袁 偉，王玉剛

（青州水建工程建設有限公司，山東 濰坊 262500）

由于水利工程的建設水平日益提升，其中的隧道建設工程項目也越來越多，各種各樣復雜的地質條件和隧道工程本身的施工難度，導致隧道洞口施工面臨艱巨的挑戰(zhàn)。為將地表沉降量控制在最低以及保證隧道洞口的工程質量，在施工之前采用超前大管棚支護技術對隧道洞口進行預加固，可有效保證隧道安全。超前大管棚支護技術施工流程較為簡單，且堅固效果顯著，可適用于各種復雜的隧道施工環(huán)境中。因此，在各種大型項目施工中得到了較為廣泛的應用，同時取得了較好的支護效果，在確保隧道安全和工程質量等方面起到了極其重要的作用。

1 工程概況

A 隧道是某地區(qū)水利工程重點建設項目，全長3 578 m，寬度15 m，高度20 m。隧道的進口端標高為1 156 m，開挖跨度極大，且場地施工條件較差。由于地面以下存在較多管線，因此，施工方案設計為淺埋暗挖法施工，有效避開地下管線分布位置。隧道洞口為半圓形，利用兩排縱向30 cm 的C30 混凝土材質的鋼花管制成半圓形拱架作為頂部支撐。

場地地層拱基線以上為第三系圓礫巖，以下為第四系砂粒巖。根據其形成年代及地質性質可分為5 層，分別為雜填土、粉質黏土、人工填土、細砂和砂土層。其中雜填土最大厚度為1.2 m，粉質黏土中間厚度較大，大約為1.5 m，兩側厚度偏小，大約為0.3 m，人工填土平均厚度為3.2 m，細砂平均厚度為5.1 m，砂土層平均厚度為4.3 m。

隧道洞口呈西——東南方向展布，周邊多分布斷裂性剝蝕——構造類型的脊狀巖石，斷裂現(xiàn)象明顯，斷裂痕跡已逐漸逼近隧道洞口。隧道兩側圍巖整體具有較強可塑性，有垮塌的風險，且地下水位距離地表較近，圍巖滲透性強，另外隧道埋深較淺，因此，兩旁圍巖對隧道洞口處造成了極大的偏壓壓力，為隧道洞口段施工帶來了難度。

2 超前大管棚支護技術施工準備

2.1 長管棚設計

根據本工程的實際情況，長管棚采用108 mm，壁厚為8 mm 的C20 混凝土鋼管，由平均長度為5～6 m 的多根混凝土鋼管利用焊接工具進行無縫拼接而成，總長度為26 m。同時要將管棚一個斷面內的鋼管接頭個數(shù)控制在5 個以內。外插角根據管棚布設位置決定，通常情況下不得大于3°。長管棚立面布置如圖1 所示。

圖1 大管棚立面結構

大管棚的具體參數(shù)設計為：以隧道洞口向內為正方向，在隧道兩側各布設一個大管棚工作臺，管棚工作臺長度為3 m，拱券外擴40～50 cm ；管棚的中心處要保證與洞口中心處在一條直線上，即管棚中心位置與圓心角為120°的隧道洞口中心處重合。管棚的鉆孔數(shù)量根據管棚斷面面積大小而定，面積越大，布設的鉆孔數(shù)量越多，以上圖管棚立面為例，在管棚外擴空間的截斷面設置40 個鉆孔，每個相鄰鋼管的圓心距為30 cm；長管棚的仰角經過測量儀確定為2°；選定的管棚總長度為93 m，且相鄰兩個管棚之間的重合長度要大于2 m。

2.2 導向墻施作

在導向墻施工作業(yè)前，應該在距離設置導向墻10 m 處堆砌注漿砌片石，起到支撐導向墻的作用，并在砌片石拱外角附加外填巖體。在設計導向墻之前，利用測距儀確定長管棚與導向墻的距離，以保證導向墻的開挖線與隧道洞口在一條直線上；其次按照施工要求沿隧道洞口方向架設導向墻的底座和拱架，最后沿拱架環(huán)圈順時針每隔5 m 布設一個直徑為3 m 的孔口套管，并用鋼管交叉固定于拱架上，完成導向墻的施作。

2.3 鋼管制作

鋼管的作用是便于水泥漿注入到隧道圍巖中。為保證鋼管的順利送入，將鋼管的前端打磨成錐形，同時利用焊接工具將不同長度的鋼管進行焊接，焊接時應該保證在接頭位置焊接不少于3 次，確保接頭牢固。鋼管材質選用規(guī)格為Φ40 mm 的鋼花管，在隧道洞口段120°范圍內均勻布設，相鄰兩根鋼管的管心距為40 m。在兩根鋼花管的間隙處布置無孔管，主要負責檢查鋼管注漿質量，無孔管與隧道洞口截斷面之間的夾角為2°。另外，為避免出現(xiàn)注漿時漿液溢出或者倒流的情況，每根鋼管底部設有由2 cm 鋼板制成的止?jié){板，中間焊有1.5 cm 長Φ25 鋼管以便安裝止?jié){閥，以備注漿時用。

2.4 主要設備選型

考慮到工程地質條件以及實際施工情況，施工作業(yè)過程中的主要機械設備包括泥漿泵、鉆機、攪拌機、電焊機、挖掘機以及空壓機等設備。現(xiàn)場所需機械設備如表1 所示。

表1 施工主要機械設備

上表中，泥漿泵采用陶瓷柱塞泵，可高壓泵送泥漿；XY-2PCG 水平鉆機可高速取芯鉆孔，適用于各種復雜地質；臥式攪拌機主要用于攪拌泥漿，能夠節(jié)省大量施工時間；電焊機用于電焊鋼管及管套，確保導向墻的牢固性；挖掘機負責挖掘場地土料，剝離礦場覆蓋層；空壓機以壓縮空氣作為主要動力，為施工工程提供足夠的風量；自制漿液稀釋桶用于稀釋砂漿，使得漿液配比達到工藝要求。

