软弱浅埋隧道洞内长管棚施工工艺研究

陈亮

一、前言

随着我国交通建设的迅速发展，在建筑物林立的城镇区域地下修建隧道将越来越多，如何在不影响地表建筑物和地表道路通行安全的前提下进行隧道施工将是我们面临的一个新课题。

在厦门至安溪城际快速路岩内隧道穿越城镇房屋段、道路段施工中，针对隧道围岩自稳能力差、埋深浅的特点，运用Φ108 mm洞内大管棚进行隧道超前预支护，保证了地表房屋、道路和隧道施工的安全，节省了资金，取得了良好的社会和经济效益。

二、工艺特点

1、受力性能好，管棚因采用钢管作纵向预支撑，又采用钢拱架作环向支撑，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。

2、适用范围广，对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。如用于土砂质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育的岩体、断层破碎带、浅埋有显著偏压等围岩的隧道。

3、施工平台易于搭设，设备体积小，机动性强，机械易操作，劳动强度小，机械化程度高。

4、管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可指导洞身开挖提供依据。

5、可以确保隧道施工安全，不塌方。

三、适用范围

1、软弱围岩、不良地质的隧道施工。

2、既有建筑物和道路下的隧道施工。

3、对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。

四、施工工艺

1、工艺原理

工艺原理：大管棚超前支护技术，是沿隧道洞身开挖轮廓周线钻设与隧道平行的钻孔，而后插入大直径钢管，并向管内注浆固结管周边围岩，从而在预定范围内形成棚架的支护体系，起到对围岩超前预支护的作用。

2、工艺流程

3、大管棚主要参数

（1）钢花管规格：热轧无缝钢花管φ108mm，壁厚6mm，节长3m、6m；

（2）管距：环向间距中至中为40cm；

（3）倾角：仰角1°～3°（考虑钻杆下垂）；

（4）钢管施工误差：径向不大于2cm，沿相邻钢管方向不大于10cm；

（4）隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少须错开1m。

4、施作洞内导向墙

（1）施工洞内大管棚工作室，首先采用单层超前注浆小导管（外插角400～500）进行挑顶预加固，通过4m范围工字钢架渐变抬高80cm，使得洞内管棚可进行下一步导向墙施作（见上图）；

（2）预埋导向管为Φ127 mm无缝钢管，壁厚5.5 mm，节长2 m；

（3）导向墙在隧道外轮廓线以外施做，导向墙内埋设5榀间距为50cm的I18工字型钢支撑，钢支撑与预埋导向管焊成整体，且预埋管要有1°～3°的上抬坡度；

（4）I18工字型钢之间采用螺栓连接，仰坡中预埋锚固筋要与工字钢焊接，避免在浇注混凝土时移位。导向墙长200m，厚为80cm，混凝土采用C30混凝土。

5、大管棚钻孔施工

（1）搭钻孔平台安装钻机

1）对大管棚孔位进行编号，从一侧顺次编号；

2）利用预留的开挖土，在其上用枕木或钢管脚手架搭设钻机工作平台，并随钻机位置进行搭建或拆除；

3）钻机平台要着实地，钻机要与钻机平台连接成整体，确保钻机稳定，防止在施钻时钻机产生下沉、摆动、位移等影响钻孔质量；

4）钻机定位：钻机要求与已设定好的预埋导向管方向平行，必须精确核定钻机位置。用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合；

（2）钻孔

1）钻机就位前要在平整场地上对钻杆进行试装，根据35m连接好的鉆杆的挠度调整钻杆钻进角度，确保大管棚不侵线，也不上扬过高，影响大管棚施工质量；

2）为了便于钢管顶进以及注浆扩散，钻头直径采用Φ115 mm；

3）钻孔先施作编号为奇数的孔位，由低孔位向高孔位对称进行施工，钻好一个孔位安装一根钢花管；

4）待编号为奇数号孔位施工完成后进行注浆，再施作编号位偶数的孔位，并由高孔位向低孔位对称进行施工，同时钻好一个孔位顶进一根钢花管；

5）若钻进时出现坍孔、卡钻、涌水，需补注浆后再钻进；

6）钻机开钻时，先宜低速钻进，待成孔10 m后可加快钻进速度，但要根据地质情况对钻进速度进行调整，避免成孔卡钻现象及保证成孔质量；

7）钻进过程中经常用检测钻杆角度及位置；

8）在钻孔过程中及时用高压气通过钻杆，从孔底逐渐向孔口清理钻渣；

9）认真作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。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

6、安装管棚钢花管

1）采用挖掘机进行顶管，顶进第一根后，人工将丝扣和下根管上好，再采用挖掘机将第二根顶入，依次循环；

2）钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm。为使钢管接头错开，同一断面上不超过50%，因此编号为奇数的第一节管采用3m钢管，编号为偶数的第一节钢管采用6m钢管，以后每节均采用6m长钢管。钢花管前端均应焊成15cm长锥头，便于钢花管顺直顶入孔内；

