xx隧道长大管棚施工技术研究

1　工程概况

我项目部管段内共有三处隧道，XX1#隧道起讫里程为DK367+843～DK368+073，XX2#隧道起讫里程为DK368+192～DK368+308，XX3#隧道起讫里程为DK368+350～DK368+498，总长494m。全隧道按新奥法设计和施工,其中大都处于Ⅴ级浅埋段,最薄覆盖层分为3～4m，地层岩性表层为粉质黏土，褐黄色，硬塑，厚约2m。下伏花岗岩，肉红色、灰黄色，全风化，厚约2m，下为强风化。基岩裂隙水较发育，围岩不稳定，易塌。故采用40m长大管棚对洞口段进行超前支护。沿隧道衬砌外缘按一定间距打入一排纵向钢管，再插入钢管后，再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密，以提高钢管的强度。开挖后架设拱形钢架支撑，形成牢固的棚状支护结构。

2　施工工艺

2.1　施工工艺流程

施工工艺流程如图1所示。

施工工艺流程图　图1

2.2　管棚参数

(1)钢管布设在圆心角为120°的隧道拱部；

(2)钢管环向间距为40 cm；

(3)倾角：仰角1°(不包括路线纵坡)；

(4)钢管施工误差：径向不大于20 cm；

(5)管棚长度为40 m，热轧无缝钢管φ 108 mm，壁厚6 mm，节长3 m、6 m；

(6)孔口管为无缝钢管φ 140 mm，壁厚5 mm，节长1 m。

2.3　工艺说明

管棚施工主要工序有开挖支护明洞边坡、仰坡；施作导向墙；搭钻孔平台、安装钻机；钻孔；清孔、验孔；安装管棚钢管；注浆。工序技术要求高，工艺复杂，现分别叙述如下。

2.3.1　明洞边坡仰坡开挖支护

 (1)明挖段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行，应尽量避开雨季施工。

(2)边坡防护应与明洞开挖同步进行：及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。

(3)对边坡渗水要及时排、引到坡面外，加强对坡面的防护。

2.3.2　施作导向墙

(1)在明挖和暗挖交界处施作导向墙，导向墙径向厚度1m，纵向长度1m，导向墙内预埋直径140mm，厚5mm，长100cm的钢管作导向管。钢管轴线与隧道轴线夹角为1°，钢管中心线距开挖轮廓线34cm。

(2)混凝土套拱作为长管棚的导向墙，套拱在明洞外廓线以外施作，套拱内埋设2榀工字型钢支撑，钢支撑与管棚孔口管焊成整体，其方向用测量严格控制，固定好后再灌筑混凝土。

(3)孔口管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。

2.3.3　搭钻孔平台安装钻机

(1)钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。

(2)平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

(3)钻机定位：钻机要求与已设定好的导向管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线也孔口管轴线相吻合。

2.3.4　钻孔

(1)套拱中预埋的φ140mm孔口管作为导向管进行钻孔。坡面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保坡面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌，保障坡面围岩稳定。钻孔角度按照1°角钻进。

(2)钻孔前先检查钻机机械状况是否正常；钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻。

(3)钻机就位后，根据事先测量放样好的点位钻孔位置；施钻时，顶紧掌子面，提高施钻精度；钻机开孔时钻速宜低，钻深至20cm以后转入正常钻速；钻进过程中不断调整钻机钻进方向。

(4)第一节钻杆钻入岩层尾部剩20～30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆，钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二节钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻孔尾部，方向对准后联接成一体。每次接长，按上述方法进行。

(5)换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换，以确保正常作业。

(6)为防止钻杆在推力和振动力双重作用下钻杆上下颤动，导致钻孔不直，钻孔时应把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移,确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

(7)钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。

(8)认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

2.3.5　清孔验孔

(1)用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。

(2)用高压气从孔底向孔口清理钻渣。                            

(3)用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。

2.3.6　安装管棚钢管

(1)钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻φ10mm出浆孔，间距15cm交错钻眼成梅花形布置，管头焊成圆锥形，便于入孔。

(2)棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后利用钻机的冲击和推力，将安有工作管头的管棚沿引导孔钻进，接长棚管，直至孔底。

(3)接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻管棚接头必须错开。

(4)施工中的钢管在安装前必须逐孔逐根进行编号，按编号顺序接管推进、不得混接。管棚钢管由机械顶进，钢管节段间用30cm丝扣连接，顶进时，节长采用3m、6m两种管节。编号为奇数的第一节管采用3m钢管，偶数的第一节钢管采用6m钢管，管棚顶到位后，钢管与导向管间隙用速凝水泥或其它材料堵塞严密，以防浆液冒出。堵塞时设置进浆孔和排气孔。

(5)顶管时，当第一节钢管推进孔外剩余30～40cm时，人工装上第二节钢管，钻机低速前进对准第一节钢管端部，严格控制角度，人工持钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。钻机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。

(6)顶管施工完毕后对每根管进行清孔处理，防止杂物堵塞在管内造成后续管棚注浆工作无法开展。

2.3.7　注浆

(1)注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，方可以施工。

(2)注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。

(3)注浆材料：注浆材料采用1:1水泥砂浆，注浆压力不少于1.2MPa，水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥。

