隧道大管棚超前支护施工技术研究

2022-03-24张小丽

四川建材 2022年3期

张小丽

(山西路桥第六工程有限公司六分公司，山西晋中 045000)

1 项目背景

1.1 工程概况

国道209线吕梁改线工程车家湾隧道位于山西省吕梁市离石区田家会镇车家湾村，设计为左右线分离式，左线全长1 203 m，右线全长1 147 m，最大埋深95.1 m，隧道围岩主要为奥陶系中统上马家沟组强-中等风化灰岩、泥质灰岩构成，进出口段以第四系下更新统午城组粉质黏土及第三系静乐组红黏土为主。洞体进出口部位位于黄土冲沟及基岩侵蚀沟谷，交通不便。

1.2 方案比选

该隧道进口端无施工场地，故掘进方向为从出口段开始。右线出洞方式原设计为双排小导管出洞，根据距进口方向约40 m处掌子面围岩稳定性判断，洞口段围岩稳定性差，为确保施工安全，决定采用大管棚超前支护洞口加固处理，其中管棚的长度是30 m，采用的是热轧无缝钢管(直径φ=108 mm，管壁的厚度是6 mm，节长3、6 m)，环向间距40 cm，仰角1°～3°，方向与路线中线平行，径向误差不大于20 cm。施工时先打奇数钢花管，立即注浆；注浆后再打偶数钢花管，通过偶数钢花管钻进时流出的液体及其颜色，检查奇数孔的注浆质量。

2 施工技术

大管棚超前支护施工技术流程详见图1所示。

图1 大管棚超前支护施工流程

2.1 测量放线

在套拱施工之前需要完成隧道仰坡的封闭防水处理，以及从洞顶设置截水沟，严格落实各项排水与防水措施，确保隧道洞口处于稳定状态后才能够开始套拱施工。通过测量放线标识隧道的外拱顶标高与隧道中心线，同时从仰坡面位置标划外拱弧。而外拱弧需要结合隧道暗洞开挖的轮廓线合理确定尺寸，并按照外拱弧实施套拱立模[1]。此外，套拱内模与外模的高度必须结合其里程要求才能够确定，而且立模的高度需要重视沉降量因素。

2.2 安装工字钢

从导向墙中设置工字钢架(直径是11 mm，间隔距离是0.5 m，一共4榀)以提高管棚的强度，4榀钢架之间在纵向选择φ22 mm钢筋进行有效连接。在钢架安装过程中必须根据设计中线与水平实施架设，同时钢架的下端需要插入C15混凝土基础中，以保证下沉处于可控状态。

2.3 埋设导向管

待工字钢架施工完成后，紧接着就要埋设导向管(选择无缝钢管，直径φ127 mm，长度1.8 m，厚度4 mm)，结合管棚间隔距离合理确定环向间隔距离。从工字钢架中进行导向管焊接，以免混凝土灌注阶段导向管出现位移(中心线偏差处于±10 mm以内)[2]。导向管的具体安装，从工字钢架的顶面标定安装区，根据确定的间隔距离与角度进行导向管安装，所有外插角(除线路纵坡)的范围是1°～3°，且导向管和线路的方向相同。此外，导向管安装阶段应采用有效措施与端模抵紧，以免混凝土浇筑过程中流入导向管，从而引发导向管堵塞。

2.4 钻孔

1)结合管棚钻机实际调控范围合理确定钻机平台具体高度，按照由高至低的钻孔施工顺序减小高度，确保平台位置和钻孔顺序相适合。

2)待钻机就位过后需要合理调整其位置，以保证钻杆的轴线和导向的轴相契合。同时钻机平台架设必须安全、稳定，承重及沉降量应达标，以免影响钻孔施工效果。按照要求采用专业设备测量钻孔斜度，若是误差大于规定则必须及时纠正。此外，需要详细记录钻孔的深度与方位角等相关数据信息，认真观察钻孔取芯，准确判断隧道围岩级别与性质，从而完成隧道围岩的超前探测。

2.5 管棚制安

1)为了能够有效控制成孔之后的塌孔、堵塞等现象，需要成孔之后及时地实施清孔处理，同时通过建立脚手架平台实施下管操作。而在下管阶段主要选择人工推拉顶进的施工模式，需要配置8位技术人员，也可以根据实际情况通过挖机推进辅助下管。

