压浆、大管棚在复杂地质条件下的应用

刘德强

（中铁资源集团有限公司，北京 100070）

压浆、大管棚在复杂地质条件下的应用

刘德强

（中铁资源集团有限公司，北京 100070）

介绍了压浆和超前管棚在不良地质隧道施工中的受力原理与应用。结合浙赣铁路茶垣、杨树湾隧道施工，介绍了破碎、松软围岩条件下大管棚的施工技术。实践证明，超前管棚支护结构具有足够的可靠性能，对于不良地质地下结构有较好的适用性。

支护；压浆；大管棚；施工技术

在施工中经常会遇到软弱、破碎、松散或断层破碎带或由于不规则开采形成的坑洞等复杂地质条件，此类工程开挖支护困难、地压力大、支护变形大，有时会造成严重的塌方破坏，造成经济损失和工期延误。通过本人在浙赣铁路电气化改造工程施工中，以实际施工的两座隧道为例谈一下压浆和大管棚压浆超前支护的应用情况。

浙赣线电气化提速改造工程Z15标段跨越新余、宜春、萍乡三市，属丘陵地带，地势起伏较大，线路通过地段基本为水田和丘陵。丘陵斜坡地貌，上覆粉质黏土，下伏基岩为泥质灰岩夹页岩、风化颇重，局部存在风化差异现象，地下水不发育。本项目管段主要的控制工程是两座双线隧道，分别为茶垣隧道（327 m）和杨树湾隧道（263 m）。

茶垣隧道地处丘陵剥蚀地貌区，地形起伏较大，地表植被发育。地表覆盖坡残积粉质黏土，厚0～5 m；下伏二叠系上统龙潭组（P2l）砂岩、页岩夹灰质页岩、煤层。全隧埋深浅（最大埋深42 m），岩性破碎，地表水较贫乏，地下水为基岩裂隙水，具中等溶出型和中等硫酸型侵蚀。不良地质为煤层采空区。据调查，进出口及洞身地表多为煤洞，多呈鸡窝状竖井开采，进、出口段均发现有地表塌陷现象；据钻探揭示：隧道进口段有人工坑道。

杨树湾隧道地处丘陵剥蚀地貌区，地表覆盖坡残积粉质黏土，厚0～5 m；下伏二叠系上统龙潭组（P2l）页岩、砂岩夹灰质页岩、煤层。单斜构造，节理发育，呈张开型，基岩破碎；地表水较贫乏，主要为基岩裂隙水，地下水埋藏较深，具中等溶出性及中等硫酸盐侵蚀。不良地质为煤层采空区，据调查BDK821+561右80 m有很多煤洞，BDK821+650右80 m有采煤口，其已坍塌，无法进入，BDK821+750右50 m有一采煤口，已封闭。

1 地面及开挖掌子面松散体导管压浆固结

洞口边仰坡按设计开挖坡度开挖，并及时施作锚、喷、网联合支护。开挖前做好洞顶截水沟，施工时做好洞口范围的排水。茶垣隧道出口地处山体的松散堆积物中，在隧道出口明洞段开挖15 m后，由于扰动了坡脚，导致山体滑坡，裂缝和错台高达4 m。隧道初期支护全部坍塌，滑坡不断发展变形，以致隧道无法施工。因此采取了抗滑桩加固滑坡，采用护壁法开挖3×2 m截面的抗滑桩20 m，共6根，隧道口两侧均布。同时对坡面松散围岩压浆固结，采用水灰比1∶1的水泥浆液，压力1.2～2 MPa，用φ50 mm钢管，钻梅花形眼孔，间距20 cm。高压注浆固结坡面。有时在洞室开挖掌子面松散时，也采取压浆固结，这样可达到固结围岩，提高围岩的稳固性和整体性，对下部施工创造有利条件。

