软岩富水条件下隧道高精度大管棚施工技术

鄢泽红

摘要：本文以宝峰隧道为工程背景，介绍了隧道超长大管棚施工技术的跟管导向原理及主要施工艺。施工监测结果表明：整个施工过程中地表沉降均匀稳定增长，数量较小，最终沉降控制在58mm以内，此种大管棚超前预支护技术在隧道施工中遭遇软弱围岩时可以确保施工安全快速进行。

关键词：隧道施工；大管栅超前预支护；软弱国岩安全

中图分类号：U455

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）05-0111-02

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引言

对于软弱围岩来说，加强掌子面前方围岩预加固技术的研究和开发是当前软弱囤岩隧道施工技术研究的主流。管棚支护是防止围岩坍塌及地表沉降的主要手段，经过多年来的不断实践与发展，管棚施工已成为浅埋暗挖隧道控制地面下沉和加强隧道围岩的主要施工方法，随着隧道施工标准的不断提高，管棚已经向超长、超大方向发展。

宝峰隧道是改建铁路扩能改造工程昆玉铁路控制性工程之一，隧道全长7377m，全隧均为V级围岩，宝峰隧道出口位于玉溪市北城镇刺桐关村东侧坡麓缓坡地带，线路为双线隧道；在D2K17+615处与既有昆玉铁路（YK18+845）相交，交角37°，隧道施工影响范围为D2K17+635-DK17+595段，此段埋深27m；该段围岩地层为（Pflhs）炭质板岩夹板岩（W3-W4），深灰、灰黑色，富水，岩体呈细角砾状，自稳性极差。为确保安全快速通过既有昆玉铁路，经多方研究决定，在开挖施工前，先进行预加固措施，即在此段拱部设一环φ159高精度定向大管棚超前支护，每根长50m，环向间距0.4m。

2 高精度大管棚施工技术

2.1施工工艺流程

施作管棚工作室→搭设钻机平台安装钻机安装导向钻头→钻孔跟钢花管→封堵孔口→注浆→效果检查。

2.2高精度大管棚施工

管棚是将花管（导管）安插在已钻好的孔中，沿隧道开挖轮廓外排列形成钢管棚，管内注浆，有时可加钢筋笼，并采用型钢钢架组合成预支护系统，以支承和加固自稳能力极低的囤岩，对防止软弱围岩的下沉、松弛和坍塌等有显著效果。

一般管棚施工存在施工距离短，工效低，支护效果差等缺点，宝峰隧道采用高精度大管棚施工技术，即导向跟管钻进搭设管棚方法。

2.3导向跟管钻进原理

导向跟管钻进是借鉴水平定向钻进技术发展而来。要旨在：钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向，据此确定钻进轨迹同设计轨迹的误差，利用能进行方向调节的导向钻头（一般软土层中用楔型钻头）改变钻进方位，从而确保按设计轨迹精确钻进。

导向钻头内装有特制的定位传感器，传感器通过信号线穿过钻杆连接孔外的显示器。显示器显示导向钻头的倾角和面向角（如图1所示，显示器上有一角度指示钟，导向板斜面朝下时为12点）。导向钻头钻进角度如果偏下，可以把导向钻头调到12点，即导向板斜面朝下，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的托力，导向钻头轨迹就会朝上运移。同理，在6点时纠偏可以使钻头钻进轨迹朝下，9点、3点时分别为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机匀速旋转钻进，导向钻头的钻进轨迹是平直的。

2.4导向跟管施工

2.4.1工艺

跟管钻进采用单动双管回转钻进工艺，具体施工钻具：外管由注浆套管与主动钻杆组合，内管由小钻头与主动钻杆共同组合而成。钻进过程碴土由内外管环空间隙通过复合接头处排除，当钻进进尺缓慢，套管内充填碴土较多排除不完全时，用内管钻具回转钻进排除套管内的碴土，完毕后接上外管钻具重新回转钻进，注浆套管用电焊机焊接牢靠，防止因钻具扭矩过大丝扣产生滑丝而脱扣现象，导致后续套管再无法接上。如此循环钻进直至注浆套管下至设计深度，然后退出内管钻具。

