摘 要：為了解決隧道地質(zhì)條件復雜、圍巖自穩(wěn)性差的情況下，洞內(nèi)掌子面發(fā)生冒頂破壞等問題，本文以云南曼賽隧道工程為研究對象，建立開挖條件下掌子面的穩(wěn)定性分析模型，確定隧洞掌子面失穩(wěn)的最大滑移面起止點水平長度，總結(jié)分析在圍巖地質(zhì)條件較差的情況下，洞內(nèi)超前管棚支護的施工與處理方法以及管棚受力及作用范圍，結(jié)果表明，超前預支護技術(shù)可以在隧道掘進施工過程中起到強有力的棚護作用，保障隧道安全施工，研究成果可為同類工程施工提供參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道；掌子面；超前管棚；管棚受力；分析模型

中圖分類號：U 45" " 文獻標志碼：A

1 工程概況

云南省曼賽隧道位于元蔓高速公路，全長1495m，進口端明洞長為9m，距離紅河縣城15km，出口端明洞長為10m，距離紅河縣城20km，全長1640m，進出口端明洞長分別為44m和28m。隧道洞身采用Ⅴ級圍巖三臺階預留核心土開挖，Ⅳ級圍巖采用上下臺階法開挖。

隧道穿越區(qū)地層主要為元古界哀牢山群鳳港組片麻巖。地貌為低山峽谷，入口段坡面較陡，坡度約35°～50°，受地表水侵蝕，形成“V”形沖溝，沖溝內(nèi)無水體，部分陡坡有基巖露出。出口段較為平緩，坡度約為10°～35°，地形起伏大，低洼地帶第四系覆蓋層厚度為3～6m。山頂段地形平坦，覆蓋層為1～2m的碎石土。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探揭露結(jié)果，施工現(xiàn)場掌子面揭露圍巖以灰黑色強風化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，在開挖過程中拱頂易掉塊、坍塌，兩側(cè)易失穩(wěn)，尤其靠中線一側(cè)變形量大，前期施工時出現(xiàn)較多的侵供、坍塌現(xiàn)象，局部圍巖用鎬可挖，在浸水后手捏易碎，完整程度為破碎，出水量增加，出現(xiàn)線狀流水，開挖出來的洞渣呈流塑狀。

2 掌子面穩(wěn)定性分析及塌方情況

2.1 掌子面塌方情況

根據(jù)超前地質(zhì)預報圍巖情況：以灰黑色強風化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，完整程度為破碎，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，在開挖過程中可能出現(xiàn)少量滴水滲水現(xiàn)象，整體來看，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，綜合判定圍巖級別為V級。

當隧道左洞開挖至洞口545m時，掌子面揭露圍巖以灰黑色強風化片麻巖為主，巖體結(jié)構(gòu)面結(jié)合性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，在開挖過程中拱頂易掉塊、坍塌，兩側(cè)易失穩(wěn)，尤其靠中線一側(cè)變形量大。在施工現(xiàn)場采用超前小導管注水泥漿多次加固處理，當重開掌子面時，再次出現(xiàn)新的塌方，考慮已經(jīng)進行注漿加固處理，可能塌方量不大，因此計劃強行清碴，但施工現(xiàn)場情況為清理多少，塌落多少，坍方腳始終徘徊在至洞口538m處。同時出現(xiàn)水量增加現(xiàn)象，塌落長度距掌子面約9m，由于拱架后方圍巖液化流出，因此圍巖無法提供自穩(wěn)能力，距洞口545～536m處段鋼架噴錨在土壓力的作用下變形損壞，塌方體完全堵塞隧道斷面直至仰拱。

2.2 掌子面穩(wěn)定性分析模型

將隧道工作面的破壞模式簡化為一個上部為截斷橢圓柱體破壞區(qū)，下部為左右兩側(cè)對數(shù)螺旋形滑移面相交的模型，如圖1所示。

通過平面簡化計算模型可知，當隧道工作面崩塌時，破裂面通常呈對數(shù)螺旋滑移破壞，破裂面方程如公式（1）所示。

式中：r0為螺旋線初始半徑；φ為r0與水平地面夾角為圍巖內(nèi)摩擦角；θ為r0與隧道薄層中心的夾角。利用豎向條分法，將滑動土體分割為若干豎向薄層，視薄層為剛體，計算薄層上的力對滑弧中心產(chǎn)生的力矩。其計算過程如公式（2）、公式（3）所示。

式中：θh為r0與rh的夾角，表示破裂面方程中圓心角，其中，rh為滑裂面終點對應的半徑；Lb為下側(cè)對數(shù)螺旋滑移面起點與終點的水平距離，h為破裂面起始點到隧道頂部的垂直距離；H為隧道工作面形狀近似為矩形高度。

