浅埋砂质新黄土隧道下穿国道双层长管棚进洞技术

蒋宁

Technology for Shallow-buried Sandy New Loess Tunnel Underneath the National Highway

摘要：武家坡隧道进口段浅埋黄土及下穿国道，为预防塌方、大变形、路面沉陷使隧道安全、顺利地完成进洞施工、国道正常运营，选择管棚超前支护措施。通过介绍86.7m双层超前长管棚一次施做施工技术，为类似工程提供参考。

Abstract： For the shallow-buried loess in the entrance section of Wujiapo tunnel and underpass national highway， to prevent landslides， large deformations and road subsidence and ensure the safely of tunnel， the smooth completion of the tunnel construction and the normal operation of the national highway， the pipe shed advanced support measures are taken. Through the introduction of 86.7m double-decked long pipe roof construction technology， it provides reference for similar projects.

關键词：浅埋；下穿国道；砂质新黄土；双层长管棚；施工技术

Key words： shallow-buried；underpass national highway；sandy new loess；double long pipe shed；construction technology

中图分类号：U455.49 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0155-02

1 工程概况

武家坡隧道位于陕西省榆林市靖边县小河乡前河村，为单洞双线隧道，最大埋深168.88m。距进口50m处下穿G307国道，与线路交角60°，最小埋深约25m，国道宽度8m。

进口处覆盖砂质新黄土，黄褐色，稍密，稍湿，具湿陷性、呈松散状；砂岩，紫红色，强～全分化，砂质结构，厚层至巨厚层状交错层里结构，成岩作用差，岩质较软。隧道内无水，受大气降水和地表水入渗补给。隧道进口（DK256+643.25～DK256+670）段上部新黄土，可见阶梯状表层溜塌，厚约1.5m，地形陡峭，自然坡脚约64°，若开挖极易造成坡脚失稳造成滑塌。

2 超前管棚作用原理

超前管棚将钢花管作安插在超前钻孔中，在隧道开挖轮廓线外形成钢管支护棚架。超前管棚采用套拱作为环向后支点，利用初支钢架作环向支撑，钢管作为纵向预支撑组成为预前棚架结构，其整体刚度大对整体围岩变形限制能力强，能提前承受早期压力。通过大管棚注浆补充固结土体，增强上方土体稳定性，满足开挖稳定的要求。利用超前管棚预前支护棚架结构、固结地层功能加固自稳能力低的围岩，防止软弱围岩得下沉、松弛、坍塌。

3 超前长管棚设计

隧道洞口里程256+653.25且隧道DK256+700处既下穿国道又是浅埋，施工安全风险较大。因此DK256+653.25-DK256+740段拱顶中心两侧60°范围设置86.7m长￠159双层超前长管棚。管棚长度86.75m一次施作。管棚采用节长4～6m，？准159×7mm热轧无缝钢管，管口环向距离40cm，上下管层距36cm，上层孔数36个，下层孔数33个，外插角0°～3°；钢管周围打设￠15mm、间距15cm，梅花形布置的注浆孔，尾部设150cm未钻孔的止浆段。管棚注浆采用水泥浆液（水灰比：0.5：1-2：1）。

管棚内设由4根Ф22螺纹钢筋及固定环组成的钢筋笼增加管棚抗拉强度和抗弯刚度。

为保证管棚整体稳定和钻孔施工方向设置纵向长度2m、厚度1m的导向墙。同时稳定洞口掌子面。

4 钻机选型

根据本隧道的工程地质制约即黄土具有大孔隙、易冲刷冲蚀和湿陷性特点。采用常规水钻成孔再进行管棚推进的方法极易导致黄土遇水湿陷性增大造成较大空洞并冲蚀洞内围岩。使用钻杆钻孔试孔判断岩层易于成孔、采用顶进法施工（定位导向一次跟管作业法）。钻机配设定位导向仪器，孔位成孔跟管棚安设一次性成型并满足管棚长度87.65m。为满足以上施工条件和要求，对施工管棚钻机进行调查选型，选择北京通铁恒大工程技术有限公司生产的TTHD-100型水平定向管棚钻机。导向仪采用美国DCI月蚀水平导向仪，随着钻杆钻进，可随时采集钻进的方位角、深度、水平偏差等，发现有偏离设计轨迹时，随时校正。