2.4.2注意事项

由于该围岩富水，采用风动钻机作业，并在导向管口按编号施工，顺序从低孔开始，在144°范围内，由中间往两侧对称交错施工。

开钻时，先低速低压，等成孔几米后，再加速加压。钻进过程中，必须沿钻机位确定的基线钻孔，随时检查钻孔方向的准确度，由于整个隧道均为V级围岩，富水破碎，自稳性极差，难以成孔，故采用跟进跟管方式成孔。

在钻孔施工中，为减少因钻具漂移或下垂引起的钻孔偏差，钻机立轴方向必须控制准确，钻进过程中根据导向显示器显示数据和钻孔长度采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求应及时纠正或调整。

钻孔过程中应根据钻进的速度、岩土取芯、司钻压力等情况判断此钻孔管段的地质情况，及时做好施工记录，并根据记录数据绘制地质剖面图和展开图，为开挖施工提供参考。

2.5孔口密封

用带连接注浆管的钢板与管棚钢管焊接牢固，注浆连接管可采用阀接式。将管棚钢管与钻孔环形空间用于硬砼料封堵密实，封堵环形空间前必须用压力风将孔口部位砼墙面上的泥土及浮尘清理干净。

2.6注浆

该段大管棚采用φ159，壁厚6mm的热轧无缝钢管，每节钢管两端加工成外丝扣，采用中168，壁厚10mm接头钢管加工成内丝扣，布置在拱顶144°范围内，管棚外插角为3°-5°。在光滑管上梅花形钻设注浆孔，孔径为100mm，间距1.5m，尾部2m范围内为止浆段，注浆采用BW-250泵对管棚进行注浆。

由于采用间隔施工大管棚，为了避免先期注浆结石影响后期成孔（主要是渗入地层中的水泥结石极易造成钻孔偏斜，诱发孔内事故），大管棚第一次注浆压力不宜过大，待周围管棚施工完成后加大注浆压力再次注浆。

注浆参数：水泥浆与水玻璃体积的比例为1：0.5；注浆采用0.5-0.8：1水泥浆，水玻璃浓度35°Be；水玻璃模数2.4，注浆压力为0.5-2.5Mpa。

采用kby50/70液压注浆机将双液浆注入管棚钢管内，初压0.5mpa-1.0mpa，终压2.5Mpa，持压15min后停止注浆。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，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。

注浆结束后及时清除管内浆液，并用30#水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。

注浆完成固结后随即采用三台阶加预留核心土的办法进行开挖。

3施工监测及效果评价

施工时，在既有线路40m范围内对既有线路地表进行沉降观测，每天观测两次。通过对既有昆玉铁路路基面、边坡进行监测，及时反馈信息，保证结构物的安全。

当既有线出现18m范围内大于4mm的三角坑、路基有沉降但小于15mm、两股轨道高程偏差大于8mm等情况时，及时将观测结果上报工务段以及相关单位，并同工务段配合人员共同做现场处理。同时增加监控量测频率，加大巡视力度，根据监控量测数据指导施工。

由上图2可见，施工前期地表沉降稳定在8mm以内，施工中期增加沉降逐步增加，进入施工期最后阶段，地表沉降趋于稳定，大约在32-57mm之间。整个施工期内地表沉降随施工量增加逐步增长，累计沉降保持在较小的范围内。

此外，隧道开挖只经历20天即通过既有昆玉铁路段，隧道开挖过程中没有出现任何坍塌事故，以上结果表明本支护结构效果显著，可以确保施工快速安全进行。

4 结语

4.1高精度大管棚优点

能有效控制棚管搭设方向，精度高，外插角可调节；

管棚施作距离长，工效高，一次性施作可超过100m：

将钢管作钻杆直接打入，不扩大孔位，注浆后地面沉降接近零；

孔底注浆，孔口返浆，必要时封口注浆，可硬化管外土体；

能按特殊要求的轨迹钻进，在隧道内搭设管棚无需预设导向管。

4.2对于隧道的软弱破碎围岩地段、浅埋地段采用长大管棚施工工艺，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。

4.3在软弱围岩施工中，及时封闭断面是极为重要的。长大管棚钻孔结束后应立即注浆，使浆液有效扩散半径重叠，形成合理的棚架受力结构。

4.4不能将管棚施工单纯地看作一种隧道施工的超前支护手段，而应作为超前支护、超前探测和施工监测的综合手段，形成新的管棚设计和施工理念。

4.5通过施工监测验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性，并及时的为调整支护参数和施工方法提供依据，以确保和优化下一步施工参数，做好信息化施工，保证施工质量。