大管棚超前支护进洞施工技术在伏龙坪隧道施工中的应用

李晓娟

兰州铁道设计院有限公司（730000）

现代隧道技术中，大管棚超前预支护技术在我国地下工程施工处理特殊及不良地质隧道中，得到了广泛的应用，并取得了较好的效果。在隧道开挖前沿开挖轮廓线钻设与隧道轴线平行的钻孔，然后插入不同直径的钢管并向管内注浆，固结管周围的围岩形成棚架支护体系。主要作用是提高管周围岩体的抗剪强度，达到加固围岩并扩散围岩压力的作用；大管棚结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷重，适时提供隧道开挖后面支护尚未施作或发挥作用前所需的支撑力，使隧道开挖面得以安全稳定并同时支护和结构形成空间支撑系统。

1 工程概况

伏龙坪隧道位于兰州市。隧道设计为上下行分离四车道双管公路隧道，上行线全长662 m，下行线全长661 m，上下行线线间距为30 m，最大埋深为69 m。隧道围岩岩性为黄土状粉土，土质疏松、不均匀，夹有小砾石，垂直裂隙发育，整体性差，极易发生坍塌或塌方。

下行线隧道东口端与安定门立交相接为大跨三车道断面，跨度为19.12 m，进洞施工极其困难，因此采用φ108大管棚支护和φ42小导管联合超前支护措施，同时采用型钢钢架及喷射混凝土进行初期支护。管棚长30m，环向间距30 cm，详见图1。

2 伏龙坪隧道下行线东口工程环境

隧道洞口的工程环境复杂，隧道顺利进洞是该隧道施工的关键。施工时必须对隧道洞口的地形、地质、气象与隧道周边的环境影响因素进行综合分析。

1）地形

隧道隧址区地形以黄土丘陵为主，次为黄土梁峁，阶地与干沟发育，隧道穿越地形的山体地形起伏较大。

2）地质

隧道地质条件为黄土覆盖的基岩山脊，地层为黄土状粉土。

3）气象

隧道址区地处中纬度大陆内部，为温带半干旱大陆性季风气候,四季分明,气候差异明显,降水量少。

4）周边环境

隧道上方地表分布有大量的民房，民房为砖房平房，一般没有地下深基础。

3 伏龙坪隧道超前管棚支护施工

3.1 支护参数

钢管采用热轧无缝钢管，外径108 mm，壁厚5 mm。每节钢管长6m，两端均预加工成外丝扣，以便连接接头钢管；环向间距为30 cm；钢管轴线与衬砌外缘线夹角 1～3°。

为提高导管的抗弯能力,在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环,主筋直径为φ18，固定环采用短管节,节长5 cm，将其与主筋焊接，按1.5 m间距设置。为提高刚度,在管棚的钢管内压注M20水泥砂浆。

3.2 施作导向墙

3.2.1 为了保证管棚方向、角度的施工精度施作管棚导向墙

导向墙在隧道外轮廓线以外施作，采用C20混凝土，截面尺寸为1m×1m，环向长度为1m。为保证其基础稳定，防止其出现沉降变形影响隧道洞口和周围边坡的稳定性，导向墙拱脚下进行加大底面面积和深度的处理（见图1）。导向墙内设2榀工18钢架（见图2），钢架外缘设φ140壁厚5mm导向钢管，钢管与钢架焊接。钢架各单元由连接板焊接成型，单元间由螺栓连接。

3.2.2 孔口套管间距、位置及方向应准确

用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置，用激光导向仪设定孔口管的倾角，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。

3.3 钻机就位及钻孔

3.3.1 钻机就位

钻机平台采用钢管脚手架搭设，支撑连接应牢固、稳定,防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响施钻质量的现象发生。要求钻机与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。

3.3.2 钻孔及事故处理

为了便于安装钢管，钻头直径采用127mm。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。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，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，指导洞身开挖。

3.3.3 清孔验孔

用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣到孔底,从孔底向孔口清理钻渣，用经纬仪、测斜仪等检测孔深、倾角、外插角。

3.4 管棚钢管安装

管棚钢管采用专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径20 mm注浆孔，孔间距40 cm，呈梅花型布置，管头焊成圆锥形，以便于入孔。钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。棚管顶进采用装载机和管棚机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后用装载机在人工配合下逐节顶进钢管。

钢管采用长6m的管节逐步接长；采用丝扣连接，连接头采用114×6mm厚管箍，上满丝扣，丝扣长度不小于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。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1 m。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。

钻孔完毕后安排送管，可以先送单数管或双数管，相邻两根管的接头位置错开至少3m，导管送到位后要及时固定、焊接堵头，为防止大管棚接头位置初期支护钢架过大变形,要加强小导管注浆支护。

3.5 注浆

1）安装好有孔钢花管、放入钢筋笼后即对孔内注浆，浆液由高速制浆机拌制。注浆压力达到0.5～1.0 MPa，并持压5min以上时可停止注浆并封堵注浆口。

2）注浆时插到孔底的塑料排气管冒出纯浆液后，用螺帽封堵排气口。

3）注浆量的确定。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍；若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。

4）注浆要求。注浆前用清水试压管路，检查管路是否连接紧密，如有问题及时处理。排气管要通到底，以防孔内压注空气浆液不能注到孔底。

3.6 堵孔止浆

堵孔质量的好坏，直接关系到注浆效果。堵孔包括钢管自身的封堵和钢管与孔壁之间空隙的封堵。管棚最外端3 m范围内不设置注浆孔。钢管与孔壁间空隙的封堵采用锚固剂或水泥砂浆封堵，封堵材料装入孔内不小于2m长度，确保封堵密实。

4 结语

1）大管棚超前预支护加固围岩在伏龙坪隧道洞口软弱破碎围岩地段得到成功运用。浅埋地段采用大管棚施工工艺，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，提高隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。

2）通过大管棚超前预支护，改善了围岩稳定状况，在大管棚超前预支护下开挖，可有效的减少地表下沉和防止围岩坍塌，保证了施工安全和施工质量，确保了隧道施工的顺利进行。

3）管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可为指导洞身开挖提供依据。