松散地质隧道工程超前大管棚支护施工技术

尚伟

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

隧道工程地质条件复杂，隧道开挖及其他项目施工会对隧道围岩造成较大的扰动，若情况严重，还会发生涌水、突泥等安全事故，影响隧道工程施工的安全性和施工效率。超前大管棚支护具有很大的刚度和强度，如果在隧道施工中发生塌方问题，渣土、岩石等只会掉落在管棚上部。管棚具有良好的缓冲作用，即便是遇到比较严重的问题，导致管棚发生失稳，管棚也可降低破坏程度，为隧道开挖和其他施工营造相对良好的环境，保证施工的安全性[1]。近年来，超前大管棚支护施工技术得到了进一步发展，使用长度大幅度增加，管径也随之扩大，因此，带来的施工难度也随之增加。若隧道工程长度都比较长，如何保证大长度下，超前大管棚支护及注浆效果，是应用超前大管棚支护技术必须解决的问题。早期施工方法中分段、分块注浆施工效率低，而且无法保证长距离注浆效果，已经难以满足目前超前大管棚支护施工的要求。在屏峰山隧道松散地质超前大管棚支护中，如何控制施工导向，确保注浆效果，保证隧道围岩结构的稳定性，是目前亟待解决的问题。基于此，开展松散地质隧道工程超前大管棚支护施工技术的分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

屏峰山隧道位于嵊州市鹿山街道舍姆岗村，穿越屏峰山，隧道全长左线665 m，起讫桩号：ZK1+550～ZK2+215；右线655 m，起讫桩号：K1+540～K2+195。该隧道为小净距+分离隧道，最大埋深约84 m。左右幅隧道出口段均为下坡，左线纵坡坡度为-2.50%/450 m，-2.446%/215 m，右线纵坡坡度为-2.50%/655 m。左线进口明洞为6 m，出口明洞25 m。右线进口明洞24 m，出口明洞30 m。隧道进出口洞门均为端墙式洞门。设计行车速度30 km/h。隧道限界：净宽13.25 m(单洞)，净高5.0 m。地震设防烈度为Ⅵ度。

案例隧道工程的调查区域为剥蚀丘陵区域，山顶为玄武岩台地，地势起伏较大，周边为低山丘陵区，山脉走向以东南—西南向展布为主，沟谷发育，山体坡度变化较大，地势呈中间(山顶)高，东西两侧(坡度及山谷)低。隧道出洞口位于丘陵西侧坡麓冲沟处，坡度较缓，植被茂盛，表部自上而下分别为种植土、残破积含砾粉质黏土，下伏中风化砂砾岩，层状构造，岩石属软岩。隧道出口段洞身需穿残坡层、强风化及中风化基岩，埋置浅，地下水类型主要为潜水和基岩裂隙水，雨季具有一定汇水面积，水量较大。隧道施工时风化基岩可能会有少量出水现象。围岩破碎，稳定性差，易发生坍塌、掉块。

2 超前大管棚支护施工的重难点

超前大管棚支护的工作原理是在其开挖洞顶的轮廓线外一定角度范围内，按照一定间距超前打入一个大型环向钢管，并利用钢管向其松散岩层中压注水泥浆，从而固结管棚周边的围岩，有效改善原本松散破碎岩层物理性质，形成大型的环向钢管棚架。通过这种方式能够有效提高土体强度，抵御形变，且操作相对简便，加固效果理想，能够有效起到超前支护效果[2]，提升隧道工程安全，值得推广。

在超前大管棚支护施工中，经常需采取浅埋暗挖施工方法，易引起施工区域水土流失，进而引发地表下沉，影响施工安全，且不利于生态环境的保护。此外，案例工程超前大管棚支护施工长度比较长，难以控制施工导向，注浆效果也难以保证，这些都是本工程施工的重难点。

3 超前大管棚支护施工方法

3.1 超前地质预报

超前地质预报是隧道工程超前大管棚支护施工的第一步，为降低影响程度，需要做好超前地质预报，以便于有效调整施工方案。通过地质素描、地质勘查、TSP地震波反射等方法探测和分析隧道前方的地质条件，做好地质预报分析，为制定隧道工程超前大管棚支护施工方案提供有效的数据支持，从而更好地规避地质风险，保证隧道工程超前大管棚支护施工的有效性[3]。在本工程施工中，超前地质预报选择用地质雷达对掌子面前方围岩进行预测，通过发射天线发射中心频率在12.5～1 200 MHz，脉冲宽度为0.1 ns的脉冲电磁波，电磁波在均质底层中会匀速传播，如遇岩溶、裂隙、富集水等不良地质，会立即返回到接收机，接收机和计算机互联，就能确定隧道地质条件以及不良地质的范围、规模、距离掌子面的距离等，从而为隧道工程超前大管棚支护施工提供真实有效的数据支持。

