公路隧道洞内掌子面管棚支护技术

摘 要：为了解决隧道地质条件复杂、围岩自稳性差的情况下，洞内掌子面发生冒顶破坏等问题，本文以云南曼赛隧道工程为研究对象，建立开挖条件下掌子面的稳定性分析模型，确定隧洞掌子面失稳的最大滑移面起止点水平长度，总结分析在围岩地质条件较差的情况下，洞内超前管棚支护的施工与处理方法以及管棚受力及作用范围，结果表明，超前预支护技术可以在隧道掘进施工过程中起到强有力的棚护作用，保障隧道安全施工，研究成果可为同类工程施工提供参考。

关键词：公路隧道；掌子面；超前管棚；管棚受力；分析模型

中图分类号：U 45" " 文献标志码：A

1 工程概况

云南省曼赛隧道位于元蔓高速公路，全长1495m，进口端明洞长为9m，距离红河县城15km，出口端明洞长为10m，距离红河县城20km，全长1640m，进出口端明洞长分别为44m和28m。隧道洞身采用Ⅴ级围岩三台阶预留核心土开挖，Ⅳ级围岩采用上下台阶法开挖。

隧道穿越区地层主要为元古界哀牢山群凤港组片麻岩。地貌为低山峡谷，入口段坡面较陡，坡度约35°～50°，受地表水侵蚀，形成“V”形冲沟，冲沟内无水体，部分陡坡有基岩露出。出口段较为平缓，坡度约为10°～35°，地形起伏大，低洼地带第四系覆盖层厚度为3～6m。山顶段地形平坦，覆盖层为1～2m的碎石土。

根据地质调查、钻探揭露结果，施工现场掌子面揭露围岩以灰黑色强风化片麻岩为主，岩体结构面结合性差，节理裂隙发育，在开挖过程中拱顶易掉块、坍塌，两侧易失稳，尤其靠中线一侧变形量大，前期施工时出现较多的侵供、坍塌现象，局部围岩用镐可挖，在浸水后手捏易碎，完整程度为破碎，出水量增加，出现线状流水，开挖出来的洞渣呈流塑状。

2 掌子面稳定性分析及塌方情况

2.1 掌子面塌方情况

根据超前地质预报围岩情况：以灰黑色强风化片麻岩为主，岩体结构面结合性差，节理裂隙发育，完整程度为破碎，呈碎裂状结构，在开挖过程中可能出现少量滴水渗水现象，整体来看，围岩完整性及稳定性差，综合判定围岩级别为V级。

当隧道左洞开挖至洞口545m时，掌子面揭露围岩以灰黑色强风化片麻岩为主，岩体结构面结合性差，节理裂隙发育，在开挖过程中拱顶易掉块、坍塌，两侧易失稳，尤其靠中线一侧变形量大。在施工现场采用超前小导管注水泥浆多次加固处理，当重开掌子面时，再次出现新的塌方，考虑已经进行注浆加固处理，可能塌方量不大，因此计划强行清碴，但施工现场情况为清理多少，塌落多少，坍方脚始终徘徊在至洞口538m处。同时出现水量增加现象，塌落长度距掌子面约9m，由于拱架后方围岩液化流出，因此围岩无法提供自稳能力，距洞口545～536m处段钢架喷锚在土压力的作用下变形损坏，塌方体完全堵塞隧道断面直至仰拱。

2.2 掌子面稳定性分析模型

将隧道工作面的破坏模式简化为一个上部为截断椭圆柱体破坏区，下部为左右两侧对数螺旋形滑移面相交的模型，如图1所示。

通过平面简化计算模型可知，当隧道工作面崩塌时，破裂面通常呈对数螺旋滑移破坏，破裂面方程如公式（1）所示。

式中：r0为螺旋线初始半径；φ为r0与水平地面夹角为围岩内摩擦角；θ为r0与隧道薄层中心的夹角。利用竖向条分法，将滑动土体分割为若干竖向薄层，视薄层为刚体，计算薄层上的力对滑弧中心产生的力矩。其计算过程如公式（2）、公式（3）所示。

式中：θh为r0与rh的夹角，表示破裂面方程中圆心角，其中，rh为滑裂面终点对应的半径；Lb为下侧对数螺旋滑移面起点与终点的水平距离，h为破裂面起始点到隧道顶部的垂直距离；H为隧道工作面形状近似为矩形高度。