钻机主要参数：钻孔直径180mm，钻孔深度100～120m，钻孔角度范围正负20°，电动机功率55kW，重量800～1000kg，回转式钻机，采用可变形机身，可在现场方便的任意改变机身长度（可调节为9m-6m-3.5m），而不影响打设质量。

5 超前长管棚施工

使用钻杆钻孔试孔判断岩层易于成孔、采用跟管钻进的法施工，钻孔采用间隔钻孔方法，成孔1个即安装钢管，同时钢管内安设钢筋笼。在全部管棚安装完成后采取隔二注一的方法进行注浆。

管棚施工主要工序：准备工作（洞口开挖及坡面防护）、长管棚钢花管制作、导向墙施作、钻孔顶管、安装管棚钢筋笼、注浆。

5.1 准备工作（洞口开挖及坡面防护）

开挖洞口，将洞口边仰坡一次开挖到位，喷锚支护防护坡面、施作截排水水沟防止雨水冲刷坡面保护洞内围岩，减少雨水对黄土的冲刷冲蚀。洞口预留核心土以便管棚施工，并做好洞口排水系统。

5.2 长管棚钢花管制作

长管棚第一节顶进钢管前端加工成尖锥形长10cm；剩余钢管的两端加工外丝扣，长15cm，以便连接接头钢管，同一断面内的接头数不超过总管数的50%。钢管按照设计打设注浆孔。

5.3 导向墙施作

导向墙纵向长度2m、厚度1m，内设置拱架定位预埋导向管。为保证管棚有效维护拱顶围岩及管棚不倾入隧道洞内钢架定位要精确，导向墙基础应稳定。当基础位于湿陷性黄土上时基础下施作2根挤密桩并浇筑30cm厚混凝土预埋钢筋固定钢架，安装钢架时考虑导向钢管角度并用全站仪复测并放样导向管的坐标定点。拱架制作考虑洞口沉降量。

5.4 鉆机平台架设、钻孔顶管

为确保钻机钻进稳定，黄土隧道洞口使用黄土回填，压路机压实并用C20砼硬化场地，做好排水设施，用枕木搭设井字台确保钻机平台搭设牢固。以减小钻机工作时偏斜，提高施钻精度。保证钻孔方向，钻机钻速及顶推压力要随着钻进情况变化调节。

开挖前对钻孔轨迹进行设计，对垂直方向跟水平方向设计一定的纠偏值，定位导向仪器随时监控，特制的楔形钻头及时进行纠正。钻头为可变钻进方向导向钻头，偏离设计轨迹时可随设定的程序进行轨迹调整。从而保证实际钻进的轨迹跟设计轨迹不出现大的偏差，保证钻孔质量。

为了更好掌控现场钻进所需的各种参数，探寻针对此地质钻进的偏斜规律，正式施工前，对现场进行工艺性试验，先钻1～2个孔位，根据钻设时的涌水、涌沙、孔位偏斜量、钻进速度等因素，探索出规律，从而选定特定的技术参数。试验孔位一般选取中心的拱顶部位。

根据现场实际情况，本着尽量减少地层扰动，充分维持土体自稳性，便于施工，现场实际施工采用“先上部后下部，先易后难”的原则。主要施工顺序为：先拱顶后拱腰，上下孔位错开钻孔，梅花形双侧对称式钻孔。