2 超前大管棚支护及注浆

对松散破碎围岩采取大管棚超前支护和注浆加固，才能保证开挖支护时局部稳定，给开挖支护提供条件和时间，有时还结合小导管超前支护。管棚工作原理：①通过管棚注浆，使拱顶预先形成加固的保护环。而加固环发挥“承载拱”的作用，承受拱上部的地面荷载和岩层重量，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力，从而创造理想的开挖条件。②当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固环的变形变小，传递给隧道支护结构的上部荷载减小，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架。由于支撑拱架间的相互连接，形成整体支护，有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。管棚超前支护作用下隧道洞室的开挖，其力学特点是隧道的开挖过程等价于隧道开挖过程中管棚与隧道洞室以及围岩相互作用的力学模型的不断移动。管棚的起始端作用在型钢架上，可视为有一定竖向位移的固定端；支撑管棚作用的基础围岩是弹性体，因而管棚可用Winkler弹性地基梁模型来描述。隧道开挖过程中管棚力学模型见图1。

图1 隧道开挖过程中管棚力学模型图

2.1 大管棚设计

（1）拱部环向设置，每循环40根，环向40 cm，每循环管棚长20 m，循环搭接2 m。

（2）采用 108 mm×5 mm无缝钢管，长6 m。

（3）管棚超前支护外插角进出口1°，洞内3°。

（4）采用水灰比1∶1水泥浆，425级普通硅酸盐水泥。注浆压力：初压 0.5～1.0 MPa，终压 2 MPa。

2.2 大管棚施工

2.2.1 洞口边仰坡或管棚工作室施工

（1）在洞口6 m左右时预留核心土，作为导向拱及大管棚施工工作平台。另外，为保持洞口仰坡稳定，结合管棚导向管，在洞口里程外2 m设置套拱，套拱施工时，需在拱脚采用锁脚锚杆，以确定导向管稳定。在套拱范围内开挖采用垂直坡，避免导向管侵占洞身，影响洞身支护。

（2）隧道内两组管棚搭接处，为防止下一组管棚施工时侵入开挖线或仰角过大管棚末端上扬过高，根据管棚钻机的外形尺寸（本工程采用MK5型钻机）及操作要求，开挖长度6 m、断面扩大0.5 m的管棚工作室。本次设计管棚长度为30 m，搭接2 m，所以每间隔28 m需开挖一个管棚工作室。考虑管棚工作室段施工断面比一般地段大，且为上一组管棚的后半段，围岩压力增加，为确保安全，在管棚工作室施工前加设超前小导管支护。

图2

2.2.2 导向管定位计算、放样

管棚导向管的设置位置及角度的准确性直接影响管棚的质量以及管棚发挥超前支护作用的程度，这就决定了导向管定位的重要性。计算原则是既防止管棚侵入隧道初支界限或偏离开挖边线较远而无法真正起到超前支护作用，又考虑管棚钻进过程中自重作用而产生的钻头下沉偏差。管棚钻机钻进位置控制以开孔所在断面与管棚工作室起点所在断面进行控制，两个断面距离28m，开孔断面为初支外断面，管棚工作室起点所在的断面比起开孔所在圆弧半径放大0.8m（其中管棚工作室提高0.6m，根据经验28m左右管棚前端下沉量小于0.4 m），导向管长1 m。在不考虑线路纵坡及曲线的情况下，采用相似三角形等比原理分别计算导向管起终位置坐标及导向管的方位。

2.2.3 安装导向管、施作套拱

工作室开挖、支护完成后，继续向前开挖2榀标准断面大约25 cm的断面，尽快初喷，喷射C20混凝土5～8 cm封闭掌子面。在开挖工作面处先安设受力拱架，并在其上正确标明管棚位置。根据导向管定位坐标确定导向管位置，将导向管（长1 m的127 mm×6 mm钢管）焊接在工字钢上，导向管与钢拱架之间高差可以采用钢垫块进行调整。焊接牢固，使钢拱架与导向管形成整体，并迅速用喷射混凝土喷形成套拱。洞口段套拱对稳定仰坡有一定作用。

2.2.4 钻孔、清孔、验孔

采用潜孔钻机Φ125钻头施钻，仰角为设计角度1°～3°。开孔时钻速宜低，钻进50 cm后即用正常钻速钻进。同时用测斜仪器检查钻孔的倾斜度和方向，发现偏斜及时纠正，保证钻入角度不变，孔口偏差不大于8 cm。钻孔顺序一般由高孔位向低孔位进行。