由于破裂面方程中圆心角θh不得超过90°-φ，因此联立公式（2）、公式（3）可以得出结论：不同的内摩擦角φ以及隧道洞径将会得到不同的适用于当前模型的最大滑移面起止点水平长度Lbmax、最大滑移面起始点与隧道顶部垂直距离hmax。如公式（4）、公式（5）所示。

式中：D为隧道洞径。本工程隧道洞径12.74m，内摩擦角30°，因此，根据公式（4）、公式（5）求得曼赛隧道掌子最大滑移面起止点水平长度与施工现场塌落影响范围较一致。

3 管棚受力及作用分析

3.1 管棚受力荷载

通常采用普氏理论对管棚受力进行分析，即围岩相互作用的拱效应，在黏性松散地层进行洞室开挖的过程中，洞室上部会形成拱形状[1]，如图2所示。

基于普氏理论可知，当隧道进行支护结构设计时，其所承受的围岩压力即为隧洞开挖形成的拱体范围内岩土体的质量。因此需要在考虑岩体坚固系数f的前提下，对拱体形状进行分析，如公式（6）所示。

ht=bt /f" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：f为岩体坚固系数，依据规范中等坚硬岩石，岩体坚固系数取值为4～6[2]，因此，结合现场围岩实际情况，该隧道围岩坚固系数取4.5；ht为洞室上部拱体高度，m；bt 为拱体半跨度，m，其计算过程如公式（7）所示。

bt =b+Ht tan（45°-φ0/2）" " " " " " " " " " " " （7）

式中：b为洞室的跨度的一半，6.37m；Ht 为洞室高度，10.29m。因此，基于公式（7）可求得隧洞开挖形成的拱体半跨度bt为12.13m。将其带入公式（6）中，可求得隧洞开挖形成的拱体高度ht为2.7m。围岩竖向压力的计算过程如公式（8）所示。

q=γht" " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：γ为岩体重度，取27kN/m³。因此，可求得隧洞开挖形成的拱体范围内岩土体的质量为72.9kPa，即隧道开挖后其上部所承受的压力。

3.2 管棚作用分析

一般情况下，管棚施工均沿着隧道拱部圆弧段均匀布置，既横向作用范围，其模型示意图如图3所示[3-4]。

对任意一根管棚进行支撑作用强度受力分析，可得公式（9）、公式（10）。

bi = δ cosa" " " " " " " " " " " " " " （9）

δ =2Rsinθ/2" " " " " " " " " " " " " " "（10）

式中：bi为第i根管棚上方作用岩体等效厚度，m；R为管棚支护半径，6.2m；θ为两管棚夹角，5.3°；α为总下方管棚与垂直方向夹角，根据设计资料取值约为 82°；δ为距离系数，通过计算可得 δ =5.83m，同时，第i根管棚上方作用岩体等效厚度bi为0.81m。

在实际施工过程中，每根钢管的埋深变化相对不大，因此，可认为管棚纵向承载力分布均匀，则第i根钢管的支撑作用强度如公式（11）所示。

qi（x）= sinθγtbi" " " " " " " " "（11）

式中：γt为作用在管棚范围内岩土体重度，27kN/m³。基于公式（11），可求得第i根钢管的支撑作用强度为1.97kPa。因此，为保证管棚起到支护作用，管棚的支撑强度总和应大于上部岩土体荷载72.9kPa，即确定管棚数量应大于37根，结合实际情况，确定管棚数量为37根。

4 处理方法

4.1 引排水

至洞口545m处，埋深约90m，地表处于山谷沟箐，存在长流水，且因耕种需要，当地村民围坝常年蓄水，为预防突水灾害发生，开始拆除坝体，排放隧道顶上积水，疏通水系。在洞口533m处右侧，根据施工现场出水点的情况，在渗水量较大的地方布设Ø42mm注浆小导管作为引排水导管，但效果不佳，仅有一根集中排水。渗水位置主要为掌子面拱顶右侧至后退3m范围内，因此采用彩条布顺势铺设，防止浸泡掌子面塌方，并顺流引至已浇筑仰拱处，从边沟沿隧道纵向排出。

4.2 施工平台搭建

为保证管棚施工空间及施工安全，在施工管棚前清理距洞口532～540m处坍方体，清理完成后及时封闭开挖面，抓紧时间更换距洞口534～540m处10榀拱架，拱架在前期开挖半径的基础上在增加0.5m，增加拱架半径，为管棚施工提供空间，在更换完拱架后，及时从洞外运土反压回填掌子面，并预留排水管，泵送管，按三台阶留置，并将其作为施工管棚工作平台，最下台采用人工袋装土堆码护脚以抵抗回填空腔时混凝土压力。