由于破裂面方程中圓心角θh不得超過90°-φ，因此聯(lián)立公式（2）、公式（3）可以得出結(jié)論：不同的內(nèi)摩擦角φ以及隧道洞徑將會得到不同的適用于當前模型的最大滑移面起止點水平長度Lbmax、最大滑移面起始點與隧道頂部垂直距離hmax。如公式（4）、公式（5）所示。

式中：D為隧道洞徑。本工程隧道洞徑12.74m，內(nèi)摩擦角30°，因此，根據(jù)公式（4）、公式（5）求得曼賽隧道掌子最大滑移面起止點水平長度與施工現(xiàn)場塌落影響范圍較一致。

3 管棚受力及作用分析

3.1 管棚受力荷載

通常采用普氏理論對管棚受力進行分析，即圍巖相互作用的拱效應，在黏性松散地層進行洞室開挖的過程中，洞室上部會形成拱形狀[1]，如圖2所示。

基于普氏理論可知，當隧道進行支護結(jié)構(gòu)設計時，其所承受的圍巖壓力即為隧洞開挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量。因此需要在考慮巖體堅固系數(shù)f的前提下，對拱體形狀進行分析，如公式（6）所示。

ht=bt /f" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：f為巖體堅固系數(shù)，依據(jù)規(guī)范中等堅硬巖石，巖體堅固系數(shù)取值為4～6[2]，因此，結(jié)合現(xiàn)場圍巖實際情況，該隧道圍巖堅固系數(shù)取4.5；ht為洞室上部拱體高度，m；bt 為拱體半跨度，m，其計算過程如公式（7）所示。

bt =b+Ht tan（45°-φ0/2）" " " " " " " " " " " " （7）

式中：b為洞室的跨度的一半，6.37m；Ht 為洞室高度，10.29m。因此，基于公式（7）可求得隧洞開挖形成的拱體半跨度bt為12.13m。將其帶入公式（6）中，可求得隧洞開挖形成的拱體高度ht為2.7m。圍巖豎向壓力的計算過程如公式（8）所示。

q=γht" " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：γ為巖體重度，取27kN/m3。因此，可求得隧洞開挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量為72.9kPa，即隧道開挖后其上部所承受的壓力。

3.2 管棚作用分析

一般情況下，管棚施工均沿著隧道拱部圓弧段均勻布置，既橫向作用范圍，其模型示意圖如圖3所示[3-4]。

對任意一根管棚進行支撐作用強度受力分析，可得公式（9）、公式（10）。

bi = δ cosa" " " " " " " " " " " " " " （9）

δ =2Rsinθ/2" " " " " " " " " " " " " " "（10）

式中：bi為第i根管棚上方作用巖體等效厚度，m；R為管棚支護半徑，6.2m；θ為兩管棚夾角，5.3°；α為總下方管棚與垂直方向夾角，根據(jù)設計資料取值約為 82°；δ為距離系數(shù)，通過計算可得 δ =5.83m，同時，第i根管棚上方作用巖體等效厚度bi為0.81m。

在實際施工過程中，每根鋼管的埋深變化相對不大，因此，可認為管棚縱向承載力分布均勻，則第i根鋼管的支撐作用強度如公式（11）所示。

qi（x）= sinθγtbi" " " " " " " " "（11）

式中：γt為作用在管棚范圍內(nèi)巖土體重度，27kN/m3。基于公式（11），可求得第i根鋼管的支撐作用強度為1.97kPa。因此，為保證管棚起到支護作用，管棚的支撐強度總和應大于上部巖土體荷載72.9kPa，即確定管棚數(shù)量應大于37根，結(jié)合實際情況，確定管棚數(shù)量為37根。

4 處理方法

4.1 引排水

至洞口545m處，埋深約90m，地表處于山谷溝箐，存在長流水，且因耕種需要，當?shù)卮迕駠鷫纬Ｄ晷钏?，為預防突水災害發(fā)生，開始拆除壩體，排放隧道頂上積水，疏通水系。在洞口533m處右側(cè)，根據(jù)施工現(xiàn)場出水點的情況，在滲水量較大的地方布設?42mm注漿小導管作為引排水導管，但效果不佳，僅有一根集中排水。滲水位置主要為掌子面拱頂右側(cè)至后退3m范圍內(nèi)，因此采用彩條布順勢鋪設，防止浸泡掌子面塌方，并順流引至已澆筑仰拱處，從邊溝沿隧道縱向排出。

4.2 施工平臺搭建

為保證管棚施工空間及施工安全，在施工管棚前清理距洞口532～540m處坍方體，清理完成后及時封閉開挖面，抓緊時間更換距洞口534～540m處10榀拱架，拱架在前期開挖半徑的基礎上在增加0.5m，增加拱架半徑，為管棚施工提供空間，在更換完拱架后，及時從洞外運土反壓回填掌子面，并預留排水管，泵送管，按三臺階留置，并將其作為施工管棚工作平臺，最下臺采用人工袋裝土堆碼護腳以抵抗回填空腔時混凝土壓力。

