大管棚超前支护技术在板桥山隧道出口堆积体段主洞施工中的应用

赵春生, 袁 鹏, 陈文建

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

映秀至汶川高速公路是“5.12”汶川特大地震后在重灾区建设的第一条高速公路。板桥山隧道位于映秀至汶川高速公路 K41+915～K44+940段,为左右分修特长隧道,左线长 3025m,右线长 2996m,隧道单洞净宽 10.25m。板桥山隧道出口段位于一巨厚堆积体上,最大埋深 34m,长 40m。隧道出口斜坡坡度为 30°～45°,斜坡下部覆盖厚度不等的新生界第四系全新统崩坡积层块、碎石,斜坡上部基岩大面积裸露,斜坡植被不发育。坡体岩石呈松软-松散结构,极易垮塌。现场开挖情况显示:堆积体为片石-碎石-夹砂,自稳性极差。为增加进洞安全性,设计采用 40m长大管棚,对洞口段进行超前支护。

2 大管棚超前支护的必要性及相关工作原理

由于隧道出口堆积体较厚且形成年代较短,洞口处岩体呈松软-松散结构,自稳性极差,洞口开挖面极易垮塌,施工进洞困难。采用长大管棚结合 φ70无缝钢管对洞口段堆积体进行注浆固结后再开挖,可以有效保证洞口边仰坡的安全,而且可以使开挖部位形成棚幕和一层壳体,从而大大增加了进洞施工的安全性,确保顺利进洞(图 1)。

图 1 管棚钢花管示意图

超前支护的基本工作原理是在待开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内,环向按照一定的间距超前打入钢管,并在钢管内进行压力注浆。环向钢管形成棚架,为开挖及初期支护作业提供了安全保障;浆液固结后钢管和围岩之间组成了一个共同的固结圈,从而在隧道的纵向和横向分别形成一个刚度较大的梁结构和拱结构。这个结构能有效提高围岩的承载力及自稳能力,从而减小围岩的变形;同时,隧道开挖后,与钢架一起共同组成刚度较大的支护结构,以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形。

3 大管棚超前支护设计

3.1 大管棚设计参数

(1)导管规格:采用 φ108、壁厚 6mm的热轧无缝钢管,长 40m。钢花管内设置钢筋笼,钢筋笼主筋为 4φ16,采用 φ6.5钢筋作固定环,固定环内径 R=36.5mm,固定环间距 20cm,与钢筋笼主筋焊接。在导管上钻注浆孔,孔径 12mm,孔间距 15cm,呈梅花型布置,导管尾部 3m范围内不钻孔作为止浆段,如图 2、3所示。

图 2 管棚导管构造图

图 3 A-A剖面图

(2)管距:环向间距为 40cm,大管棚每环 35根 ,外插角:1°～2°;

(3)同一环管棚中接头的位置相互错开不小于 1m,单号管棚节长度为:6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m;双号管棚节长度为:4 m+6m+6m+6m+6m+6m+6m;

(4)大管棚钢花管管心与初期支护设计外廓线径向间距为 30cm;

(5)预埋导向管为 φ152无缝钢管,壁厚 6 mm,节长 2m,环向间距 40cm,拱部 120°范围布置;

(6)钢花管和钢筋笼前端均焊成锥形,以便于钢花管入孔以及钢筋笼的安装。

3.2 管棚浆液参数

(1)注浆材料及配合比:注浆浆液采用纯水泥浆,水灰比为 1∶1,注浆水泥的强度等级为 42.5;

(2)注浆压力:1～2MPa;

(3)浆液扩散半径:不小于 0.5m。

3.3 大管棚超前支护与地表注浆的结合

为了使大管棚超前支护更好的发挥作用,减轻围岩变形作用在管棚上的荷载,在管棚支护的同时,结合 φ70无缝钢管进行地表注浆。具体为:在洞顶堆积体中,采用 φ70无缝钢管进行地表注浆,注浆横向加固范围大于破裂面与地面的交线(45°)之间的距离,注浆深度为由地表至洞身开挖边界外侧 50cm,注浆段长度为距洞口 32 m处。地表注浆采用套管注浆法,竖向套管采用φ70无缝钢管,注浆孔按梅花型布置,间距为 1.5 m×1.5m。注浆材料为 1∶1纯水泥浆,注浆压力为 0.5～1.0MPa,注浆量为 0.3～0.6m3/m。

