在软弱围岩隧道工程中超前小导管支护快速进洞技术应用

2021-06-27杨赟

运输经理世界 2021年35期

杨赟

(甘肃新科建工监理咨询有限公司，甘肃兰州 730050）

0 引言

在山岭隧道工程项目施工过程中，长大管棚施工技术可以起到有效避免隧道坍塌以及地层沉降的效果，同时科学地应用该技术还可以显著提升围岩的力学性能。针对部分岩体性质非常脆弱的地基、破碎带进行施工的过程中，应用该技术可以有效确保施工安全。而超前小导管施工技术作为预支护技术的一类，主要针对破碎带围岩进行加固。

当前，随着城市化进程的发展和进步，我国已经开始针对一些基层相对脆弱的区域实施隧道工程项目建设工作。随着隧道支护施工技术的不断进步，已经形成了超前长大管棚预支护和超前小导管辅助支护相结合的施工模式。在具体的工程项目建设过程中，会应用如双侧壁导坑法、三台阶七步流水法等施工技术进行施工[1]。

针对一些结构相对稳定的黄土地区以及围岩条件相对较好的区域，在不影响施工进度和确保施工安全的前提下，可以尝试应用更为简单迅速的超前小导管预支护技术来进行施工，同时将该技术和以迅速挖掘、迅速支护技术为核心的微台阶法修建技术进行整合，可以确保迅速安全的进洞。因此，本文结合具体的工程项目施工案例分析超前小导管支护快速进洞技术在软弱围岩隧道工程项目中的具体应用情况。

1 工程概况

该隧道工程现全长为392m，其中隧道埋深为80m。坡度阈值范围处于10～40o之间，该隧道工程项目整体的起伏偏大，高差在30～100m 之间。隧道工程项目的主要地层地质为黄土地质、泥岩地质以及泥砂地质等。其中，黄土地质集中分布在隧道的出口区域，隧道的中部区域为比较软弱的全风化泥质粉砂岩质泥岩结构，岩体相对破碎。在该隧道工程项目之中，隧道出口区域的进洞设计采用贴壁进洞模式，即在施工的过程中首先要应用长度为30m 的超长管棚提前做好支护工作，然后用三台阶大拱脚施工技术进行挖掘。但是为了进一步提升工程质量，现在尝试使用长度为5m，管径为50mm 的小导管开展支护工作，并辅助用以护拱暗挖，三台阶法等施工技术。如图1所示，为隧道超前支护及施工工法示意图[2]。

图1 隧道超前支护及施工工法示意图

2 主要的施工工序分析

2.1 洞顶截排水沟

在隧道洞口边坡和仰坡的区域，需要沿线开挖边缘不足10m 的截水沟，在截水沟经过黄土区域时，其和平台边缘的距离至少要超过2m 以上。同时需要在陡坡处设置跌水，要求截水沟和自然排水沟要进行并入，从而有效削弱雨水对隧道洞口区域产生的影响[3]。

2.2 洞口边仰坡处理及防护

在开展隧道洞口边坡和仰坡防护工作的过程中，要求施工技术人员根据隧道工程所处的区域地形地质条件以及具体的施工情况，及时做好仰坡区域的表层土处理工作[4]。

当开挖工作开始之后，要在洞口区域及时架设锚固网，在实际的架设过程中，锚杆材料为直径为22mm的砂浆锚杆材料，其结构性质如下：长度5m，间距为1.5m×1.5m，整体的锚固网呈现梅花形架设形式。在喷射混凝土的过程中，需要应用厚度为20cm，型号为C25 的网喷混凝土，钢筋网直径为8mm，间距为20cm×20cm[5]。

2.3 护拱施工技术分析

在该段隧道工程项目施工过程中，结合工程项目施工方案进行分析可知，其中有5m 的上台阶预留核心土，因此需要架设11 榀型号为H230 的格栅钢架，要求每个钢架的间距要保持在50cm 左右。同时在每个钢架和钢架之间需要应用直径为22mm 的钢筋，呈垂直方向连接。在其中的1#、4#以及7#钢架处，需要设置长度为5m，直径为50mm 的超前小导管，要求其环向间距为40cm[6]。

在该隧道工程项目施工过程中，总共有4m 的隧道区域，其洞身两侧需要应用掏槽开挖技术，在开挖的过程中，要确保一次性可以将其开挖的基底区域，同时还要在中间位置保留3～6m 左右的核心土。针对两侧的基底进行开挖的过程中，为了确保其稳定性可以用厚度为50cm 的商品混凝土条形基础进行加固，同时可以用8 榀型号为H230 的格栅钢架进行加固，格栅钢架的间距在50cm。钢架一次从内部到外部安装；钢架底座采用36a 型槽钢纵向连接，保证了钢架底座的稳定；采用湿喷机械手由内向外喷射混凝土[7]。

2.4 洞身开挖及超前支护

在开展洞身开挖工作的过程中，施工人员尝试应用上中下台阶平行作业技术进行挖掘，该技术又被称为三级台阶开挖技术。其中上台阶长度为5m，需要在开挖的过程中做好核心土预留工作，中段的台阶长度为5m，下段的台阶需要进行仰拱开挖操作，确保整体的开挖流程可以形成全断面封闭成环，形成锁口圈。在针对上台阶进行开挖的过程中，每次上台阶挖1 个钢框架的间隔，中台阶和下台阶每次挖1～2 个钢框架的间距[8]。综合来看，其整体的开挖流程如下：

