提升隧道洞内管棚施工质量技术研究

唐开军

贵州职业技术学院 贵州贵阳 550023

1 隧道超前管棚预支护作用机理分析

隧道超前管棚超前预支护是一种能提供较强支护作用的隧道辅助技术，其做法是在隧道开掘进施工前，沿开挖轮廓线在隧道顶部一定范围内环向间隔一定距离向轴线方向钻孔并安装管棚管，随后进行注浆作业，以形成超前支护效应。施做管棚注浆时会形成一个预先加固保护环，充分发挥承载拱的受力作用，在上方施加荷载，使拱内围岩承受变形压力，进而获得一个良好的开挖条件。如果超前管棚沿着隧道外围分布时，则要将环形拱架与管棚结合加固，此时拱部围岩受到的变形力传递到支撑拱架中。因为支撑拱架相互连接并且相互支护，能够使掘进支护更加安全、稳定。[1]

通常情况下管棚、拱架、锁脚锚杆或者锚管、注浆工艺等形成复合的支护技术。管棚管通过注浆，浆液可以填充岩体裂隙提升其整体性和稳定性，浆液在管棚管内凝结硬化可以很大程度上提升管棚管的棚护能力；锁脚锚杆或者锚管可提高管棚支护体系的抗沉降能力，对于控制围岩变形发挥较好作用。

研究者Ibrahim在其研究中指出，隧道的管棚超前预支护能够有效应对隧道开挖所引起的地表位移及掌子面稳定性等问题，尤其是在特别恶劣的地质条件下效果更显著。[2]伍振志、张向东、孙玉永等对管棚的加固机理及加固效果进行分析得出，管棚注浆能够显著地限制软弱围岩的松动变形，可以有效地减少隧道支护结构的受力和变形，避免浅埋松软围岩发生塌方现象，是在工程实践中比较广泛采用的隧道超前预加固的方法[3-5]。辛润勤[6]在《隧道洞口段超前管棚预支护体系数值分析》一文中指出，在隧道洞口段施做超前管棚预支护体系，能显著改善洞口段地层的物理力学性质，提高软弱地层的整体性，有效地抑制围岩的不利变形。管棚打设角度对管棚预支护体系作用效果的发挥影响较大。管棚的加固作用机理，主要是将管棚上部围岩传来的荷载分散到掌子面前方的土体和格栅(钢)拱架上，以此来减少掌子面前方岩土体所承受压力的强度，从而取得更大的掌子面土坡稳定安全系数，保证掌子面前方岩土体的稳定性。[7-10]

2 工程概况

某市贵金线(瑞金北路延伸段)道路工程C标段线路长1.12km，包括隧道、道路和匝道桥，设计为城市快速路。该项目1号隧道是该线上的关键工程，标段承担的是隧道出口端左线1.018km(ZK2+618～ZK1+600)和右线1.02km(YK2+640～YK1+620)，纵坡为2.9%的反坡掘进任务。净距7m，为双向6车道(单洞3车道)隧道，单洞开挖断面面积达到163.8m2，宽度为16.98m，高度为11.56m，按照国际隧道协会(ITA)定义的隧道的横断面积的大小划分标准分类，该隧道属于大断面隧道。

隧道围岩地质特别复杂，分布4条断层，有岩溶、涌水、突泥和可能瓦斯不良地质。隧道围岩级别以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主。隧道YK1+760～+620段属于软弱围岩地质条件，同时属于浅埋情况，围岩岩体稳定性较差，地质情况如图1所示，施工过程存在较大的安全隐患，根据隧道监控量测数据分析，对该段的支护参数进行调整，调整后的支护参数如表1所示。

表1 隧道YK1+760～+620段V围岩调整后的支护参数

3 管棚施工存在的主要问题及对策

3.1 管棚施工存在的主要问题

在进行管棚管施工质量问题的原因分析时，将管棚管施工的环向间距、仰角设置、管棚管接头及送管作为主要分析因素，其他如管棚管质量等因材料在进场已经进行验收并有相关证明材料，故不作为分析对象。管棚管施工过质量问题原因分析的统计数据如表2所示。

表2 隧道YK1+760～+620段管棚施工质量检查统计表

经过分析，可知隧道YK1+760～+620段管棚施工质量问题的主要原因为管棚管的环向间距分布不均均匀，管棚角度布置不准确，施工完成后容易出现管棚管侵入洞内的情况，管棚接头连接头的可靠性不高以及管棚管送管存在不符合设计要求等，管棚压浆时浆液回流量大等，这些问题将严重影响隧道管棚管的支护效应，会对隧道掘进施工安全带来极大隐患。隧道YK1+760～+620段管棚施工质量问题的产生原因如表3所示。

表3 隧道YK1+760～+620段管棚施工质量问题原因

3.2 提升管棚管施工质量的措施

超前管棚管施工质量控制是系统工程，在实践过程中应按照质量目标控制的基本方法，将组织措施、技术措施、经济措施和管理措施等对该段管棚施工质量进行控制，以达到预期目标要求，为隧道安全掘进施工提供保障。