钻孔是大管棚施工的关键工序，钻孔的质量直接关系到管棚的整体质量。钻孔前需搭建钻机平台，平台采用预留核心土，在其上用枕木搭设，钻机与平台连接成整体，确保钻机稳定，防止在施钻过程中钻机产生不均匀下沉或摆动，影响钻孔质量。钻机定位要与导向管方向一致，钻进过程中要经常测量钻杆角度，发现偏差及时调整。地质较好的地层可一次成孔，钻进时如产生坍孔、卡钻、需补注浆后再钻进，在地质条件较差难成孔的地层则采用跟管钻，见图3。

图3 管棚钻孔示意图

在钻进过程中做好原始记录，及时根据核心土质进行地质描述、判断，作为隧道开挖的地质超前预报以及开挖依据。钻孔完成后用钻杆配合钻头进行来回扫孔，用高压风通过钻杆，从孔底逐渐向孔口清理钻渣，确保孔径、孔深符合设计要求，并检查钻孔位置、方向、深度、角度，检查合格后进行管棚安装。

2.2.5 钢管棚制作

钢管采用 108 mm×6 mm无缝钢管，每节6 m，管棚接长采用丝口连接，管箍壁较钢管厚，在专用的车床上进行丝扣加工，丝扣长10 cm。棚管四周钻10 cm出浆孔，40 cm×40 cm呈梅花形布置，在尾部2 m范围内不钻孔，管头切成圆锥形，有利于管棚顶进。然后把钢管顶入注浆孔内，可采用风钻或挖机直接推入。

2.2.6 顶进注浆管

采用钻机低速顶进钢管，钢管连接采用丝扣，相邻2根钢管的接头应前后错开超过1 m，同一横断面内的接头数≤50%，注浆管顶进应每钻一根顶进一根。

2.2.7 浆液配制、注浆

大管棚注浆的主要目的是增强管棚的抗弯强度，通过浆液将周边围岩固结，以提高围岩开挖后自稳能力。钢管打入后采用注浆泵先压水试压，当压力达到0.5 MPa时，稳压2 min，以此冲刷坍体孔隙，扩大浆液通路，提高浆液渗透性。注浆材料可根据地质条件采用单液浆或双液浆。

水泥浆搅拌在拌和机内进行，根据拌和机容量大小，严格按要求投料，水泥浆浓度根据地层情况和凝胶时间要求而定，一般控制在 0.8∶1～1.5∶1。

搅拌水泥浆的投料顺序为：在加水的同时将缓凝剂一并加入并搅拌，待水量加够后继续搅拌1min，最后将水泥投入并搅拌3min。

缓凝剂掺量根据所需凝胶时间而定，一般控制在水泥用量的2%～3%。

在注浆开始前需做好注浆设计，单液浆采用水灰比为1∶1的水泥浆，在地下水丰富地段采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃体积比为1∶0.5。注浆过程采取注浆压力和注浆量两个指标综合控制管棚注浆，进浆速度不能过快，一般控制在每根导管总进量≤30 L/min。导管注浆采用不定量注浆，当注浆终压达到设计终压，孔口压力达到2.5 MPa时结束注浆；有时虽未达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%，即可结束单孔注浆。注浆结束后及时清洗泵、阀门和管路，保证机具完好，管路畅通。

2.2.8 注浆机械配备表

见表1。

表1 注浆机械配备表

2.2.9 注意事项

（1）压浆顺序为自下而上，先两边后中间。

（2）为避免浆液将已钻好的孔充填，钻孔和压浆作业交替进行，钻完一孔即压一孔，压完一孔钻一孔。

（3）为节约水玻璃，第一次压浆压入双液浆，达到止水效果后，可根据浆液渗漏情况，压单液浆或间歇压双液浆。

（4）压浆过程中注意记录注浆时间、压力及注浆量。

（5）两台同一型号的注浆泵，压水泥浆的一台开在250 L/min档位上，压水玻璃的一台开在175 L/min档位上，这样出浆之比为175∶250=0.7，与设计配合比基本吻合。