3 超前大管棚支護技術施工流程

基于工程概況及施工條件，在隧道洞口含水段中，采用正臺階，先拱后墻，短掘短砌施工，在隧道洞口處利用長管棚鋪底。大管棚施工工藝流程如圖2 所示。

如上圖所示，在上述施工準備基礎上，首先為大管棚和導向管搭設工作平臺，其次利用測量放樣的方式確定導向管的安裝位置，并采用水平鉆機進行鉆孔，按照一定配比配制漿液，最后進行管內注漿，拆除工作平臺，完成整個施工過程。超前大管棚支護技術施工流程具體如下。

3.1 搭設鉆機工作平臺

在鉆機就位前，采用腳手架和鋼板搭設工作平臺。首先將鉆機放置于掌子面上，在掌子面上對鉆機的孔位進行測放并標記，之后將掌子面放于腳手架上的鋼板上，將掌子面的標記處與鋼板的中心處重合，根據標記的鉆孔位置，參照長管棚的外拱券適時調整鋼板的位置，確保鉆機能夠順利鉆孔。

利用四根直徑為6 cm、長度為15 m 的鋼管對腳手架進行支撐，同時保證鋼管底部進入地層的長度至少為5 cm，防止鉆機鉆孔過程中因鉆機過重或者人為操作失誤而造成的鉆機平臺搖晃、倒塌。

施工時將YG60 鉆機固定于工作平臺上，根據孔位標記調整機器位置，當鉆桿軸線與孔位方向一致時，即可開始鉆孔作業(yè)。

3.2 鉆孔

鉆機在工作平臺就位后，安裝鉆機的鉆桿、鉆頭等鉆具，并在正式鉆孔之前應該先進行空轉調試，檢查鉆頭鉆速是否流暢和符合設計要求。鉆桿采用規(guī)格為Φ90 mm 的優(yōu)質合金鋼，鉆頭采用Φ127 mm 硬質合金的麻花鉆，鉆孔方式為潛孔鉆進。配套動力為1 臺GZJB空壓機，其供風量最大為52.3cm3/s，額定壓力為13.8 bar。

施工時空壓機放置于隧道洞口和鉆機平臺水平連接線的中心處，通過空氣壓縮管將自然風送至施工掌子面。鉆機開鉆初期，保持低速低壓，當成孔1～2 cm 時，逐漸提高鉆速和壓力，同時提高空壓機供風量。

當成孔后的排渣出現(xiàn)軟泥或孔內滲水時，則立即停止鉆進，并利用木塞對鉆孔進行封堵，防止發(fā)生透水事故。

3.3 注漿

由于地下水豐富，所以在配制漿液時，清水的比例較小，采用水泥∶水玻璃∶清水=1 ∶2 ∶0.5 的雙漿液。

將配制完畢的漿液倒入到稀釋漿液桶中，人工攪拌將其稀釋到適合濃度。將泥漿泵連接到鋼管的注漿閥門上，同時在泥漿泵底部設置止?jié){板，防止?jié){液溢出。接下來調制水玻璃與清水的混合液，并將混合液靜置兩天，使得液體充分混合滿足施工要求。將泥漿泵、漿液、鋼管置于同一水平線上，泥漿泵的進漿端緩慢放于調制好的漿液中，出漿口與鋼管連接，確保兩端連接緊實后，啟動泥漿泵，將漿液泵送到鋼管中。當鋼管中的水壓升到2.0 MPa 且漿液無明顯較少后，停止注漿操作。

3.4 清孔及驗孔

注漿完畢待成孔一段時間后，采用加重鉆頭由下至上反復清掃孔底，并配合高壓風機清理鉆渣，反方向重復此操作，避免堵孔。

清孔完成后進行驗孔操作，允許孔位與設計要求之間的最大偏差不超過30 mm，深度偏差不超過20 mm。

4 應用效果

在該建設項目中，超前大管棚支護技術的整個施工過程共持續(xù)了30 d 的時間。為保證施工的安全性和測試超前大管棚支護的應用效果，對該工程項目進行監(jiān)控量測。在管棚施工期間沿隧道洞口軸向每隔10 m 的截斷面進行地表下沉量觀測，選取的每個檢測截斷面寬度均大于20 m。

根據工程設計要求，在施工監(jiān)測一個月時間內，若施工地段地表最大下沉量＜10 mm，則認為該施工方案符合此段施工要求。該隧道洞口段地表下沉量監(jiān)測結果如圖3 所示。

圖3 隧道洞口斷面地表沉降曲線圖

通過分析監(jiān)測數(shù)據可以發(fā)現(xiàn)，初期管棚支護后10 d，監(jiān)測段地表快速沉降，到達15 d 時，地表下沉進入穩(wěn)定階段，下沉速率逐漸趨于穩(wěn)定，維持在2 mm/d 左右。在整個觀測期間，監(jiān)測地段的地表最大下沉量為8.23 mm，小于15 mm，滿足此段設計要求。由此可以證明，將超前大管棚支護技術應用到隧道洞口施工中，能夠有效約束圍巖變形，保障隧道安全。

5 結束語

超前大管棚支護技術通過鉆孔注漿與長管棚設計構成一個整體的受力結構，將其應用在隧道洞口段施工中，可以有效支撐隧道兩側圍巖，起到加固防塌的作用。通過工程應用可以看出，超前大管棚支護技術可有效控制地表下沉和圍巖變形，對于類似工程具有借鑒價值。