3.2 合理选择施工材料

在本工程施工中，超前大管棚支护布置在隧道出口段，防止隧道开挖发生塌方和仰坡变形。本隧道的超前大管棚支护，左洞支护长度需要达到80 m，右洞需要达到70 m，管棚每次可支护的长度控制在10～45 m即可满足施工要求，在超前大管棚支护之间可设置超前小导管支护，相互间的纵向水平搭接长度控制在3 m以上。

本隧道超前大管棚支护中，钢管选择了Φ108 mm×6 mm热轧无缝钢管，钢管连接处采用丝扣长度不小于15 cm的厚壁套筒进行连接，保证每节钢管的长度在4～6 m，每处的结构和相邻钢管接头之间的距离不能小于50 cm。本隧道超前大管棚支护布置在隧道拱部120°范围内，每环46根钢管偏离设计位置的施工误差控制在20 cm以内，沿着隧道纵向相同断面，接头数量不能超过50%，而相邻钢管接头必须错开1 m。

本隧道超前大管棚支护选择的管棚节长有2种，一种是4 m，另一种是6 m。在具体施工中，为最大限度提升管棚的刚度，在注浆结束后，管道内部要以M30号水泥砂浆进行填充。为有效保证钻孔方向，在明洞衬砌外部设置了厚度为50 cm的C30混凝土套拱，其纵向长度为2.0 m。为提升套拱的强度，在套拱内部设置I18a钢架，间距为50 cm，钢架顶部混凝土保护层厚度为20 cm，为方便本隧道超前大管棚支护，在套拱内部还要设置Φ140 mm×4 mm孔口管，通过直径为20 mm的钢筋将孔口管定位，并焊接到套拱内的工字钢架上。在松散地质隧道工程施工中，突水、涌泥灾害会对隧道正常施工造成严重的干扰，给人员安全、工程工期带来不利影响[4]，为控制隧道突水、涌泥等，考虑到超前大管棚支护钻进时，钻头发生下垂问题，孔口管可设置3°的仰角。本工程套拱施工大样图如图1所示。

图1 套拱大样图(单位：cm)

3.3 导向墙施工

在隧道明挖施工预留的台阶上，通过脚手架搭设作业平台，安装上I18a工字钢4榀，间距控制在50 cm左右。各工字钢之间通过直径不小于20 mm的钢筋进行纵向连接，以提升钢架整体结构的稳定性。管棚中心线在隧道开挖轮廓线内侧70～90 cm位置，呈现框架式分布，设计外插角为3°，在第一层管棚施工完成后，向前开挖5 m后，再进行第二层管棚施工[5]。在工字钢上部安装和固定导向管，保证导向管安装过程中，仰角控制在1°～2°，在本工程施工中导向墙内模用工字钢作为内支撑，并在上部铺设木板，外模则采用直径为20 mm的钢筋作为支撑，以保证支撑的牢固性。以免在混凝土浇筑过程中发生变形，导向管、模板需要进行质量检验[6]，确认达标后，再浇筑上C30混凝土，本工程导向墙的纵向长度为2 m，厚度为80 cm，具体施工现场如图2所示。

图2 导墙施工现场

3.4 套拱混凝土浇筑

本工程超前大管棚支护数量大，支护范围长，为满足混凝土浇筑的连续性，混凝土采用集中拌合，通过运输车运输到施工现场，采用机械配合浇筑C30套拱混凝土，浇筑和振捣同时进行，以保证混凝土的密实度符合要求。导向墙采用C30混凝土，截面尺寸为0.5 m×2 m，管棚钢管轴线和混凝土衬砌外缘夹角控制在3°以下，注浆水泥浆液水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～2.0 MPa[7]。

3.5 超前大管棚施工

以导向墙内的导向钢管定位、定向，严格控制其上抬量和角度，将外插角控制在3°。开孔位必须准确，保证各开孔孔眼和终孔都在同一个界面上，避免存在较大的偏差和变形。在钻孔时采用风动干钻法成孔。钻孔过程中，风动冲击回旋钻头的直径、钻压、转速等要结合施工工艺确定好工艺参数，钻孔现场如图3所示。

