大管棚超前支护在浅埋隧道洞口施工中的应用

胡芝智

1 工程简介

重庆市轨道交通三号线龙头寺站—设计终点站区间隧道全长419.824 m，本区间共拟定了7种内轮廓类型，其中Ⅳa形、Ⅳb形为单洞四线隧道，Ⅳc形、Ⅳd形、Ⅳe形为双洞四线连拱及小净距隧道，Ⅳf形、Ⅳg形为三洞四线连拱及小净距隧道。Ⅳa形、Ⅳb形均采用曲墙三心圆断面，Ⅳc形～Ⅳg形大洞采用曲墙三心圆断面，小洞采用直墙拱形断面。Ⅳa形断面隧道上覆土层厚度0.3 m～3.8 m，为浅埋隧道。隧道围岩级别Ⅳ级，下伏基岩以泥岩为主夹薄层状砂岩。隧道围岩裂隙较发育，岩体呈块状结构，岩体较完整，地下水类型为基岩裂隙水。

2 大管棚超前支护原理

管棚超前支护是利用钢拱架与沿开挖轮廓线，以较小的外插角、环向按照一定的间距向开挖面前方打入钢管或钢插板构成的棚架，并在钢管内进行压力注浆，来形成对开挖面前方围岩的预支护。为开挖及初期支护作业提供了安全保障;浆液固结后钢管和围岩之间组成了一个共同的固结环，其整体刚度加大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受早期围岩压力。

3 大管棚超前支护设计参数

3.1 大管棚设计参数

1)钢管规格:采用φ 108 mm，壁厚 6 mm的有孔热轧无缝钢管，钢管前端呈尖锥状，尾部焊接100 mm加劲箍，钢管四周钻四排φ 15 mm压浆孔。钢花管内设置钢筋笼，钢筋笼主筋4φ 25，采用φ 42钢环(壁厚 4.5mm)作固定环，固定环节长40 mm，与钢筋笼主筋焊接，钢花管大样图见图1。2)管距:环向间距为45 cm;外插角:1°。3)纵向同一断面内钢花管接头的位置应相互错开不小于1 m，管棚节长度为6 m+6 m+6 m+6 m+6 m+5 m或5 m+6 m+6 m+6 m+6 m+6 m。

3.2 注浆参数

1)注浆压力初压0.5 MPa～1.0 M Pa，终压 2.0 MPa。2)水泥浆水灰比1∶1。3)水泥标号32.5R普通硅酸盐水泥。4)水玻璃波美度为35，模数2.4。

3.3 套拱参数

1)套拱作为洞口管棚固定端，套拱长1.2 m，拱内设三榀 22b工字钢，在其中布设79个φ 127 mm壁厚4mm孔口管，见图2。2)孔口管用φ 16钢筋固定，孔口管与22b工字钢焊为整体。3)套拱采用C30早强混凝土。4)套拱应置于基底承载力不小于0.35 MPa的基岩上。

4 大管棚施工

4.1 明洞边坡仰坡开挖支护

1)明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行，应尽量避开雨季施工。

2)边坡防护应与明洞开挖同步进行:及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。

3)对边坡渗水要及时排、引到坡面外，加强对坡面的防护。

4.2 施作套拱

1)混凝土套拱作为长管棚的导向墙，套拱内埋设钢筋支撑，钢筋与管棚孔口管连接成整体。

2)用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置;用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角;用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。

4.3 搭钻孔平台安装钻机

1)钻机平台用钢管脚手架搭设，钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。

2)平台支撑底部垫钢板和混凝土垫块，保证连接牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

3)钻机定位:测量放样出隧道设计轮廓线，用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法按45 cm的间距标出管棚的位置。反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

4.4 钻孔

1)把套拱中预埋的钢套管作为导向管，采用直径127 mm钻头进行钻孔。掌子面按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。

2)钻孔前先检查钻机机械状况是否正常。

3)钻机开钻时，可低速低压，待成孔1.0 m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压，特别是钻头遇到夹泥夹砂层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。

4)钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。

5)钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

6)认真做好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。

4.5 清孔验孔

1)用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。2)用高压风从孔底向孔口清理钻渣。3)用经纬仪、测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。

4.6 安设管棚

1)钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。

2)钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15 cm。接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。

3)及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀，并检查焊接强度和密实度。

4)再次清孔并将钢筋笼插入钢花管内。

4.7 管棚注浆

注浆施工工艺见图3。

5 效果评价

1)对注浆加固区进行钻芯取样，浆液的填充情况基本良好。2)开挖过程中进行掌子面观察，没有发现大量涌水出现，也未出现管棚侵入开挖断面。3)对洞口段的收敛变形、拱顶下沉、边坡位移、锚杆受力、钢拱架及钢筋应力等方面进行了全面的监测。监测结果表明:布设监测点的断面基本处于稳定状态，能够满足设计和规范要求。

6 结语

工程实践证明，大管棚超前支护在龙头寺站—设计终点站区间隧道洞口开挖中得到成功应用。利用大管棚工法的梁效应和固结效应，使注浆体和管棚连成一个整体而受力，在隧道开挖轮廓线外形成一个环向的支撑体，既能阻止松散围岩的坍塌又能有效控制沉降，为隧道进洞的安全、顺利施工创造了条件，是新奥法与其他辅助施工方法的有效结合。

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