4.3 反壓回填掌子面

在泵送C20混凝土回填空腔后，結(jié)合管棚通常制造長度及現(xiàn)場施工條件，選取管徑為108mm，長度為25m的管棚，從塌方后方拱架損壞處開始施作，施作仰角3.5°，在拱頂斷面160°范圍內(nèi)設37根，具體位置為距洞口538～562m處。

從洞外運土反壓回填掌子面，預留排水管，泵送管，按三臺階留置，并將其作為施工管棚工作平臺，最下臺采用袋裝土護腳反壓，抵抗回填空腔時混凝土壓力。由于塌方體出水量較大，因此加強引排水，防止?jié)B水浸泡兩側(cè)邊墻初支。采用厚度不小于60cm的片石墊層回填土底層，提高回填土濾水性。

4.4 管棚施作工藝

采用?108（厚6mm）熱扎無縫鋼管，在坍方體上開孔，由于塌方體已全部堵塞掌子面上方，有些必須穿過塌積體，因此無法待整根成孔下管，只能采用長2m公母絲+接頭跟管鉆進，為保證注漿效果，全都采用鋼花管，鉆機采用履帶式潛孔鉆機。在距洞口538～562m處施作管棚，管棚長度為25m，間距約為40cm、鉆孔仰角3.5°，如圖4所示。

4.5 鉆孔與跟管

由于塌方體已全部堵塞掌子面上方，有些必須穿過塌積體，因此無法待整根成孔下管，只能采用2m長公母絲+接頭跟管鉆進，為保證注漿效果，全都采用鋼花管，鉆機采用履帶式潛孔鉆機。管棚方向與隧洞中線近似平行，鋼管施工過程中徑向誤差小于15cm。隧道縱向鋼管接頭數(shù)應小于50%，相鄰鋼管的接頭錯開距離應不小于1m。采用絲扣和焊接相結(jié)合的連接方法。鋼管節(jié)段間用絲扣連接，當頂進時，采用長2m的管節(jié)交替使用，以保證隧道縱向同一斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50％，管壁上鉆注漿孔，采用速凝水泥等材料堵塞間隙。

4.6 注漿

采用水泥水玻璃漿液注漿，按管棚施鉆過程及順序進行注漿，因此，單孔注漿量的計算過程如公式（12）所示。

Q=πrs2Ls+πRs2LsgsasBs" " " " " " " " " " " " " " （12）

式中：rs為鋼管半徑；Ls為鋼管長度；Rs為漿液擴散半徑；gs為地層孔隙率；as為漿液有效充填率；Bs為漿液損耗系數(shù)。鋼管節(jié)段間用絲扣連接，頂進時2m長的管節(jié)交替使用，保證隧道縱向相同斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50％，管壁上鉆注漿孔。

4.7 拆除導向拱架

由于導向拱架均已加大處理，能滿足二襯厚度施工，因此在管棚施工完成后，不需要拆除，可以將其作為永久性拱架使用。

4.8 回填空腔混凝土

在管棚注漿完成后，待強度達到設計要求，須及時通過預埋注漿管針對掌子面前方的空腔進行回填，采用C20泵送混凝土進行回填，具體回填數(shù)量以施工現(xiàn)場實際數(shù)量為準。

4.9 清除坍方體及施工平臺

在完成管棚等施工后，須及時清理坍方體及填筑施工平臺的回填料，在清理過程中加強監(jiān)控量測，需要分3次完成清理。

4.10 施工監(jiān)控量測

在隧道管棚施工及換拱等工序中，監(jiān)控量測要求每隔2m布設監(jiān)測點。對同一隧道斷面的上、中、下部位來說，須設置兩個測點用來圍巖收斂量測。在拱頂部位，需要設置一個沉降觀測點，每天早、中、晚各測量一次。

5 結(jié)論

本文以云南曼賽隧道工程施為研究對象，分析了在圍巖地質(zhì)條件較差的情況下，洞內(nèi)超前管棚支護的施工與處理方法，通過分析管棚受力及作用范圍，得出以下結(jié)論。1）當分析隧道掌子面穩(wěn)定性時，將隧道工作面的破壞模式簡化為一個上部截斷橢圓柱體破壞區(qū)，下部左右兩側(cè)對數(shù)螺旋形滑移面相交的模型是合理的。2） 通過分析任意一根鋼管的支撐作用強度，結(jié)合隧洞開挖形成的拱體范圍內(nèi)巖土體的質(zhì)量及實際情況，確定管棚數(shù)量宜為37根。3） 超前預支護技術(shù)可以為隧道掘進施工提供強有力的棚護作用，有利于控制圍巖的變形，進而保障隧道安全施工及保證隧道工程開挖工作面穩(wěn)定。

參考文獻

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