雜物，防止由于水泥漿固結(jié)或是其它原因而堵管。

4.6 壓力注漿

4.6.1 注漿參數(shù)

（1）取Φ108mm×8mm 的鋼管，在管壁上按梅花型布置的方式鉆10mm 出漿孔，孔距為50cm，鋼管尾端2m 作為止?jié){段，不做鉆孔處理。

（2）沿隧道開挖輪廓線布置鋼管，間距0.4m，外傾角1°。為使縱向前后兩排鋼管穩(wěn)定連接，要求兩者的水平搭接長(zhǎng)度至少達(dá)到3m。

（3）注漿以單液注漿為主，漿液擴(kuò)散范圍大或是現(xiàn)場(chǎng)的地下水較發(fā)育時(shí)，調(diào)整為水泥-水玻璃雙液漿。漿液按0.5∶1 的水灰比制備，水玻璃模數(shù)2.6～2.9，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.3。壓力注漿時(shí)，將注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況做靈活的調(diào)整。

4.6.2 大導(dǎo)管注漿量

按如下公式計(jì)算，確定大導(dǎo)管注漿量：

4.6.3 漿液的制備

（1）漿液用拌和機(jī)制備而成，單次投料量根據(jù)拌和機(jī)的容量而定，但必須滿足配合比的要求。

（2）投料時(shí)，先摻入水和外加劑，待水量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行1min 拌和，再向其中投入水泥，攪拌至少3min。經(jīng)過(guò)拌和后，漿液需有均勻性，注漿過(guò)程中仍需攪拌。

（3）注漿采用水玻璃漿液時(shí)，濃度以25～40°Be 為宜；在加水的同時(shí)進(jìn)行攪拌，用于稀釋水玻璃。

（4）在水泥漿或稀釋水玻璃漿液的制備過(guò)程中，禁止任何水泥包裝紙或是其它雜物混入漿液內(nèi)。及時(shí)將拌制后的漿液轉(zhuǎn)入貯漿槽內(nèi)，并做過(guò)濾處理，而后方可利用注漿泵注漿。漿液的使用遵循隨拌隨用的原則，縮短漿液拌制完成至注漿前的間歇時(shí)間，以防漿液凝固。

4.6.4 注漿方法與順序

（1）注漿方法。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件、地質(zhì)特性、機(jī)械設(shè)備性能，采取全孔式注漿的方法，先鉆進(jìn)至孔底，鉆孔成型質(zhì)量達(dá)到要求后，一次注漿到位。

（2）注漿順序。從拱頂開始對(duì)稱向下注漿，先注無(wú)水孔，再注有水孔。跑漿、竄漿時(shí)，間隔一孔或多孔灌注。注漿后，啟用止?jié){閥，用于維持孔內(nèi)壓力的穩(wěn)定性，直至漿液凝固為止。注漿壓力主要根據(jù)注漿作業(yè)范圍內(nèi)的地層條件而定，通常需擴(kuò)散至管周0.5～1.0m 的半徑范圍內(nèi)。注漿量則根據(jù)實(shí)際注入情況而定，待每根大導(dǎo)管的實(shí)際注入量達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，可結(jié)束注漿。遇孔口壓力上升至設(shè)計(jì)值但孔內(nèi)注漿量仍有限的情況時(shí)，隨即暫停注漿，分析原因并處理，防止因較強(qiáng)注漿壓力的持續(xù)作用而導(dǎo)致開挖面被壓裂。

4.6.5 注漿要求

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格控制漿液的膠凝時(shí)間和濃度，未經(jīng)許可禁止變更；注漿作業(yè)人員加強(qiáng)對(duì)泵口及孔口注漿壓力的檢查，判斷是否存在異常，若有則妥善處理；雙液注漿施工中，及時(shí)測(cè)定混合漿液的膠凝時(shí)間，實(shí)測(cè)結(jié)果偏離設(shè)計(jì)要求后，隨即調(diào)整。

4.6.6 注漿結(jié)束條件

注漿結(jié)束條件考慮到如下兩部分：

（1）單孔結(jié)束條件：注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值（終壓），注入量超過(guò)設(shè)計(jì)值的80%。

（2）全地段結(jié)束條件：各注漿孔均符合上述提及的單孔結(jié)束條件，并且無(wú)任何的漏注漿現(xiàn)象。

4.6.7 注漿效果的檢驗(yàn)

（1）分析法：注漿期間記錄注漿壓力、注漿量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，針對(duì)數(shù)據(jù)展開分析，判斷注漿效果；注漿時(shí)加強(qiáng)檢查，分析是否存在漏漿、跑漿等異常狀況；在確定漿液注入量后，估算漿液擴(kuò)散半徑，評(píng)價(jià)此項(xiàng)指標(biāo)是否具有合理性。

（2）檢查孔法：在施工現(xiàn)場(chǎng)鉆檢查孔，取巖芯進(jìn)行檢驗(yàn)，有效判斷注漿加固效果。

4.6.8 注漿施工的注意事項(xiàng)

（1）部分鉆孔的成孔難度小、出水量少，可一次性注漿到位；易于成孔但有較大出水量時(shí)，分段后退式注漿；成孔難度較大時(shí)，可采用分段前進(jìn)式注漿的方法。

（2）漿液攪拌時(shí)間為3min，保證原材料均勻混合；制漿后，用濾網(wǎng)做過(guò)濾處理，再將漿液轉(zhuǎn)至儲(chǔ)漿桶，用于壓漿。漿液制備時(shí)，原材料的用量必須準(zhǔn)確，水泥、水的稱量誤差均不可超過(guò)5%。攪拌時(shí)，禁止任何紙片或是其他的雜物混入漿液中，攪拌后用篩網(wǎng)過(guò)濾，否則禁止注漿。

（3）注漿期間，施工人員加強(qiáng)對(duì)孔口、鄰孔等薄弱部位的檢查，判斷是否有串漿的問(wèn)題，若有，則采用間歇式注漿的方法封堵串漿口，或是用快硬水泥砂漿封堵，保證串漿部位不再繼續(xù)涌出漿液。注漿壓力增加異常時(shí)，表明注漿管路可能發(fā)生堵塞，此時(shí)停機(jī)檢查，鎖定堵管的部位，有效疏通。

4.7 沉降觀測(cè)

為明確超前大管棚支護(hù)施工工藝的應(yīng)用效果，安排沉降觀測(cè)工作，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。在地面設(shè)K2+441、K2+453 2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面觀測(cè)樁數(shù)量均為5 個(gè)，注漿期間加強(qiáng)觀察，判斷是否有局部上鼓、隆起的異常狀況。大管棚范圍段開挖時(shí)，觀測(cè)結(jié)果顯示此階段有10cm 的沉降，較為特殊的是山體整體沉降量達(dá)到20cm，根據(jù)各類沉降數(shù)據(jù)，預(yù)留25～30cm 的沉降量，此方式可有效滿足隧道工程在安全施工和正常施工兩個(gè)層面的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之,松散地質(zhì)條件下的隧道工程施工難度偏大，需采取有效的支護(hù)方法提高圍巖的穩(wěn)定性，以確保隧道施工的順利進(jìn)行。筆者認(rèn)為，超前大管棚支護(hù)工藝對(duì)維持隧道圍巖穩(wěn)定性的效果較好，但一定要把控其在松散地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用要點(diǎn)，并根據(jù)沉降觀測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)其應(yīng)用效果。本文案例的實(shí)踐證明，該超前大管棚支護(hù)施工后，可滿足隧道正常施工要求和安全要求，該項(xiàng)施工工藝具有可行性。