5.5 安装钢筋笼

管棚钢管安装好后，放置钢筋笼。钢筋笼穿入时防卡笼措施：因为管棚现场采用内丝扣的连接方式，所以穿如钢筋笼时容易发生钢筋笼端头被内丝扣钢管卡顿的情况发生，为解决此问题，现场设计了楔形钢板尖头，将其与钢筋笼端头焊接，以此保证钢筋笼顺利穿入。

5.6 管棚钢管注浆

管棚注浆采用1：1纯水泥灰浆，按配比进行均匀搅拌，然后由注浆机进行注浆作业，注浆时随时控制注浆量及注浆压力，注浆施工时要采取低压力中流量注入的方法，同时要保证在注浆的过程中压力要逐渐增大，浆液的流量呈逐渐减小的趋势，当压力升至注浆终压时，继续压注，直至达到设计要求。当每孔注浆终压达到1.0MPa并稳定10～15min，且注浆量达到设计量的95%时，可结束注浆。

注浆顺序：注浆采用钻好一孔注一孔的方式进行，自上而下，隔孔钻孔，隔孔注浆。

串浆时及时堵塞串浆孔，泵压突然升高时，可能发生堵管，应停机检查，进浆量很大，压力长时间不升高，应重新调整浆液浓度及配合比，缩短胶凝时间，采用小流量低压力注浆或间歇式注浆。

6 施工遇到的问题及采取的措施

长大管棚注浆超前在大孔隙的黄土隧道施工中注浆效果较好，开挖后能看见土块渗进水泥浆胶结成整体，长管棚补注的水泥浆增大了钢管的截面模量，提高了横向荷载能力。在开挖过程中拱顶未出现塌方掉块现象增加施工安全系数。但在具体施工过程中仍遇到许多问题，应采取相应的措施及时解决。

①由于钻孔长86.75m，各孔易出现漏风、无渣排除、钻不进情况，采用慢进慢出多次窜动，每钻进10m，退出20m，同时以高压风不断吹动，然后缓慢钻进，待正常排渣后，再加钻杆钻入。钻孔顺先单后双施做，为避免串孔现象。同时为保证成孔质量应钻孔后立即安装管棚钢管。

②精确定位钻孔角度和方位并控制钻孔角度，尤其是接长钻杆后钻进角度应严格控制。水平钻孔难免有些弯曲，且向隧道设计断面弯曲，可以先钻不易倾入隧道设计断面的最低的孔试钻并用测孔器探测得出下沉高差以此适当抬高。应经常测量轴线与衬砌外缘夹角。

③施工中应提前做好导向墙施工准备工作，导向管的外径厚度、连接管棚钢管的套管外径厚度选择很重要，避免钻孔时钻机吹不出渣、无法钻进或无法安装管棚等现象。由于采用内丝扣应改正钢筋笼的直径并打磨好端头及接头部位确保钢筋笼能有效顺利地进入管棚钢管中。

④由于地质状况原因会出现软质围岩、流塑状黏土、砂卵石或破碎带不易成孔时应改用低压钻进或者采用套管跟管钻成孔。钻进过程中应注意钻孔速度、返回介质的成分数量、地质水文等资料的收集与记录，发现异常情况及时解决。

⑤钻孔时如出现卡钻、严重塌孔、漏风等现象，应停止钻进，注浆后再钻。

7 结束语

通过使用TTHD-100型水平定向管棚钻机说明该设备满足在浅埋砂质新黄土地层中水平钻孔深86.75m施工要求。通过监控量测数据分析：DK256+653.25～DK256+715段内的全部测量断面，稳定后最大累计沉降值为18.3mm（DK256+680），最大周边收敛值为12.1mm（DK256+691），日拱顶沉降平均值约0.9mm，收敛值约为0.2mm，国道侧沉降观测点最终累计最大沉降值为9.8mm，说明在黄土隧道洞口浅埋段施作双层超前长管棚能够有效控制塌方、大变形、路面沉陷以及承受国道上行车荷载影响。管棚超前支护措施能够满足隧道进洞施工要求，保证隧道施工安全和质量。

参考文献：

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