图3 超前大管棚支护钻孔现场

钻孔到位后及时用高压风清扫钻孔，之后对钻孔的质量进行详细检查，确认达到施工要求后，通过钻机将钢管旋转进入钻孔中。管棚钢管在加工厂集中加工，而在顶进过程中钢管需要分节接长。在管棚节连接时可采用丝扣连接，隧道纵向相同截面处，钢管接头数量不能超过50%，并保证钢管接头能够适当错开[8]，第一节采用4 m和6 m的长度交替布置，之后都采用6 m的长度钢管，钢管通过钻机缓慢顶进。

管棚钢管安装顶进前，先进行孔道扫孔作业，目的是清除孔内岩碴，以顺通孔道。管棚钢管由机械顶进，钢管节段间用丝扣连接[9]，顶进时，节长4 m或6 m的管节交替使用，以保证隧道纵向同一断面内的接头数不大于50%，管壁上按照设计要求钻注浆孔。管棚顶到位后，钢管与导向管间隙用速凝水泥等材料堵塞严密，以防注浆时冒浆。

3.6 注浆施工

当钢管顶进完成后，及时用高风压对钢管中的杂物进行清理，管口位置可采用麻丝、锚固剂联合封堵，钢管自身通过孔口安装的封头将密封圈压紧，并在压浆管口上安装三通接头，注浆施工现场如图4所示。

图4 注浆施工现场

超前大管棚支护施工中注浆是非常重要的一道工序，为保证施工质量，本工程在注浆时，采用全孔压入式向大管棚内压注水泥浆液，注浆设备可采用高压注浆泵，按照先下后上、先稀浆后稠浆的原则间隔跳孔进行注浆[10]，初始注浆时压力可控制在0.5～1.0 MPa，终压控制在2.0 MPa，达到终压后需要稳压10 min以上，再停止注浆。

超前大管棚支护注浆施工中需要按照固结管棚周围有效范围内的土体设计，将浆液扩散的半径控制在0.7δ以上，δ为相邻两根钢管的中心距离。水泥浆液中可添加体积5%的水玻璃，可通过现场试验确定注浆参数，本工程选择的注浆参数如表1所示。

表1 超前大管棚支护注浆参数

3.7 计算结果分析

为便于超前大管棚受力分析计算，可选择拱顶，拱部左侧30°、60°的3根管棚，分别记为1号管棚、2号管棚、3号管棚，并对其进行分析。3根管棚各自的剪力大小在管棚纵向长度上的分布规律如图5所示。

图5 超前大管棚剪力纵向分布规律

从图5可看出，在隧道工程上台阶开挖时，会引起超前大管棚剪力发生剧烈变化，在下台阶开挖时，造成的影响比较小。从管棚剪力值可以看出，1号管棚的剪力值大于3号管棚的剪力值，3号管棚的剪力值大于2号管棚的剪力值。其中剪力最大值位于掌子面前方1.5～3.0 m(管棚纵向11～12单元)。1号管棚的最大剪力值为24 kN，3号管棚的最大剪力值为16 kN，2号管棚的最大剪力值为12 kN。管棚的剪力值在掌子面前后-1～6 m(管棚纵向1～2单元及10～14单元)，其剪力值为正数，其余部位的剪力值为负数。

4 施工效果分析

在案例工程超前大管棚支护施工中，通过超前地质勘探和超前大管棚支护相互结合的方法，保证了隧道围岩结构的稳定性，为隧道施工营造了良好的环境，有效降低了地质灾害发生的几率和危害程度。同时，为更改设计方案和施工方案提供了可靠的依据，有效保证了隧道施工的安全性，取得了良好的经济效益。

5 结语

综上，松散地质隧道工程采用超前大管棚支护施工技术可有效提升隧道围岩的安全性和稳定性。但需要注意，超前大管棚支护难度比较大，需要结合隧道工程实际情况，严格把控各道工序，才能发挥出超前大管棚的预期效果。通常情况下，超前大管棚支护施工技术多应用在地质条件比较差的地段，支护长度通常在20～30 m，管棚多选择壁厚为6 mm的钢管，直径为108 mm。超前大管棚支护既能作为顶板使用，也可以作为侧壁支撑，可为后期施工提供良好的环境，而且施工速度快、安全性系数高、工期短，是解决隧道施工中冒顶问题的最佳技术。