公路隧道洞内超前管棚支护施工技术

姜昌银

（江西有色地质探矿工程院，江西 南昌 330000）

1 工程概况

该隧道设计速度为 60 km/h，为双向四车道二级公路，分离式隧道。其中左洞起止里程为 L2K7+305-L2K7+732，全长 427 m，隧道穿越围岩为三叠系中统巴东组中风化灰褐色泥质灰岩、砾岩、灰岩互层，岩性变化大。

L2K7+500-L2K7+560 段现场为天坑积水处，地表汇水后从此处下渗。根据揭露的地质情况表明，该段岩溶发育，大小溶洞比较多，地质情况复杂，岩性变化大，岩体节理发育、劈理发育，呈破碎结构，岩体富水性弱，开挖时地下水主要以点滴状出现，围岩自稳能力差，易产生坍塌及冒顶破坏。

2 施工情况

当隧道左洞正常开挖至L2K7+520 断面时发现1 个溶洞，溶洞位于隧道衬砌轴线左侧拱腰顶部，一直朝前向上发育，大部分位于隧道轮廓线外。溶腔体类似一个圆柱体形，直径3 m 左右，顶部窄下部宽，顶部一直朝上延伸，溶腔内无填充物，但一直有突泥，突泥物为黏性土，含水量大，饱和状。现场立即采取掌子面反压回填，准备对溶洞口进行加密初支、泵送混凝土封堵处理。但正值连续下雨，地表水沿溶腔处流出，将溶腔内的挟泥大量带出，把原先封堵口冲垮，同时巡查发现左洞地表也出现塌陷。塌陷区直径大约15 m，深度8 m 左右，周边的地表也慢慢出现裂纹，垮塌范围有扩大的趋势。根据现场洞顶地表实测标高为741.2 m，隧道埋深仅31 m 左右。塌陷区位于岩溶洼地最低处，存在有溶洞，地表汇水一直从此处下渗。

3 处理方法

3.1 洞顶回填处理

洞顶回填处理主要包括以下4 点措施：1）首先在山顶粮仓塌陷处进行隧道左、中、右轴线的恢复，然后做好洞内和洞外的位移、沉降观测，待稳定后进行洞顶坍塌处的回填。2）塌陷区回填之前采用挖掘机进行处理，坍塌区底部必须要夯实，消除空洞的凌空面，周边刷成稳定斜坡，自上而下放坡。3）回填土采用非透水性素土回填，分层填筑，分层夯实。4）表面采用50 cm 厚黏土隔水层进行防水处理，顶面高度超出原地面0.3 m，然后铺双层塑料布，用普通碎石土将其覆盖，周围设置排水体系，以防止雨水流入回填处。

3.2 洞内管棚施工

3.2.1 施工工艺流程

管棚施工程序有管棚制作、搭设平台、安装钻机、钻孔、安装管棚钢管、安装钢筋笼，注浆。

3.2.2 中管棚设计参数

中管棚设计参数如下：①钢管规格。热轧无缝钢管及钢花管，每循环单根长度15 m，外径108 mm，壁厚6 mm。②管距。环相间距40 cm，纵向间距10 m。③倾角。外插角15°～20°，具体可根据实际情况调整。④钢管接头。同一环中相互错开不小于0.5 m，管棚分节长度3 m，配备1.5 m的调节管。⑤钢花管上钻孔注浆，孔径15 mm，孔间距15 cm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段150 cm。⑥管棚钢管内，隔一设置钢筋笼，钢筋笼主筋4φ22，采用φ38 钢环（壁厚3 mm）作固定环，固定环节长5 cm，与钢筋笼主筋焊接。

3.2.3 管棚施工工作面

管棚施工工作面如图1 所示。该隧道地质条件复杂，围岩差，且掌子面处属于高风险地段，不得扰动塌方体的土体，所以不能在掌子面处扩挖管棚操作空间，只能拆除3 榀已施工的初支，然后将已施工的最后4 榀上导初支作为管棚支撑体，形成管棚工作室。拆除初支处应及时初喷混凝土固结围岩，施工作业时随时观察初喷情况，如有裂纹痕迹出现立即撤出施工人员。