4 大管棚钻机选型

根据板桥山隧道洞口堆积体土层的特点、管棚深度、管棚的角度、施工进度及现场的实际情况等要求,选用的管棚钻孔机具必须具有:动力头及孔口板调转方向,可直接钻凿仰孔;钻机结构为分体式,可拆性好,搬迁、安装迅速方便,并可远距离操纵,一次搬迁完成多孔施工;操作员工工作环境好,劳动强度低;钻机可以直接通过扣件安装在脚手架上,移机快捷方便;钻机可适用跟管钻进工艺方法等特点。

经过比选,YG-50型工程钻机符合上述要求,故选用 YG-50型工程钻机作为板桥山隧道出口大管棚钻孔钻机。

5 大管棚的施工及相关技术要求

大管棚施工工艺流程见图 4:

图 4 大管棚施工工艺流程图

5.1 施工前的准备工作

隧道位于高烈度地震区,施工时首先清除坡面及坡顶危石、落石和地表松散地震渣体,并在坡面上铺挂主动防护网和被动防护网,同时增设环型截水沟,以拦截地表水;建立枝状排水系统,使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围,以防积水下渗。

洞顶堆积体 φ70无缝钢管地表注浆先于大管棚施工,从而使隧道顶部堆积体预先形成一层壳体,以稳定隧道洞口上方堆积体,也利于大管棚的成孔。

5.2 大管棚导向墙的施作

当明洞开挖至洞口 10m左右时预留开挖土,以做导向墙及大管棚施工工作平台,且在导向墙范围内刷垂直坡,避免 2m长导向墙侵占洞身,影响洞身初期支护。对仰坡及时进行锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土支护,并在导向墙两端墙脚及顶部预埋 φ25锚固筋,三处共 12根。

导向墙对于控制大管棚钢管的钻孔方向至关重要 ,同时也兼作止浆墙。洞口前端采用 2m长套拱作为大管棚导向墙,套拱拱脚基础采用M10浆砌片石砌筑。套拱的厚度为 50cm,材料采用 C25混凝土,套拱内埋设 4榀 I18型钢,按大管棚钢管设计位置,沿 I18型钢拱圈环向准确布置 φ152钢管,并与型钢焊接牢固,作为管棚钻孔时的导向管,并将孔口预埋一定的上抬坡度(1°～2°)。在仰坡中部、拱脚处将预埋锚固筋与型钢拱架焊接,以避免在浇筑混凝土时移位。具体施工见图 5。

图 5 大管棚施工示意图

5.3 钢花管的制作

钢花管按照设计要求制作,管头加工成锥形以便送入。为确保接头质量,以长 15cm的丝扣连接。为防止浆液倒流,每根管棚尾部均焊接有止浆板,止浆板采用 2cm厚钢板制作,中间钻有φ20带内螺纹的孔,以备注浆时用。

5.4 大管棚施工

(1)搭设钻孔平台、安装钻机及钻机定位。①对大管棚孔位编号,从一侧顺次编号;

②利用预留的开挖土,在其上用枕木和钢管脚手架搭设钻机工作平台,并随钻机位置进行搭建或拆除;

③钻机平台要着实地,与钻机平台钻机要用扣件连接成整体,以确保钻机稳定,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;

④钻机定位:按照预埋的钢套管位置,将钻机移动至 1#管棚位置,依管棚编号顺序钻孔。要求钻机与已设定好的预埋导向管方向平行,必须精确核定钻机位置。用挂线、钻杆导向相结合的方法反复调整,以确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

(2)钻 孔

为了便于钢管顶进以及注浆扩散,钻头直径采用 130mm。使用顶驱液动锤按套拱中预埋的钢套管角度,把套管与钻杆同时同步放入钢套管内冲击回转钻入岩土层内至设计深度。钻机开钻时,先低速钻进,待成孔 10m后可加快钻进速度,但要根据地质情况对钻进速度进行调整,避免成孔卡钻现象并保证成孔质量;套管与钻具要同时跟进,使其产生护孔功能,避免内钻杆在提出孔后出现塌孔,提供临时护孔,方便往孔内插管注浆。钻孔时要经常使用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度,当偏斜超过设计要求时必须及时更正。要求钻孔精度高,终孔位置准确,各开孔的孔眼必须与终孔的孔眼落在同一周界面上,避免产生较大的偏差和变形。同时要确保钻孔的同轴度,以避免管棚送入时受卡。

