跟进式管棚在隧道洞口松散破碎地层中的应用

郑寰宇

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530001)

0 引言

山岭隧道建设中，隧道洞口段设计多数采用大管棚进行超前支护，而隧道洞口往往处于松散破碎地层，使用常规的引孔顶入法施工管棚，钻孔成孔难，即使成好孔，也易在送管过程出现坍孔卡管，一旦出现此问题就需要反复钻孔或拔出已插入的管棚钢管重新钻孔，施工难度大、花费成本高、处理时间长。跟进式管棚施工是在钻机钻进过程中，管棚钢管跟随着钻头与钻杆一起同步钻进，从而使管棚钢管能及时对成孔起到护壁作用，有效地防止了钻孔的坍孔。来都高速公路某隧道洞口土层自稳能力差，为加快施工进度、确保管棚超前支护效果，以达到隧道进洞安全，应用了跟进式管棚。本文通过对跟进式管棚施工工程实例的介绍，为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

来都高速公路某隧道穿越溶蚀峰丛洼地谷地，设计为双洞四车道分离式隧道，设计时速为100 km/h。出口处岩层走向与线位走向呈大角度相交，自然坡度为15°～25°，岩层产状262°∠5°，隧道所穿越的山体岩性为石炭系中统黄龙组(C2h)灰色中厚-厚层状白云质灰岩和灰岩，隧道出口覆盖层主要由角砾土等碎石类土组成，层厚4.9～9.0 m，洞口段设计围岩级别为Ⅴ级。隧址区地下水主要为岩溶裂隙水，水量中等-丰富，雨季洞内易出现淋雨状或小股集中出水。隧道出口设计有20 m长明洞段，暗洞洞口设置套拱，采用管棚作为暗洞第一环超前支护，暗洞洞口有60 m长度为浅埋段，暗洞最小埋深约0.8 m。

2 套拱与管棚设计

隧道明暗洞交界处设计厚度为0.7 m、长度为2 m的C25混凝土套拱，套拱内设置3榀I20b工字钢型钢拱架(纵向间距为75 cm)，拱架之间用长度为125 cm的C22混凝土(环形间距为100 cm，纵向交错布置)，拱架套拱基础为C15混凝土(宽0.7 m、长2 m、高1 m)。管棚设计布置在隧道拱部135.8°范围，共33根，套拱内预埋33个长度2 m、直径127 mm、壁厚4 mm的无缝钢管作为管棚导向管，导向管间距为50 cm，设置外插角度为向上0.5°。管棚钢管每根总长度为30 m，采用直径为108 mm、6 mm壁厚的无缝钢管。

3 工程应用

3.1 跟进式管棚参数及工艺原理

本工程的跟进式管棚由管节、管靴、接箍组成。管节为宝钢R780，每节长1.5 m，两端设有内螺纹。管棚钻孔采用C6多功能钻机，钻头选用与管棚直径大小相适应的偏心钻头。管靴连接管节，管节之间用接箍相连，钻头与钻杆穿过管靴、管节、接箍进行钻进，边钻进边安装接长管棚钢管直至设计长度，然后退出钻头和钻杆，最后安装止浆阀进行注浆。跟进式管棚的结构组成及钻头形式如图1所示。

图1 跟进式管棚组成及钻头形式示例图

3.2 施工流程

施工准备→洞口土石方开挖→边仰坡防护→套拱施工→管棚钻孔及安管→管棚注浆→进洞准备。

3.3 施工方法

3.3.1 施工准备

施工前进行测量放样，核对现场实际地形是否与设计文件相符，应结合实际地形确定设计文件中的隧道明暗交界位置是否合理，如设计隧道明暗交界位置不合理则应联系业主、设计、监理等相关单位到现场确认后，进行调整。测量放样出隧道洞口边仰坡开挖线。

3.3.2 洞口土石方开挖

洞口土石方开挖前，结合地形先在边、仰坡开挖线3～5 m以外设置截水沟。对隧道洞口不稳定的地表土和山坡危石等进行清除、防护或加固，确保洞口安全。按照边仰坡开挖线，对隧道洞口的土石方采取拉槽开挖。边仰坡的开挖应自上而下进行，注意不能上下重叠开挖或掏底开挖。开挖方式为优先人工，配合机械开挖，如需进行爆破，应采用控制爆破以减少对边仰坡及围岩的扰动。

3.3.3 边仰坡防护

边仰坡防护要及时施作。边仰坡采用锚喷支护，钻孔安装长度为3.5 m、直径为42 mm、壁厚为4 mm的小导管，小导管设置间距为100 cm×100 cm。小导管灌注水灰比为(0.3～0.8)∶1的水泥净浆，挂B8钢筋网，钢筋网格间距为25 cm×25 cm，最后喷射10 cm厚C20早强混凝土。