3.2.4 测量定位、钻机就位

采用全站仪免棱镜三维坐标进行管棚钻点放样，采用水泥钉作准确标记，并用醒目的油漆对孔口位置作明显标识，对管棚位置进行编号。管棚平面位置如图2 所示。管棚钻孔采用履带式液压钻机施工。钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。将钻机导梁固定于导向工字钢支架上，保证钻孔时的稳定性。钻杆前端准确就位于测量放样点位，钻机后端根据三维坐标测量数据严格调整水平分角和竖直分角，保证钻孔角度符合要求。为了避免钻杆及钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象， 钻孔角度可以根据地质条件和钻孔情况作适当调整， 并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。

3.2.5 钻孔与跟管

图1 管棚工作面示意图

图2 管棚平面位置图

掌子面坍塌冒顶，填充物为淤泥质土，夹杂着砂砾，含水量大、黏性强，采用先成孔后送管方式，虽然工艺简单，但是钻孔过程存在塌孔现象，无法成孔，送管困难。为解决无法成孔送管的问题，根据现有施工方法及工艺，最终确定采用跟管钻进施工方法成孔和送管。钻孔时记录围岩变化情况，及时了解掌子面前方的地质情况。

管棚钻孔与跟管采用履带式液压钻机施工。跟管钻进工作原理：钻进时潜孔冲击器震动冲击中心钻头，中心钻头传递冲击给管棚钻头并带动管棚钢管钻头转动钻进，每根管棚之间靠钢管连接头连接到钻孔所需的长度，管棚与回转动力头无连接。冲击器与内钻杆联接，内钻杆联接到钻孔所需的长度通过连接头的内螺纹与回转动力头连接，回转动力头通过连接头传递扭矩给管棚和钻杆，钻进时的排渣通过管棚和内钻杆的间隙排出，当钻进到所需长度时，反向旋转内钻杆90°即可将中心钻头与管棚钻头分离，将内钻杆全部取出孔外，即可将管棚留在孔内，达到成孔与送管一次性完成。

3.2.6 安装管棚钢管、钢花管

管棚钢管、钢花管节与节之间通过长300 mm 的Ф114钢管用丝扣连接。

同一环管棚内接头位置应相互错开不小于0.5 m，分别采用1.5 m、3 m 钢管错开布置。

管节分节长度为：

①3m+3m+3m+3m+3m，②1.5m+3m+3m+3m+3m+1.5m。

3.2.7 插入钢筋笼

管棚内隔一设置钢筋笼补强，钢筋笼由4 根主筋直径φ22 组成，中间采用φ38 钢环（壁厚3 mm）作为固定环，固定节长5 cm，与钢筋笼主筋焊接。

主筋长度采用焊接，焊接长度符合设计及规范要求，单面焊接长度不下于10 倍钢筋直径，双面焊接长度不小于5 倍钢筋直径，焊接质量应符合要求，饱满、不得有裂纹。

3.2.8 注浆

为了有效地防止水泥浆液沿掌子面流出，在注浆前用喷射混凝土将整个掌子面封闭，最后用高溶度的水泥浆液封层处理，堵住掌子面处裂隙。

钢花管：编号为单号的钢花管注水泥单液浆，注浆前进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，尾部150 cm 段作为止浆段，注浆完后，关闭预先设置好的阀门。