(4)注浆采用后退式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备有出气管与进浆管，由阀门来控制开关。然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆。

(5)关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。

(6)注浆时，采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注10min，才结束注浆。

(7)注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。

(8)注浆结束标准及效果检查：第一，单孔注浆结束标准：每段注浆都正常进行，注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%；或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。第二，全段结束标准：设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象。第三，达不到结束标准，应补充或重新注浆直到满足要求为止。

3. 特殊地质条件的处理及预防措施

3.1 施工方案与治理原则

3.1.1 施工方案

根据施工段内的工程地质特点，我们确定了在拱部1°范围内施作Φ108长管棚，管棚间距40cm，结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约1m厚的加固圈，并在开挖时以小导管补强注浆加固技术为辅的综合技术方案。超前小导管预注浆对地层进行加固后，开挖采用双侧壁倒坑法开挖，分台阶采用人工持风镐开挖，小型挖掘机配合，必要时对局部部位可采用松动爆破，采用无轨运输。每一开挖循环进尺为0.7m，由测量人员控制中线水平，施工时保证不欠挖，控制超挖。开挖轮廓线尽可能圆顺，以减小应力集中。在开挖后立即施作格栅拱架及锚网喷支护体系，充分调动加固后的围岩的承载能力，使初期支护与注浆加固的坍方体形成整体支护结构，并建立科学的监测体系，监测支护体系的变形，判断结构的稳定性和安全性，及时反馈设计与施工。

3.1.2技术难点与关键

（1）易坍方地段大部分呈松散硝碎状，施钻困难，成孔性差，容易卡钻、下管难度大。这些问题的解决直接关系到40m管棚的安装成功率和注浆的效果，是保证开挖安全和防止坍方的关键技术，也是预防坍方的难点所在。

（2）易坍方段地处断层破碎带，地层连通性好，松散度大，因此必须对注浆顺序及注浆工艺进行详细计划，以防止浆液向无用的地区扩散，控制注浆量，尽量以最小的注浆量获得最好的注浆效果。

3.2 治理的原则

施工方案和治理原则可简单概括为"管超前，预注浆，多循环，短开挖，强支护，勤量测，早封闭"。

开挖与小导管注浆穿插进行，即每注一个循环开挖0.7m（即支护一榀钢拱架）。初期支护与开挖紧跟，即每开挖一个循环立即立拱挂网喷混凝土施作初期支护。

超前小导管预注浆对地层进行加固后，分台阶采用人工持风镐开挖，小型挖掘机配合，必要时弱爆破，采用无轨运输。每一开挖循环，由测量人员控制中线水平，施工时保证不欠挖，控制超挖。开挖轮廓线尽可能圆顺，以减小应力集中。

3.2.1初期支护

（1）初喷：在开挖后立即进行，以便尽早封闭暴露面，初喷射混凝土厚4cm。

（2）型钢钢架：包括临时型钢钢架及永久型钢钢架制作符合设计规范，满足施工要求；安设时清除浮土，拱脚夯实或设置垫板，永久型钢纵向间距按设计要求每榀0.7m，纵向设φ25连接筋，其环向间距为1m，交错布置。

（3）挂网：钢筋网采用φ8钢筋，网格20×20cm，铺设在格栅钢架的背后位置，密贴围岩，并与格栅钢架连接牢固。

（4）锚杆：系统锚杆采用4m长φ25中空注浆锚杆以及4m长Φ22砂浆锚杆1.0m×1.0m布置，其尾部与型钢钢架焊接牢固。

（5）喷射混凝土：采用湿喷机喷射混凝土，架立好型钢钢架后，从钢架腹部打入下一循环的超前管棚，封好管口，复喷至设计厚度。

初支应在开挖完成后即时施作，要确保支护体系的及时封闭，即尽早喷混凝土封闭减少开挖后围岩的暴露时间，及时施作仰拱使支护结构尽快封闭成环，改善洞室结构的受力条件。

4　质量控制

(1)钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。并对每个孔进行编号。

(2)钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°，钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20cm～30cm。

(3)严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。

(4)经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。

(5)掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

(6)在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。

5　安全及环保措施

(1)钻进管棚时，必须牢固立设钻机支架，防止支架倒塌,钻机安装要牢固可靠。

(2)换钻杆及顶进钢管时,相应工作人员应精力集中,防止钻杆,钢管失手扎伤手脚。

(3)钻孔人员高空作业时，必须系安全绳，佩戴安全帽等防护设备。

(4)焊接钢管时，必须戴绝缘手套和防护眼罩。

(5)作业人员在使用风钻钻孔时，注意戴防护口罩。

(6)水泥浆液不得乱排乱流，污染良田、水源。

(7)控制钻机噪音，不得扰人休息。

(8)控制钻机油料添加量，以免震动时四处漫流，污染环境。

6　结束语

(1)对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段采用长大管棚施工工艺，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，提高隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。

(2)在管棚支护下开挖，可减少地表下沉和防止围岩坍塌。

(3)管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可指导洞身开挖提供依据。

参考文献：

[１]　TB10003-2005铁路隧道设计规范

[２]　TB10204-2002铁路隧道施工规范

[３]　TLEJGF—93—27 岩溶隧道管棚支护工法 北京：人民交通出版社，1993