3.2.1 提升施工人员质量意识和技术水平

目标控制理论中，组织因素是目标能否实现的重要因素。管棚施工的质量提升，施工人员的质量意识和施工技术水平是关键因素。在实践操作过程中，可以采用如下方法：一是认真落实交底制度。技术交底是施工现场进行施工质量控制的有效方法之一，翔实的交底可以让施工人员更加清晰的理解和掌握施工要求和标准，有利于提升实践操作的质量，交底人员可以采用多形式的交底方式，如运用BIM建模技术的实现三维仿真，使交底内容更加直观，以便于工人理解掌握。二是采用施工质量评比奖惩机制，即在有条件的情况开展班组施工质量评比竞赛并进行相应奖励。有效的激励奖惩机制可以激发施工人员的质量控制意识，强化质量控制的意识引导，将质量控制的他律转换为自律行为。三是进行管棚的施工技术培训。采用定期进行施工质量培训交流的方式，可以提升施工的人员的技术水平，亦可以强化施工人员的质量意识。

3.2.2 改进隧道施工方法及参数

管棚管施工机械操作需要有合适的施工操作空间，才能保证钻孔、送管等工艺的操作符合要求。本项目中的隧道原设计挖方式为侧壁导坑开挖方式，操作空间较小，对管棚施工的带来不利影响。根据隧道洞身所处的水文地质条件及监控量测的数据分析，将原侧壁导坑开挖方式改为台阶法施工，根据施工机械操作需要并结合围岩稳定性确定上台阶的高度设置为1.5～1.8m之间，此数据可以根据实际施工过程中在确保施工安全的情况进行必要调整，为管棚管的施工、管棚管的钻孔及送管的施工作业提供必要空间，能及时知晓隧道施工过程中围岩稳定性，增强隧道监控量测的频率和监测点位，实时收集数据信息，以便及时为调整隧道施工参数提供数据支撑。

3.2.3 改进管棚管的接头处理方式

管棚管接头质量是管棚施工关键控制点，其施工质量对整个管棚是否能较好发挥棚护能力具有重要影响，目前工程实践中常用焊接或者丝扣连接的方式。隧道超前管棚棚护失效的原因中，管棚管接头可靠度低是比较常见情形，同时还有管棚管注浆对围岩的凝结加固的效果差等。[11]根据项目施工实际，超前管棚管施工对原焊接方式改为丝扣的形式进行可靠连接，要求丝扣的长度应不小于150mm，然后采用300mm长的钢管从中间破开，将管棚接头处进行包裹焊接，增强管棚管的接头可靠度，如图2所示，可以提高单根管棚管的刚度，减少管棚管在送管过程中的“低头”而出现送管困难、送不到位等情况。管棚管施工作业时，要求同一里程断面上的接头率不大于50%，确保管棚管的整体棚护作用和棚护刚度。

3.2.4 提升管棚注浆作业质量

超前管棚对岩体的支护作用主要体现在两个方面：一个方面是管棚会在隧道开挖面正前方形成一个具有保护作用的“防护棚”，因为管棚的一端支撑在隧道前方的岩体里，一端则支撑在钢拱架上。这个防护棚的作用既能为隧道开挖提供掩体作用，同时也能保障掌子面的稳定性；一个方面是管棚体的注浆使浆液沿隧道开挖轮廓线对围岩进行加固，提高围岩的稳定性，以达到比较好的施工条件。提升管棚管的注浆作业质量是提升管棚施工质量的重要环节，针对本工程中出现的问题，对施工工艺进行改进。首先，对隧道开挖掌子面进行封闭处理。在管棚管注浆作业前，可以通过喷射混凝土对开挖掌子面进行封闭处理，喷射混凝土的厚度可根据实际设置100～150mm，且应根据后续注浆作业的反馈情况进行调整。其次，设置管棚注浆口和排气孔，排气口设置闸阀。在进行注浆作业时，开启排气口，待排气口有浆液溢出时将闸阀关闭，继续注浆稳压1.0Mpa，稳压时间约为5分钟时可以视为注浆达到要求，可以根据隧道开挖后视检查注浆效果进行适当调整。

4 总结与思考

管棚超前预支护技术是隧道工程中常用的技术，对隧道的安全施工、快速掘进有着重要影响。管棚施工质量的影响因素较多，通常在设计合理、施工质量可靠度高的情况下，管棚才能发挥较好的棚护能力。管棚的注浆效果在沙土或者强风化的破碎岩体中能发挥较好效果，而在黏土中通常会由于黏土遇浆液形成致密隔膜而造成注浆困难，效果不好的情况。因此，在选择超前管棚作为隧道施工的辅助工法时，应充分考虑隧道所处地质条件等因素对施工质量的影响，及时调整施工工艺，提升管棚的施工质量以发挥其作用。施工员在进行管棚质量控制过程中，对质量影响因素、质量控制关键应进行重点把控，根据工程实际情况进行技术调整，这是施工员岗位职业能力的重要体现，作为职业教育者应将其进行整理，作为适合入课的知识内容，实现岗位职业能力标准入课，课程教学与岗位能力要求对接，践行岗课融合人才培养。