设计注浆参数为42.5 级普通硅酸盐水泥，水灰比1 ∶1（重量比），注浆压力为2.0 MPa～2.5 MPa。

注浆顺序：打好一孔，注浆一孔，先注无水孔，后注有水孔，从拱顶顺序向下进行，如遇窜浆或拒浆，则可间隔一孔或数孔注浆。

注浆结束的标准：1）注浆压力逐步升高，达到设计终压并保持终压10 min 以上。2）进浆量一般为20 L/min～30 L/min。

注浆完成后，管内应以M20 水泥砂浆填充。双号孔为钢管，待单号孔（钢花管）全部注浆完毕后，再向双号孔中灌注M5 水泥砂浆。

3.3 掌子面开挖、护拱及初支的施工

掌子面开挖采用3 台阶短台阶法开挖。1）先开挖上台阶，不采用爆破施工，采用机械开挖或弱爆破施工。开挖完成后，立即施作30 cm 厚C25 喷射混凝土护拱（内设I20b 工字钢），并打设固定锁脚锚杆，锁脚锚杆为φ42 锁脚小导管，长为4 m，总共4 根，一边两根，锁脚锚杆应和水平线呈10°～15°的夹角向下打入并和型钢焊接牢固。上台阶一次掘进1 榀型钢拱架的长度，确保每循环开挖范围内有超前棚护。2）上台阶弧形导坑开挖支护4 榀护拱拱架后，开挖中台阶，中台阶高度与护拱拱脚平齐。为避免上台阶钢架整体悬空，影响安全，开挖完中台阶后立即进行混凝土护拱施工，同时在护拱拱脚施作固定锚杆，锁脚锚杆为φ42 锁脚小导管，长为5 m，总共4 根，一边2 根，锁脚锚杆应和水平线呈30°～45°的夹角向下打入并和型钢焊接牢固，且应深入稳定围岩的长度不小于2 m，确保护拱拱脚稳定。中台阶一次倔进2 榀拱架的长度。中台阶开挖支护完成4 榀护拱拱架后，护拱施作完成后，及时进行该循环的初期支护施工，该段初期支护工字钢调整为I20 b，纵向间距50 cm。初期支护喷射混凝土施工结束后打入系统锚杆。系统锚杆调整为φ42 mm×3.5 mm 注浆小导管，长度5 m，纵环间距为50 cm×100 cm。3）当完成中台阶的初期支护后，重新开挖上台阶，循环作业。4）中台阶开挖至20 m 后，开挖下台阶，下台阶开挖和中台阶一样，一次开挖2 榀拱架。开挖完成后，立即进行初期支护，并打设锁脚锚杆，锁脚锚杆长为4 m，一边2 根，锁脚锚杆应和水平线呈10°～15°的夹角向下打入并和型钢焊接牢固。5）最后开挖仰拱，全断面开挖，开挖长度不超3 m，一次浇筑成型，为不影响掌子面开挖，采用自制栈桥通行掌子面施工的机械。

3.4 防排水及二衬的施工

3.4.1 防排水施工

该段为溶洞发育区，溶洞内岩体有侵蚀的迹象，地表水经溶腔裂隙排走地面，此处更应注意排水系统的畅通，杜绝今后隧道运营时的渗水问题。

加强施工时的临时排水，在护拱及初支背部预埋临时排水孔，2 m 一道，每环向可根据需要加密设置，在掌子面至中央排水沟处用明沟的形式排出；加密永久排水系统，将临时排水孔与二衬背后的环向排水管以三通的方式连接，环向排水管作加密处理，2 m 设置一道。其他的防排水施工按原设计施工。

3.4.2 二衬的施工

根据监控量测的数据，待初支稳定后开始施作隧道的二次衬砌。二次衬砌厚度调整为60 cm，主筋直径调整为φ25，纵向间距调整为15 cm。

4 安全、质量保证措施

为了确保该段施工的安全及施工质量，做出如下6 点要求：1）成立质量领导小组，建立质量保证体系。2）加强施工过程中的质量控制，做好技术交底。严格执行现场材料进场检验制度、质量“三检”制度、隐蔽工程检查制度。3）加强隧道观测频率主要包括2 个方面，首先是洞内外沉降观测，随时掌握山体变形状况；其次是加强洞内净空收敛状况监测，有利于二次衬砌的及时施工。4）成立安全领导小组，建立安全保证体系。5）加强安全教育学习，要让所有参建人员了解施工现场安全状况与环境，警戒到位，防止伤害。保证特种作业人员持证上岗，加强现场的机械设备的日常保养管理。6）特殊地段的处理，应保证有专职安全员在现场，注意围岩支护变化情况，如果有突发状况能及时撤离人员。