公路隧道下穿供水隧道工程的洞身超前管棚施工技术

曹明杰

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750)

在公路隧道下穿供水隧洞工程施工中，为更好的控制破碎围岩和地表下沉问题，需要结合工程特性，选择科学合理的地层加固方法。洞身超前管棚施工技术是隧道工程施工中比较常用的超前支护技术，先在隧道掌子面围岩进行加固注浆处理，使之在开挖面上部形成一个强度较大的棚状壳体结构，再配合CD法开挖支护[1]，有效降低了对上方隧洞及岩层的扰动，保证了施工安全。超前管棚施工时，需要先沿着隧道开挖轮廓线进行钻孔，然后插入注浆钢管，向管内灌注配制好的浆液，通过一定的注浆压力使其扩散至周边一定范围内的缝隙中，固结周围松散的围岩和土层，同时在加固范围内形成棚架支护体系，以提升管棚四周围岩的抗剪强度，将开挖时可能造成的围岩变形控制在允许范围内，从而保证隧道工程施工的安全性和高效性。基于此，结合珠海某隧道下穿供水隧洞工程，引入超前管棚施工技术，在保证施工安全性和高效性的同时可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概述

珠海黑白面将军山隧道工程是珠海市道路交通“六横十纵”的重要组成部分。项目位于珠海市南湾城区，隧道工程北起珠海大道，穿越黑白面将军山，南至南琴路，线路全长约3.86 km，其中隧道左线长3 645 m，右线长3 735 m。黑白面将军山隧道下穿既有供澳输水隧道，最小净距约4.9 m，设计采取5 cm/s减振弱爆破。由于输水隧洞为承压结构，新建公路隧道以小净距下穿，可能造成上方既有输水隧洞结构沉降变形，影响输水安全，并对下方隧道施工造成影响。

由于新建隧道临近供澳水库，故隧道地下水保护采用以堵为主、限量排放原则；洞内注浆堵水宜采用无污染、适用于花岗岩地层的浆液。

穿越供澳隧洞段里程为 ZK4+560—ZK4+600，YK4+560—YK4+600；设计围岩等级为Ⅳ级围岩；衬砌类型 S5b。采用CD法施工。初期支护：26 cm 厚C25喷混凝土+间距80 cm的I20b工字钢拱架+纵环间距为1 m×1 m的φ25中空锚杆(拱部 90°，L=4 m)/φ22 砂浆锚杆(边墙，L=4 m)；超前支护：拱部 120°φ89 管棚+拱部 120°单层φ42 注浆小导管(纵向*环向间距为3×0.4 m，L=4.5 m)；临时支护：20 cm厚C25 喷混凝土+间距80 cm的I18工字钢拱架。隧道穿既有供澳输水隧洞相对位置图(见图1)。

图1 隧道穿既有供澳输水隧洞相对位置图(单位：m)

此段落围岩多为微风化石英闪长岩，风化不均，岩体较完整，岩质以较硬岩为主，拱部及侧壁易松动，开挖易掉块，雨季地下水多呈点滴状，局部淋雨状。地下水主要为基岩裂隙水，节理裂隙水较发育，较潮湿，易受季节性降雨影响；供澳隧洞段存在隧洞水渗入风险，施工期间预测最大涌水量为 6.78～8.37 m3/(d·m)。

2 洞身超前管棚施工技术要点

在公路隧道下穿供水隧洞工程施工中，为最大限度保证既有输水隧洞不被破坏，需要对下穿隧道ZK4+560—ZK4+600、YK4+550—YK4+590里程进行加固后处理，本工程选择了洞身超前管棚施工技术，隧道开挖则选择了CD法[2]，如遇坚硬的围岩，可用减振弱爆破加快施工，保证爆破震动速度小于5 cm/s，洞身超前管棚施工必须严格按照相应的规范、标准及工序进行。

2.1 洞身超前管棚布置

洞身超前管棚施工是公路隧道下穿供水隧洞工程施工的核心工序，是保证既有输水隧洞结构安全的关键。在具体施工中，采用了拱部120°φ89 mm的注浆管棚+φ42 mm的单层小管道进行超前支护。其中注浆管棚的长度为10 m，相邻注浆管两环之间的水平搭接长度为3 m，环向间距为40 cm[3]。单层小导管的长度为4.5 m，环向间距为40 cm，洞身超前管棚布置图及纵断面布置图(见图2—3)。

图2 洞身超前管棚布置图

图3 管棚纵断面布置图

2.2 加强钻孔精度控制

在洞身超前管棚施工中，为降低对周围围岩造成的扰动，避免发生塌陷、滑移等安全问题，在上台阶掌子面上进行钻孔施工。为保证钻孔精度，先对掌子面进行整平处理，然后进行测量放线，确定每个钻孔的具体位置，再进行潜孔钻机定位，在保证钻头和放出的钻孔位置对准后启动钻机进行钻孔施工，先进行高位孔钻孔施工，再进行低位孔钻孔施工。在钻孔施工中，为便于钢管安装、提升钻孔效率和钻孔精度，选择钻孔钻头φ100 mm，钻机启动钻孔时，需要根据地质情况合理调整钻孔的速度和风压[4]。在整个钻进过程中，需要边钻进边用测斜仪来测量钻孔的倾斜率。如果倾斜率超标，要立即停止钻进，调整钻机的状态，保证成孔质量，并及时处理钻孔中出现的各种问题。

