高速公路隧道工程中的洞口超前支护施工技术

2020-12-01罗文

四川建材 2020年11期

罗文

(中交四航局第一工程有限公司，广东广州 510310)

1 工程概况

开春高速TJ05施工段共有隧道4座，总长2.828 km，短隧道有新龙1#隧道、新龙2#隧道以及茶园坳隧道3座，长隧道有双悦岭隧道1座，全部为分离式隧道，围岩级别为III～V。III级围岩约占17.6%、IV级围岩约占36.1%、V级围岩约占46.3%。

2 超前支护施工技术概述

超前支护施工技术通常应用于地形特点较为复杂的隧道工程中，这是在前期展开工程面开挖作业时利用锚杆及钢管进行超前支护的一种新型施工方式，可以实现对地质围岩的加固、稳定，从而确保边坡的稳定性以及隧道施工的安全性。总的施工原理是借助导向架、管棚等构件，在公路隧道进行开挖时采取有效措施使钢管顶入，同时以锚杆固定的方式完成围岩的预支护作业，确保开挖工作面的稳定不变形，为后续环节的施工打下坚实的基础。

针对地质特点相对复杂的施工场所，为达到超前支护的目的，应做好充分的辅助及支撑工作，在开展超前支护作业前应进行准确的测量放样，确保前期准备工作全面充分；然后根据施工方案以及设计图纸要求展开隧道明洞的开挖作业，并结合公路隧道的实际地质特点、气候条件、周围环境等因素，合理确定支护的设置情况，如管棚、钢筋、锚杆等。最后，采取先进的技术监测公路隧道明洞的强度，避免出现坍塌现象，当强度不符合要求时应进行支护以及二次衬砌，从而确保公路隧道的整体强度以及施工面的平整度。

3 公路隧道施工中要做好地质勘查工作

由于公路隧道基本处于地质情况较为复杂的区域，因而给隧道施工提出了更高的要求。在施工前应全面地进行地质勘察及分析地质特点，有助于制定合理的施工方案。若施工场所的地质属于较为松散的黄土，则会出现边坡稳定性较差的情况。尤其是当浅埋段断面较大情况下应利用超前支护技术加固边坡。开挖面>100 m2或者断面较大等情况下都需要利用超前支护技术对边坡进行加固[1]。

由于构成围岩的黄土受到雨水的浸湿作用，上部结构往往会发生沉陷，自由水不能顺利下渗和被吸收，长时间作用下围岩的稳定性就会遭到破坏。因此，在进入隧道口的区段施工时也应当使用超前支护技术加固，防止因洞口发生坍塌而影响公路隧道的质量。开挖明洞时，可以结合前期地质勘察工作所获取的相关信息，研究出与地质特点相适应的施工方案，并通过超前支护技术、结合管棚进行施工，从而有效提升明洞结构的稳定性。另外，在隧道掘进过程中也需要借助勘察结果进行分析并确定合理的洞身支护方式。

4 超前支护施工技术

4.1 超前长管棚施工

本项目中，所采用的超前长管棚均为φ108×6 mm的热扎无缝钢管，各管棚的环向间距为40 cm。为了确保钻孔方向与设计保持一致，需要在明洞衬砌外设置70 cm厚、长2.0 m的C30钢架混凝土套拱。但是在钻进过程中钻孔方向难免会出现一定的偏差，但是偏差应控制在1°～3°。该项目中双悦岭隧道左右两线的进口超前长管棚长度为30 m，出口为40 m，左右两线各51根超长管棚。

1)套拱施工。在结束明洞段上台阶开挖作业后，应彻底清除洞口仰坡的危石等杂物，并根据设计要求对边仰坡采取相应的锚喷支护，接着是混凝土套拱施工。套拱施工以及安装导向管时首先应准确测量定位，确保钢管的位置及方向与设计要求保持一致。φ14 mm固定钢筋分别与φ133 mm孔口管、I20b工字钢进行可靠的焊接，且焊缝长度至少为5d，对于无孔口管的钢拱架则通过φ22 mm的纵向钢筋连接，且各钢筋保持100 cm的环向间距。为了钻孔作业、注浆作业的顺利进行，在明洞开挖环节应预留平台，便于满足管棚及套拱施工时对作业高度的需求。

2)钻孔。钻孔前先将预埋的导向管从左至右从1～51编号，利用钻机钻孔时按照从下往上的原则，在导向管钻进、低速逐步钻进的方式。另外，需要借助全站仪控制并检测钻孔作业的质量，控制终孔的偏斜率<1/2 000，并且每完成一孔的钻进即完成一根钢管的顶进作业后，应及时注浆，依次完成所有的钻孔。钻进施工环节应密切关注钢管钻机的偏斜度，当偏差程度超过设计要求时则应立即采取措施调整，确保钻孔的深度、方向等符合设计及相关标准的要求[2]。通常情况下采用左右两侧同时施工的技术，当完成了左侧1号孔的钻进作业后，钻机移动至右侧的51号孔位实施钻进，同时对1号孔进行注浆，注浆结束时51号孔钻进结束；然后钻机移动至左侧的2号孔进行钻进，右侧51号注浆，按照该顺利逐渐完成所有孔的钻进、注浆作业。在钻进过程中若出现了坍孔、卡钻等问题后，应当在有效补浆后再继续钻进。