2)管棚施工首先需要打钢花管，向管中灌注水泥浆液，并检查灌浆效果，紧接着打钢管。其中钢花管和钢管均选择的是无缝钢管(直径φ=108 mm，管壁的厚度是4 mm)。管壁的周围钻压浆孔(直径φ=12 mm，一共是4排)，间隔距离是15 cm，采用梅花形进行布设，而管尾40 cm以下无需进行钻孔，此段设计成止浆段[3]。首节钢管选择3 m钢管和6 m钢管进行交错布设，后续钢管都选择6 m钢管，但是钢管的接头需要错开。同界面内钢管接头数≤钢管数量的50%。

3)管棚安装前必须将孔中的杂质清理干净，保证孔深和孔径满足设计规定的基本要求，其中孔径需要超过125 cm，以防止出现堵孔现象。选择顶进安装技术进行钢管连接，从钢管接口部位设置丝扣(长度是15 cm)，内车和外车丝扣的长度是30 cm与15 cm[4]。按照设计规定要求严格控制管棚的精度，以提高管的密封性。

4)在管棚中安装钢筋笼，以提高其抗压与抗弯性能。其中钢筋笼选择的材料是螺纹管，以焊接方式制作而成，主筋是4根螺纹钢，并布设加固筋(直径φ=6.5 mm，间隔距离是20 cm)。

5)安装套拱内模板与外模板，并浇筑混凝土。此隧道的进口端选择的是常规式套拱技术(采用的是木模)，同时认真记录相关检测指标，隧道出口端选择的是预压与套拱拱脚基础换填一系列措施(采用的是钢模)，把两者实施试验对比。此隧道的出口端与冲沟相接近，容易被积水浸泡，且导向墙和套拱基础表现比较软弱，基地的承载强度低于150 kPa，所以套拱立模之前需要对套拱基础实施翻挖加深处治，把初期M10浆砌片石调整成钢筋混凝土基础。为了保证模板与地基不会出现沉降现象，以及支架、模板与拱架发生弹性与非弹性变形，隧道的出口端套拱模板应选择砂袋预压方法。采取上述一系列措施后，有效保证了隧道套拱质量。通过分析检测结果可知，隧道出口端的混凝土厚度≥设计数值，平整度低于10 mm；隧道进口端的混凝土厚度相对偏厚，符合设计规定要求，但是整体厚度表现不均匀，平整度范围处于10～20 mm。

2.6 浆液灌注

1)待管棚、钢筋笼安装施工完成后，紧接着就要实施水泥浆液灌注(其中浆液水灰比是1∶1)，根据从高至低顺序进行孔位注浆。而钢花管注浆需要结合具体状况与实践经验合理控制注浆压力(注浆压力处于0.5～2.0 MPa)，且完成钢花管注浆之后要及时对钢管填充M30砂浆。

2)注浆施工阶段，由于管棚间隔距离相对偏小，因此，需要尽可能在成孔后立即注浆，以防止多孔注浆出现浆液串孔现象，从而引发相邻钢花管的堵塞问题。此外，成孔之后及时注浆可以实现破碎岩层的有效固结，避免发生钻孔卡钻与掉块等现象，从而提升施工效率与效果。

3)在注浆之前必须对工作面进行封闭处理，选择混凝土喷注方法建立止浆墙，防止发生浆液回流现象。在具体注浆操作时首先需要完成单号钢管注浆，等到注浆结束之后，再实施双号孔位注浆，这样能够有效检查注浆效果。注浆施工选择的是逐孔注浆方式，操作顺序是从低至高。结合注浆材料及施工条件合理确定注浆压力(正常处于1.0～2.0 MPa)[5]。以单孔注浆为例，必须对注浆量与压力进行有效控制，若是注浆压力低于设计规定要求，应选择间隙注浆方法，合理控制注浆量。把注浆管插入管棚内0.2～0.5 m实施注浆，按照要求详细编号注浆管，认真记录各注浆管孔口、压力、用量以及水泥等相关信息，从而为项目验收提供依据。此外，注浆时必须严格检查灌浆质量是否达到设计规定基本要求，确保密实度与饱满度达标，以及确保管棚刚度符合支护要求。等到管棚注浆结束之后，采用钢板焊接至钢管口实施注浆孔的有效封堵，并从注浆管位置设置阀门。