谈无工作室大管棚在膨胀土隧道施工中的应用

冯世彪

(山西太兴铁路有限责任公司，山西太原 030013)

1 工程概况

小河沟隧道位于山西省太原市娄烦县，该段为黄土梁、峁地貌，山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形，出露标高约1 266 m～1 170 m，相对高差约96 m。地表多为种植土，出露巨厚的第四系上更新统风积冲积形成的砂质黄土;在地表下20 m～60 m为膨胀土，膨胀潜势等级为弱，在勘探深度内，未发现地下水。隧道起止里程为DK73+754～DK75+557，为全长1 803 m的双线隧道，最大埋深约82 m。

2 工程地质及水文地质条件

1)地形地貌。小河沟隧道所处地段主要为黄土梁、峁地貌，山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形。地面高程1 164 m～1 269.6 m，最大高差约160 m，其中里程DK75+557～DK75+250为黄土梁地貌，DK75+250～DK75+000为一冲沟，左岸为一老滑坡，DK75+000～DK74+150为黄土峁地貌，DK74+150～DK73+754为黄土斜坡，整体坡度约45°，右侧有一冲沟。2)地层岩性。小河沟隧道隧址区主要地层有第四系上更新统风积冲积形成的砂质黄土、粘质黄土、第三系(N)膨胀土。a.砂质黄土黄褐色，松散～密实，稍湿，成分以砂质黄土为主，层厚大于50 m。b.膨胀土(N):棕红色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，局部夹钙质结核，断口光滑，膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，承载力为σ0=150 kPa～200 kPa，该层位于地表下20 m～60 m，层顶地形坡度平缓，坡度小于12°，无明显的自然陡坎，膨胀潜势等级为弱，隧道洞身开挖后根据膨胀土的自由膨胀率判定为强膨胀潜势。3)水文地质条件。勘探范围内无地表及地下水，勘察深度范围内无统一稳定水位，DK75+058～DK75+090段为人工开挖的深沟，有上层滞水、裂隙水，隧道洞身开挖后裂隙水发育，土质含水量较大。

3 工程地质评价

膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，其工程特性极不稳定。一般来讲含水量较少的膨胀土，膨胀土强度很高，但遇水后强度降低速率较快，稳定性较差，从而导致结构发生破坏可能性较大。反之，含水量较高的膨胀土，由于大部分膨胀已经完成，进一步膨胀将不会很大。但应注意的是，在水位下降或暴露于地表时，易发生失水收缩性，其强度变化对结构也极为不利。小河沟隧道所经膨胀地层具有很高的膨胀潜势，雨水下渗至膨胀土层，膨胀土遇水产生垂直和水平两个方向的体积膨胀，围岩变化速率急剧。

4 塌方情况及原因分析

小河沟隧道出口2011年7月31日由于暴雨，雨水下渗至膨胀土使其遇水膨胀强度发生变化，导致隧道初支发生变形，出现拱顶下沉和水平收敛急剧变化，导致DK75+193～DK75+262.7段山体发生滑移、坍陷，隧道初支被破坏，土体侵入、掩埋隧道。

5 大管棚施作方案比选

小河沟隧道滑塌发生后，项目部组织专家论证会两次，专家们实地踏勘，并及时指出小河沟隧道塌方段进洞措施，先对滑塌段进行超前大管棚支护加固，稳定围岩。针对现场情况，现有施作管棚技术有两种:一是普通施作管棚法及有工作室施作管棚，二是由专业管棚机施作及无工作室施作大管棚，由于对坍塌体了解情况不明，如果采用有工作室施作管棚对施工及安全不利，当务之急项目部决定采用金星9000专业管棚机施作及无工作室施作管棚，及时对管棚进行注浆，目的是对围岩起加固作用。

6 无工作室大管棚施作

1)无工作室大管棚施作方案:为更好地固结塌方影响范围内松散土体，在里程DK75+262～DK75+193段加设超前大管棚支护，采用专业钻孔机金星9000钻孔，该段初支预留变形量取70 cm，依托1榀Ⅰ25a的钢架采取无工作室管棚施工。采用φ108超前大管棚，长15 m，环向间距40 cm，外插角1°～3°，31根并及时注浆。

2)施工技术要点。a.施工工序与步骤。开挖一榀拱架间距→立带有钻孔的Ⅰ25工字钢→C25混凝土封闭钢架上→修筑钻孔机操作平台→钻孔→装管→安装止浆阀→施作止浆墙→管棚注浆。b.大管棚与预注浆。第一，管棚参数。钻孔仰角1°～3°，钻孔孔径135，管棚间距30 cm，管棚长度15 m，采用φ108(厚6 mm)无缝钢管，共计31根管棚，钢管前端20 cm做成尖锥状，尾部2 m设止浆段，尾口设止浆塞、止浆阀。溢浆孔直径10 mm、间距15 cm，梅花形布置。第二，管棚注浆。注浆材料采用双液浆，双液浆∶水泥浆(W∶C)=0.8∶1 ～1.5∶1，水玻璃浆35 Be'，C∶S=1∶1 ～1∶0.7，注浆终压0 MPa～7 MPa，注浆原则:从下往上，间隔跳孔注浆，以加强钢管的刚度。