7、注浆：大管棚注浆按劈裂注浆进行设计，注浆采用分段注浆。

1）浆液采用水灰比为1：1-1：1.5的水泥净浆；

2）注浆分两次进行，即第一次是编号为奇数号的孔位钻孔及钢花管施工完成后，对编号为奇数号的孔位进行注浆，第二次是编号为偶数号的孔位钻孔及钢花管施工完成后，对编号为偶数号的孔位进行注浆；若奇数孔位注浆不密实，可通过偶数号孔位注浆填充密实；大管棚在注浆前要在将钢花管与预埋导向管间空隙用水泥砂浆封堵，避免漏浆；

3）通过焊接在钢花管上的止浆阀对大管棚注浆，注浆压力为0.7～1.0MPa，在压力达到1.0后持续15min；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；

4）注浆时要关注注浆机压力表的变化，若出现压力表指示持续在1.0MPa以下，则要停止注浆进行检查，长见的原因为注浆机出现故障、浆液从地表窜出、与地表径流相通，可依实际情况采取稍停注浆或调整浆液的方法处理。

五、机具设备

表1 机具设备

设备名称 单位 数量 型号及规格用途

管棚施工机具 钻机 台 1 YG-60工程专用钻机

空气压缩机 套 3 L-22/7

焊机 台 2 SKH-500

双轴式搅拌机 套 1 JS500A

挖掘机 台 1 PC320

注浆机 台 1 YSB250/120型

六、劳动组织

采用三班制，每班11人组成，详见表2。

表2 劳动组织

序号 工种 职责范围 人数

1 工班长（机长） 负责施工管理 1

2 钻工 负责钻机操作 3

3 电工 负责电路畅通 1

4 电焊工 负责点焊 1

5 普工 协助施工 4

6 技术员 掌握技术、控制质量标准 1

七、质量控制

1、钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。

2、套拱工字钢架安装垂直度允许偏差为±2°，中线及高程允许偏差为±50mm。

3、钢管采用逐节接长，编号为奇数的第一节用3m，编号为偶数的第一节钢管采用6m钢管。钻孔顺序由高孔位向低孔位进行，管棚外插角以不侵入隧道开挖轮廓线越小越好，相邻的钢管不得相撞和立交。

4、经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。

5、掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

6、在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。

八、安全措施

1、对全体施工人员进行安全教育，树立安全第一的思想，不得盲目追求进度。

2、洞内掌子面及时进行加固和封闭，及时进行工作室的施作，防止暴露时间过长而出现失稳。

3、认真做好超前地质预报和监控量测工作。

4、钻孔时严禁无关人员触摸钻机，随时注意钻机的运转情况，发现电机过热，应停机冷却、检修。

5、注浆时，作业人员要戴口罩、防护眼镜和胶手套，并与作业面保持5m以上距离。观察人员应站在注浆混合器的侧面，以防浆液喷出伤人。

6、洞内各种管线布局合理，通风情况良好，施工用电符合安全规范要求。要求电工和焊工以及机械操作手持证上岗，无证人员坚决予以辞退。

九、环保措施

本工法采用的环保标准和依据为《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国水污染防治法》、《中华人民共和国固体废物污染防治法》。

环保措施及施工中的注意事项

1、做好施工现场的卫生管理工作，生活垃圾指定定点倒放，生产垃圾和废料统一分类堆放及管理，施工和生活污水指定排水沟排放。

2 、钢筋加工场和混凝土搅拌站进行场地硬化，周围做好排水沟和沉淀池，工程完工后及时进行清理、复耕和绿化。

3 、做好隧道周围植被和鱼塘的保护工作，以及隧道内通风措施，确保隧道内空气质量。

4、严格执行《建筑工地场界噪声限值》（JB12523），控制和降低施工机械和运输车辆造成的噪声污染。

十、效益分析

本工艺与其他的洞内加固措施（比如洞内预注浆加固处理）相比，更好的解决了在隧道下穿既有道路和建筑物时隧道施工所带来的地表沉降和洞内拱顶沉降问题，同时也避免了对既有公路改道和建筑物的搬迁。本工艺的采用既确保了隧道施工的安全可靠，又节省了由于既有改道和建筑物搬迁造成的成本，创造了很好的经济和社会效益。

十一、工程實例

厦安城际快速路岩内隧道出口段下穿既有公路段，隧道埋深5～7m。该段围岩土层主要由素填土、含有机质高液限粘质土、中液限粘质土、含细砂粒土中砂及残积低液限粘质土构成。由于该段地势较低洼，地下水丰富，围岩土体自稳能力差，又具有泡水易软化、崩解，使其强度降低的特征，在地下水作用下易产生“突泥”、“流砂”及掌子面坍滑等不良现象。隧道穿越既有公路为进出岩内村的重要通道，车流量大，又为当地运输石材重车的必经之道，重车荷载达60～80t，公路周围为人口居住密集区域，无改道条件。

因此隧道采用长Φ108大管棚做超前预支护，顺利的通过了浅埋软弱围岩公路段。实践证明，Φ108长大管棚做超前预支护，在穿越城镇房屋段、道路段施工中是安全、可靠、可行的。