3)清孔。钻头在地质岩芯钻杆的作用下清扫孔底，可以去除孔底、孔壁的浮渣，另外利用高压风清理孔底的沉渣，保障孔径、孔深等参数满足设计标准，避免发生堵孔的现象。

4)管棚制作及安装。长管棚可以在施工场地采取分节加工的方式，钢管接头用长15 cm的丝扣进行对口紧密连接，如图1所示，且同一断面内的接头数不能超过接头总数的1/2，相邻接头至少错开1 m的距离。

图1 超前长管棚构造示意图(单位：cm)

另外，奇数号的孔位注浆管、偶数号的孔为无注浆，准确记录各孔的信息。安装时按照先进行有孔钢花管再进行无孔钢花管的顺序，同时通过无孔钢花管作检查注浆质量。

5)注浆。注浆材料为水泥浆液且水灰比控制为1∶1，注浆的初压为1.0 MPa、终压2.0～2.5 MPa。通过KBY-50/70注浆机完成高压注浆施工，严格控制注浆压力及注浆量，注浆完成后及时清除钢管内的残余浆液。

4.2 超前小导管施工

1)施工方法。通过风动凿岩机进行钻孔，采用人工安装超前小导管的方式使其与钢架连接并焊接固定，小导管的外插角控制在12°，利用注浆泵注入水泥浆液，注浆压力控制在0.5～1.0 MPa；当地下水较丰富时则注入水泥-水玻璃浆液，其水灰比为1∶1，水泥与水玻璃体积比1∶0.5，保持相同的注浆压力。小导管需要在专门的加工厂制作完成，将其前端制作为尖锥形，并每隔15 cm在管壁上交错钻直径为8 cm的眼孔，但是在距离管口500 mm的范围内不设置任何眼孔，如图2所示。

图2 超前小导管大样图(单位：cm)

钻孔结束后，根据设计要求和施工方案将小导管插入孔中，对于围岩较松软的区域可以用油锤或凿岩机将小导管逐渐打入，且导管尾部与钢架牢固焊接形成可靠的预支护结构。注浆前先喷射5～10 cm的封闭掌子面作止浆墙，当单孔的注浆量满足设计要求值后即停止注浆。注浆过程中应根据注浆试验结果以及实际的施工状况确定合理的注浆参数，注浆时准确记录相关的注浆信息，不断分析并改进注浆作业的参数，同时时刻关注支护面的状态，确保支护结构的稳定性[3]。

2)检验标准。检验标准如表1所示。

表1 超前钢管实测项目

4.3 超前锚杆施工

1)测量放样。准确测量并标注开挖面的中线、标高，然后简单画出开挖面的基本轮廓并标记锚杆孔位，孔位的偏差应控制在50 mm范围内。

2)钻孔。通过具备φ50 mm大钻头的风枪进行钻孔，满足设计深度、孔径后清除孔内的残渣、水等。

3)超前锚杆安装。将早强锚固剂药卷放在水中，泡至软而不散的状态时取出，再人工持炮棍将药卷塞满至孔深1/3～1/2处。注浆时应将注浆管插入至管底到孔底50～100 mm的距离，然后逐渐灌浆，并将孔内多余的水分挤压至孔外，将灌浆管缓慢拔出，其中注浆压力不应超过0.4 MPa。在安装锚杆时需要运用铁锤捶打的方式将锚杆逐渐打入，直到锚杆达到孔底且孔口处有水泥浆液溢出。

4)将锚杆的尾部与环向钢筋或者钢架进行牢固的焊接，从而提升预支护结构的整体稳定性。超前锚杆搭接长度应>1 m，且插入孔内的长度应满足设计要求，保持合理的纵向间距。当超前锚杆需要与钢架共同起到支护作用时应当先安装钢架、再穿过钢架腹部钻孔，然后安装锚杆。

4.4 沉降观测

除上述作业之外，现场监控测量也是公路隧道施工的重要组成部分，且只有通过现场量测才能掌握隧道围岩和支护的实际动态，以此来指导施工。隧道开挖前，在固定位置设置观测点，定期观测各点的收敛值和沉降值。根据隧道围岩的实际情况和参照相关规范，在公路隧道施工中需进行的量测项目有：地质和支护状态观察、隧道围岩变形测量、隧道地表下沉降变形量测等，量测的断面间距、测点布置需严格按照围岩的分类和规范要求执行。最后将量测的实际数据进行处理和分析，绘制位移距开挖面的曲线图，以便施工。