2.2.10 注浆过程中异常现象的处理

（1）注浆过程中如发生串浆或跑浆时，采用稍加停机，再压浆或将串浆孔堵塞，但停机时间不能超过管内混合浆液的凝胶。

（2）压双液浆时，压力突然升高，则关停水玻璃闸阀及水玻璃泵，进行单液注浆或注清水，当泵压正常时，再进行双液注浆。

（3）若在注浆过程中遇到坍体空隙率大且局部有空洞，注浆量很大而注浆压力上不去的情况，以控制注浆量为主，一般达到设计注浆量后，稍施稳压即可停止注浆。

（4）注浆过程中应密切注意注浆压力，若压力突然迅速上升，则证明堵了管，应立即关闭注浆泵检查管路，疏通后方能继续注浆，否则会造成爆管浆液喷出伤人，同时要防止水玻璃溶液溅到皮肤上。

3 锁脚大导管

在浅埋洞室开挖中围岩破碎松散，即使采取了超前支护，但在开挖支护后，较短时间拱部就发生收敛下沉变形，无法保证型钢支架的稳定，需要在间距0.8 m型钢支架拱脚处施设锁脚导管，以使支架保持稳定。在每榀拱架的拱脚，向下45°施设6 m长、φ108 mm的大导管，并把导管焊接于拱架上，以使拱架承受的力传至锁脚导管，有效控制了拱架的下沉变形。

4 体会

茶垣和杨树湾隧道采用压浆和大管棚超前支护措施，取得了良好的效果，有效治理了破碎松软围岩和多次塌方变形,保证了隧道的安全施工，减少了地面下沉以及采煤巷道对施工的影响，为类似工程积累了施工经验。

（1）对松散、破碎、裂隙发育、地下水丰富的围岩采取压浆固结是十分有效的方法，提高了围岩的整体性和稳定性，同时可起到止水效果。

（2）对松软围岩开挖洞室，不能拘泥于新奥法施工的充分发挥围岩的自承力理念，而是要强支强撑，提供及时、足够的支撑体系，保证围岩的稳定，大管棚注浆就是超前给予围岩有效的支撑。

（3）用管棚作为锁脚，扩大了拱架拱脚受力面积，有效控制了下沉和变形，同时在后续的中下导施工中，为拱架提供了支撑点，改变了以往拱架靠径向锚杆和纵向连接筋的拉承体系，将受力通过管棚传至深部围岩，并改善拉力为压力，有利于稳定。

5 结束语

超前管棚支护实际上就是超前锚杆施工的发展。实践证明，超前管棚支护结构有足够的可靠性能，对于各种特殊、困难地段有较好的适用性。

（1）超前管棚支护利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横整体，刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力。

（2）管棚支护及注浆施工不需要大型机具设备、工艺简单、操作方便，预加固效果明显。其施工速度快，支护及时、效果好，安全性高，能阻止严重渗水，经济效益和社会效益明显。

（3）对于洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段，开挖在超前管棚支护下进行，提前发挥超前支护作用，可增加施工安全度，有效保证岩体稳定，减少地表下沉和防止围岩松弛、坍塌。

（4）对矿山施工处理破碎、软弱、洞室影响围岩有一定的借鉴作用，矿山有时遇到破碎又需开采的矿体，可采用管棚支护提供安全空间进行开采，扩大开采作业面。

Application of Mud Jacking,Big Tube Awning under Complex Geology

Liu Deqiang

The article introduced the mud jacking and manages the awning in bad geological tunnel construction stress principle and the application in advance.Unifies the Zhejiang and Jiangxi iron tea made where grown and shipped directly to markets wall，the poplar tree bay tunnel construction，introduced stave，under the soft adjacent formation condition the big tube awning construction technique.The practice proved that manages the awning supports and protections structure to have the enough reliable performance in advance，has the good serviceability regarding the bad geological underground structure.

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U455.49

A

1000-8136(2011)05-0001-03