由于本工程地质条件特殊，地层复杂多变，在钻孔时难免会发生塌孔、卡钻等问题，一旦发生要及时补浆处理，达到要求之后再继续钻进，并对问题根源、过程、处理方法等进行详细记录。此外，还要及时判断钻孔地层的地质条件，及时调整钻孔参数[5]。另外，要严格控制管棚打设的角度，及时清除浮渣，避免发生堵孔问题，保证钻孔的深度、直径、倾斜度等都符合设计要求。

2.3 及时开展清孔作业

当钻孔结束之后，要及时开展清孔操作，避免浮渣沉积在孔底，影响钻孔深度。本工程用钻杆配合钻头进行清孔，对成孔进行反复清扫，将浮渣和孔壁残渣及时清理掉，从而最大限度保证钻孔的深度、直径符合要求。同时配合用高压风从孔底向孔口及时清理钻渣。

2.4 规范安装管棚钢管

管棚钢管安装是洞身超前管棚施工的核心工序，安装质量对注浆质量和加固效果都有很大影响。管棚钢管安装要严格按照原材料检验—制作钢花管—安装钢花管—钢管内钢筋笼安装—检验校核等步骤施工，才能保障施工质量。

本工程管棚钢管采用φ89 mm的无缝钢管，其壁厚为5 mm，长度为10 m，共需安装45根，在钢管上钻孔，便于注浆施工。钻孔孔径10 mm，间距20 cm，钻孔之间呈现梅花桩布置，尾部预留出不小于110 cm止浆段。在钢管连接时，管棚钢管两端头车外丝，长度不小于150 mm。用φ95 mm的无缝钢管内车丝套接，丝口不应太细，以免在施工中出现滑丝现象，图4为本工程钢管接头连接示意图。

图4 钢管接头连接示意图(单位：mm)

当一个孔钻孔完成后进行验孔，确保孔径、孔深、倾斜度、孔内残渣等指标都达到设计要求后，及时用管棚钻机顶进花管。每顶进一根，对接一根，当钢管安装到位之后，及时用高压风进行第二次清孔，清孔结束后在管中安装钢筋笼，提升导管的抗弯能力。本工程施工中所选的钢筋笼由4×φ18 mm的主筋和固定环组成，固定环安设距离控制在150 cm左右。10 m长管棚配管方式为：第一节采用4 m钢管，后两节采用3 m钢管。当钢花管顶进结束之后，开始从上到下统一注浆[6]。

2.5 严格控制注浆过程

在洞身超前管棚施工中注浆是非常重要的一步，注浆效果对围岩加固效果的影响非常大，为保证注浆效果，本工程按照以下步骤进行施工：施工准备—拌和浆液—管道压浆—砂浆填充—检查效果[7]。注浆材料选择了水灰比为1:1的水泥浆液，在施工现场通过多次配比试验确定最佳配合比。采用双液注浆机，可通过活塞实现双液注浆，且适用于多种配合比(0. 5∶ 1 ～1∶ 1)，初压压力控制在0.5～1.0 MPa之间，终压压力控制在2.0 MPa左右，持压15 min之后停止注浆。注浆从低向高进行，浆液由稀到浓，检查管棚的注浆质量。注浆量应满足设计要求，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整注浆参数继续注浆。注浆结束后用 M20 水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。从现场注浆效果看，浆脉清晰可见，岩层缝隙被浆液充分填满，破碎的岩石面固结效果较好。

管棚注浆前，宜将开挖工作面用喷射混凝土封闭，将钢管及其周围的空隙填充密实。注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况反复调整取得管棚注浆施工参数[8]。在管口设闸阀，注浆顺序由下而上，浆液先稀后浓，注浆量先大后小，注浆压力由小而大。浆液搅拌时，应注意做好个人安全防护，搅拌完成后经试验人员检测合格方可进行注浆，试验要求按照现行标准实行，注浆时施工人员应避免正对注浆管口，以防喷浆管崩裂伤人。

3 结 语

综上所述，公路隧道下穿供水隧洞工程地质条件复杂，影响因素众多，而且存在很多不确定性因素，在公路隧道工程施工中，任何一个细节控制不当，都会对既有供水隧洞工程的安全结构造成影响。为解决这一问题，采用洞身超前管棚施工技术，其有助于加固周围围岩，提升围岩结构的稳定性，促使下穿施工能够安全、高效的完成。(1)在公路隧道下穿供水隧洞工程的洞身超前管棚施工中， 每台钻机需要间隔一定的距离，否则向岩体内大量注浆会引起掌子面坍滑，影响施工的安全和效率。(2)在钻孔过程中，必须保证锚杆和钻头入孔流畅，密切注意水从钻孔中流出的情况，如果发现水孔堵塞，要适当撤后钻杆，然后进行反复扫孔，慢进度施工，直到设计深度为止。(3)注浆浆液必须严格按照工程要求进行配制，可通过多次配比试验确定最佳的配合比，浆液要随用随配。