3.3.4 套拱施工

开挖套拱基础，套拱基础开挖至基底后，复核基底地基容许承载力，如承载力小于设计要求值300 kPa，采用C15素混凝土进行换填基底，换填深度较深时，则应联系设计确定加固处理措施。浇筑基础混凝土，在基础上架立工字钢拱架，用连接钢筋焊接稳固，将导向管用C16钢筋箍焊在工字钢拱架上，外插角度为0.5°。按照套拱设计尺寸安装套拱模板，进行套拱混凝土浇筑。混凝土浇筑时，套拱左右侧必须对称浇筑，左右侧混凝土高差<0.5 m。

3.3.5 管棚钻孔及安管

待套拱混凝土强度达到设计强度的75%后，开始管棚钻孔。钻孔前，先将管棚孔从左至右按顺序进行编号。钻孔的整体顺序为先钻高位孔，再钻低位孔，以奇偶数孔交错跳孔施工为原则。钻孔开孔时，以低钻速低钻压进行钻进，管棚孔钻进到一定深度后再提高钻速钻压至正常值。钻进过程中，钻头牵引着管靴拉动管棚钢管，随着钻杆的钻进，管棚钢管跟着钻杆同步进入地层，通过接箍不断接长安装管棚钢管。钻到设计深度后，将钻头和钻杆从管棚钢管中间抽出，管棚安管完毕。

3.3.6 管棚注浆

注浆前，将开挖工作面用喷射混凝土封闭防止跑浆。在管棚钢管管口上焊接好止浆阀，进行止浆处理。开始注浆，管棚注浆的浆液为水泥浆，水灰比为1∶1。注浆应连续不间断，注浆压力初压为0.5～1 MPa，终压为2 MPa，压力达到设计压力后稳压时间为1～5 min。注浆后，及时清除干净管棚钢管内的水泥浆液，用M30水泥砂浆密实填充，以增强管棚的刚度和强度。

3.3.7 进洞准备

管棚施工完成后，在管棚注浆范围钻探孔对管棚注浆情况进行验证，确保管棚注浆效果合格后才能进洞开挖。隧道进洞前，要按照设计及规范要求在隧道洞顶布设好地表沉降监控量测点，并测取初始读数。

4 施工效果

隧道洞口管棚支护段采用三台阶七步开挖法施工，在隧道洞口浅埋段施工时，严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则。隧道洞口管棚支护段的施工过程中，经过对地表下沉、洞顶下沉及周边位移等三个必测项目的监控量测，变形速率与变形量均未超标，各项监测数据正常，隧道变形处于稳定状态。

5 施工注意事项

(1)隧道洞口开挖尽可能避开雨季。雨季施工时，应采取防止坍塌的安全保护措施。

(2)隧道洞口开挖前，要做好隧道洞口周边的截排水措施，防止洞顶积水软化围岩或冲刷洞口。

(3)套拱基底承载力必须满足设计要求，套拱一旦下沉开裂变形，套拱对管棚一端的支撑作用将失效，反之变成在管棚一端的负载。

(4)套拱内导向管的外插角度及方向位置要定位准确，管棚钻孔安管要及时纠偏。管棚钢管如外插角度过大，相同长度的管棚钢管所起到的有效支护长度将减短。管棚钢管如出现左右间距与方向偏差，随着管棚深度的加大，其间距可能出现过大或过小的现象，间距过大降低了管棚的支护效果，隧道开挖至此处易增加坍塌风险。

(5)管棚钢管之间的连接必须紧密，管棚钢管管节、接箍、管靴的螺纹不得有磨损，各部位连接时要拧紧螺纹。

(6)管棚注浆必须达到设计压力及理论注浆量，否则应查明原因并做相应处理。

6 结语

由跟进式管棚在来都高速某隧道洞口超前支护的应用中可以得到以下结论：

(1)跟进式管棚施工工艺方法简便，且超前支护效果出色，能有效解决在松散破碎地层成孔困难的问题。

(2)跟进式管棚施工时必须加强监管机制，施工过程严格控制各环节的质量是该工艺成功的基础与保障。在此工艺中，钻孔安管的角度及方向、管节间的连接、注浆等工序是重点与核心，必须定人实时监管。

(3)跟进式管棚工艺应用的成功与否，材料起到关键作用，必须选用优质、高性能的材料，尤其注意各部件接口的质量，确保能连接紧密牢固。

(4)从跟进式管棚工艺的原理及应用效果分析，此施工工艺也可应用于隧道洞内塌方段处理。