7 技术难点与关键

1)钻孔时钻孔机就位，由于围岩土体松散，钻孔机本身角度不能自由调节，只能靠加固土体，牢固稳定的基础才能为钻孔机施作准确的角度提供有利条件，加固基础是施作管棚的关键技术。2)塌方体内围岩是膨胀土，膨胀土含有丰富的蒙脱石与浆石，且膨胀土长期在水的作用下，失去粘性，无强度，基本呈流塑状态，大管棚施钻困难，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15 m管棚的安装成功率和注浆的效果，也是管棚施作的难点所在。3)塌方体松散度大，且在塌方段存在二衬台车空腔段，初支空腔段等。由于注浆区域广而连通性好，因此必须对注浆顺序及注浆工艺进行详细计划，以防止浆液向空腔地区扩散，控制注浆量，尽量以最小的注浆量获得最好的注浆效果。

8 主要技术措施

1)钻头革新。专业钻孔机结合空压机采用孔径为135的冲击钻对膨胀土隧道施工，由于对现场情况调查不清楚，膨胀土在水的作用下，失去粘性，基本呈流塑状态，又加塌方体坍碴情况比较复杂，冲击钻在施作钻孔6 m的位置卡钻无进尺，为保证φ135管棚的顺利施作，有必要对钻头进行改革，采用镶有合金的三翼钻头，三翼钻头在流塑状态下施工很顺利，很快达到10 m，膨胀土中还有丰富的蒙脱石加浆石，三翼钻头无力，只能换冲击钻，在冲击钻和三翼钻头结合使用情况下，φ135钻孔勉强钻进14.5 m，在此期间耗费时间整整48 h，为了提高钻进速度与质量，有必要再次对钻头革新，采用螺旋钻施钻，在螺旋钻的施钻下，15 m成孔只需4 h，克服了冲击钻与三翼钻头的难题，钻孔最深可达20 m，施工事实证明，螺旋钻为膨胀土隧道管棚成孔创造了有利的条件。2)机械配合钻机旋转顶管。装管过程中，钢管前端20 cm做成尖锥状，采用机械配合钻机顶推装管，由于钢管与成孔之间摩擦造成许多坍碴、碎石，使管壁的摩阻力加大，钻进负荷扭矩变大，致装管困难，同时也容易产生管接头因推力过大而发生断管等严重事故，一旦发生断管现象，则整个管将被废弃。根据以往经验与现场试钻情况，钢管在顶推到不能掘进的里程后，在距钢管尾部1 m的地方钻孔，孔径φ22。使φ22螺纹钢穿过此孔，利用专业管棚机钻孔底座，旋转顶管以达到理想的装管情况。3)总体施工工序的调整。按设计，应首先钻孔、装管、安装止浆阀、施作止浆墙、注浆的顺序，由于土体松散，管棚注浆量大，注浆工作时间长，管棚施工完成后不得急于开挖。为此，对施工工序进行了调整，即在管棚机钻孔半幅完成后，及时装管，并做止浆阀，封闭导向钢架，施作注浆，管棚机可调转方向进行下半幅的钻孔掘进与装管，但为确保已施作好的半幅管棚孔的注浆加固效果不干扰相邻钻孔效果，在注浆时采用由下往上、间隔跳孔注浆原则，钻孔从上往下跳孔钻孔，间隔装管的原则。总体施工工序的调整为施工工期争取了时间，同时也保证了周边注浆加固与钻孔的效果。

9 结语

1)采用螺旋钻钻孔以后，管棚施工仅用了不足6 d时间即完成15 m管棚的装管、注浆全过程，整个管棚施工过程安全顺利，为隧道施工节约了时间。这进一步验证了螺旋钻在膨胀土隧道无工作室管棚施工中起到很重要作用。2)根据开挖中揭示的情况，注浆固结体与管棚的共同棚架护拱作用是确保开挖顺利，防止塌方继续发展，在管棚施工中必须重视注浆对地层的改良作用。3)无工作室大管棚的施工技术为处理坍塌的膨胀土隧道提供了安全与质量保证。

［1］TZ 204-2008，铁路隧道工程施工技术指南［S］.

［2］钟桂彤.铁路隧道［M］.北京：中国铁道出版社，1990.