因大管棚施钻范围为堆积体,岩体呈松软-松散结构,自稳性差,极易垮塌,大管棚孔的施钻主要存在卡钻、掉钻头、坍孔、退钻等问题。我们在选择钻孔工艺时考虑到了这些问题,采用了套管跟进法施钻,即用偏心钻头及套管靴使钢管跟进钻头进尺。

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,以作为开挖洞身的地质预探预报、作为指导洞身开挖的依据。

(3)清 孔。

钻孔完成后,用高压气通过钻杆从孔底逐渐向孔口清理钻渣;取出钻杆后,套管仍保留在孔内供护孔用。

(4)安装管棚钢花管及钢筋笼。

①用钻机分节安装钢花管和钢筋笼,即钻机钻杆不转动,钻机机身往前推进,通过连接卡使钢花管和钢筋笼受力。当钻机机身移动到最大位置后松动连接卡,钻机机身退回来,然后重新固定连接卡,钻机向前推进,如此反复,将钢花管和钢筋笼分节安装就位,见图 6、7。

②钢花管采用 15cm长的内车丝扣,每节钢花管在安装好钢筋笼后一同安装。

③对于编号为单号的孔位,钢花管按 6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m进行分节;对于编号为双号的孔位,钢花管按 4m+6m+6m+6m+6m+6m+6m进行分节。钢筋笼同一横断面内的接头数不大于 50%。

图 6 钢花管与钢筋安装示意图

图 7 连接卡大样图

④当管棚安装完毕,及时在钢管外露端焊上止浆板、止浆阀,并检查焊接强度和密实度。

5.5 注 浆

利用浆液的渗透作用和压密作用将周围岩体预先加固并封堵围岩的裂隙水,这样做既能起到超前预支护的作用,同时也加强了管棚的强度和刚度。

(1)工艺流程(图 8)。

(2)注浆的施工程序及方法。

①注浆采用 BW-250/50型注浆机注浆。注浆前先检查管路和机械状况,确认正常后做压浆试验,确定合理的注浆参数,据以施工。

②注浆时一般是先注无水孔,后注有水孔。因板桥山隧道洞口堆积体中无地下水,故从拱脚起(1#管棚)顺序注浆。注浆速度根据注浆孔出水量的大小而定,一般由快到慢。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,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,判断可能发生堵管,必须停机检查。

③通过焊接在钢花管上的止浆阀对大管棚注浆,进浆量按照 20～30L/min控制,注浆压力逐步升高,达到 1～2MPa时继续注浆 15min后结束注浆(板桥山隧道出口大管棚的注浆量一般为8.0m3/根)。注浆结束后,及时封堵注浆口并将闸阀关闭,卸下进浆管,进入下一循环。

图 8 工艺流程图

④注浆过程派专人负责填写《注浆记录表》,记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据,观察压力表值,监控连通装置,避免因压力猛增而发生异常情况。

6 施工质量控制要点

(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)钻孔仰角的确定视钻孔深度及钻杆强度而定,一般控制在 1°～2°,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 15～20cm;

(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,发现误差超限应及时纠正,对于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)钢花管与钢筋笼的接头要错开,同一断面接头数不大于 50%;

7 效果评价

为保证施工安全并检查大管棚的实施效果,项目部专门组织对堆积体段的净空收敛进行量测,在 30m堆积体处理段埋设了 3条收敛基线,对监测数据进行的分析情况见表 1。从量测情况看,埋设初期收敛增长较慢,环挖核心土时收敛变形急剧增长,然后趋于稳定,均满足设计要求,充分说明了大管棚预注浆超前支护对防止围岩急剧控恶化、制隧道变形的作用是显著的,见表 1。

表 1 净空收敛监测变形分析表 /mm◦d-1

8 结 语

采用长大管棚、结合 φ70无缝钢管对洞口段堆积体进行注浆固结然后再进行开挖,作为穿越板桥山隧道出口巨厚堆积体的超前支护手段,其成功之处在于:通过注浆,将松散的堆积体固结起来,利用大管棚支护围岩,将注浆体和管棚连成一个整体共同受力,在隧道开挖轮廓线外形成棚幕和一层壳体,有效地阻止了堆积体出现坍塌,也使围岩的沉降在可控范围,为隧道洞身安全、顺利地施工创造条件,是新奥法与其他辅助施工方法的有效结合。

[1] 公路隧道施工技术规范,TGF60-2009[S].