第一，要做好上台阶开挖工作，并同步做好核心土预留工作。

第二，在针对中台阶进行开挖的过程中，要确保挖出渣。

第三，需要针对上台阶以及中台阶、下台阶开展仰拱开挖作业。

第四，需要针对上台阶和中台阶喷射混凝土材料，并同步做好下台阶的仰拱立架工作，然后需要针对下台阶仰拱喷射混凝土材料；第五要做好回填工作，并同步做好仰拱填充面的高度标记工作[9]。

在开展超前支护工作的过程中，需要应用长度为5m，直径大小在50mm 的超前小导管进行支护，其环向孔距为40cm，根据隧道工程项目施工要求，需要将其布设在拱部15o区域处，在进行钻孔的过程中应用气腿式凿岩机设备进行钻孔作业。作业位置位于上台阶的预留核心土区域，在钻孔的过程中，其钻孔角度应该控制在5～10o以内，同时要求严格控制钻孔直径，要求钻孔的直径至少要超过钢管直径3mm 以上，用连续顶进的方式将超小导管顶入设计的深度数值以内，然后用高压风对钢管内部杂质进行有效清理[10]。在进行注浆的过程中，要求用水泥浆材料进行注浆，其中水灰比例为1∶1，注浆压力为1MPa。在实际的注浆过程中，要求施工作业人员严格按照注浆流程进行注浆，即先从两侧进行注浆，然后再向供顶进行注浆，要求注浆要对称分布。在结束注浆之前，要确保其稳定性，要求技术人员每间隔3 榀钢架做好循环超前小导管的布设工作，同时要求两行小导管的纵向连接长度不少于1.5m[11]。

在该工程项目实际的施工过程中，断面区域位于隧道中心地表处的沉降数值较高，约为30.1mm，该数值远远低于正常数值90mm 的变形总量管理等级，由此可以有效推断出，应用超小导管超前支护施工技术进行支护，以及在工程项目施工过程中应用台阶开挖施工工艺，在科学的施工理论支撑下，可以最大限度减少对围岩产生的影响，从而有效控制地层位移。

为了进一步对隧道工程项目的沉降情况进行检测，技术人员在该工程项目隧道的洞口处、隧道洞内每间隔5m 的位置，在隧道拱顶区域设置沉降监测点，在该工程项目里程DK689+294、DK689+289、DK689+284 的区域。

当上台阶预留核心土被挖掘之后，隧道的初支拱顶沉降数值区间处于5～6mm 之内，由此可以推断此时的初支结构变形速度非常缓慢。待挖掘到中台阶部分后，随着隧道开挖跨度以及临空面数值的不断增加，初支结构的变形速度呈现飞速上述态势，指导中台阶开挖工作结束之后，其初始拱顶的沉降数值为12mm，达到了整体变形总量的一半以上，在开挖下台阶的过程中，初支结构的变形速度增幅剧烈，达到顶峰，初支拱顶沉降数值达到20mm，直到初支拱顶全断面形成闭环之后，沉降逐渐削弱。

由此可以推断出，随着初支结构整体的刚度以及强度数值不断提升，其形变速度也得以有效控制。在后期阶段，初支变形量仅仅占据总沉降数值的15%左右，其整体的沉降数值处于23.4mm 左右，远远低于90mm 的沉降极限数值。由此可以基本上推测出，应用超小导管超前支护技术以及三级台阶开挖技术，在科学的施工思想引导下，待初支结构形成闭环之后，隧道工程项目整体的结构刚度和强度得以显著提升。这说明应用该技术进行支护，可以有效确保隧道工程项目围岩和支护结构的整体稳定性，为实现安全迅速进洞奠定基础条件。

3 施工进度和整体的施工资源投入情况分析

结合该工程项目的施工案例以及施工方案进行分析可知，应用超前小导管超前支护进洞施工方案，其中的截水沟施工作业时间为2d，需要在工程项目的DK689+297～DK689+302 段开展上台阶开挖工作，在架设钢架和喷射混凝土的过程中，整体的工程项目施工用时为5d，需要在工程项目DK689+302～DK689+307 段开展边墙基础开挖工作，同时架设钢架和喷射混凝土需要5d 时间。在DK689+294～DK689+297 段上台阶开挖、架立钢架及喷射混凝土作业的过程中，耗时2d，经过综合计算，该工程项目整体耗时14d，和原来的支护方案进行对比分析可知，在原来的设计过程中，应用了超长管棚支护技术，需要施工时间15d，对工程施工方案进行改进和优化之后，由于不用架设管棚，以及减少了贴壁进洞的施工方量，可以有效节约工程项目整体的施工成本，共计20 万元左右，由此可见，该施工技术可以显著节约施工成本，同时也可以节约施工时间。

4 工程项目整体的应用情况分析

该工程项目建设过程中，总共需要建设隧道工程项目228 座，通过逐个工区的实地查勘，根据洞口地形地质条件，保证施工的安全，便于施工，突出“少扰动”，全线洞口总数200 余个（主要是黄土地段、围岩条件比较好的地段），将超前长管棚改造成超前小导管。既可缩短施工时间，又可节约工程造价，可降低边倾坡面的刷方量，使地质条件基本保持“零开挖”。该工程项目的洞口区域在具有良好直立特性的黄土区段围岩条件较好的情况下，应用超前小导管支护可以有效地确保巷道的安全以及快速、安全的进洞；同时，这种技术可以最大限度地保留洞口的原状，综合经济效益明显；对于同类地层，可以推广应用，防止洞口段采用“模块化”的超前长大管棚施工技术。