4.3 反压回填掌子面

在泵送C20混凝土回填空腔后，结合管棚通常制造长度及现场施工条件，选取管径为108mm，长度为25m的管棚，从塌方后方拱架损坏处开始施作，施作仰角3.5°，在拱顶断面160°范围内设37根，具体位置为距洞口538～562m处。

从洞外运土反压回填掌子面，预留排水管，泵送管，按三台阶留置，并将其作为施工管棚工作平台，最下台采用袋装土护脚反压，抵抗回填空腔时混凝土压力。由于塌方体出水量较大，因此加强引排水，防止渗水浸泡两侧边墙初支。采用厚度不小于60cm的片石垫层回填土底层，提高回填土滤水性。

4.4 管棚施作工艺

采用Ø108（厚6mm）热扎无缝钢管，在坍方体上开孔，由于塌方体已全部堵塞掌子面上方，有些必须穿过塌积体，因此无法待整根成孔下管，只能采用长2m公母丝+接头跟管钻进，为保证注浆效果，全都采用钢花管，钻机采用履带式潜孔钻机。在距洞口538～562m处施作管棚，管棚长度为25m，间距约为40cm、钻孔仰角3.5°，如图4所示。

4.5 钻孔与跟管

由于塌方体已全部堵塞掌子面上方，有些必须穿过塌积体，因此无法待整根成孔下管，只能采用2m长公母丝+接头跟管钻进，为保证注浆效果，全都采用钢花管，钻机采用履带式潜孔钻机。管棚方向与隧洞中线近似平行，钢管施工过程中径向误差小于15cm。隧道纵向钢管接头数应小于50%，相邻钢管的接头错开距离应不小于1m。采用丝扣和焊接相结合的连接方法。钢管节段间用丝扣连接，当顶进时，采用长2m的管节交替使用，以保证隧道纵向同一断面内的接头数不大于50％，管壁上钻注浆孔，采用速凝水泥等材料堵塞间隙。

4.6 注浆

采用水泥水玻璃浆液注浆，按管棚施钻过程及顺序进行注浆，因此，单孔注浆量的计算过程如公式（12）所示。

Q=πrs2Ls+πRs2LsgsasBs" " " " " " " " " " " " " " （12）

式中：rs为钢管半径；Ls为钢管长度；Rs为浆液扩散半径；gs为地层孔隙率；as为浆液有效充填率；Bs为浆液损耗系数。钢管节段间用丝扣连接，顶进时2m长的管节交替使用，保证隧道纵向相同断面内的接头数不大于50％，管壁上钻注浆孔。

4.7 拆除导向拱架

由于导向拱架均已加大处理，能满足二衬厚度施工，因此在管棚施工完成后，不需要拆除，可以将其作为永久性拱架使用。

4.8 回填空腔混凝土

在管棚注浆完成后，待强度达到设计要求，须及时通过预埋注浆管针对掌子面前方的空腔进行回填，采用C20泵送混凝土进行回填，具体回填数量以施工现场实际数量为准。

4.9 清除坍方体及施工平台

在完成管棚等施工后，须及时清理坍方体及填筑施工平台的回填料，在清理过程中加强监控量测，需要分3次完成清理。

4.10 施工监控量测

在隧道管棚施工及换拱等工序中，监控量测要求每隔2m布设监测点。对同一隧道断面的上、中、下部位来说，须设置两个测点用来围岩收敛量测。在拱顶部位，需要设置一个沉降观测点，每天早、中、晚各测量一次。

5 结论

本文以云南曼赛隧道工程施为研究对象，分析了在围岩地质条件较差的情况下，洞内超前管棚支护的施工与处理方法，通过分析管棚受力及作用范围，得出以下结论。1）当分析隧道掌子面稳定性时，将隧道工作面的破坏模式简化为一个上部截断椭圆柱体破坏区，下部左右两侧对数螺旋形滑移面相交的模型是合理的。2） 通过分析任意一根钢管的支撑作用强度，结合隧洞开挖形成的拱体范围内岩土体的质量及实际情况，确定管棚数量宜为37根。3） 超前预支护技术可以为隧道掘进施工提供强有力的棚护作用，有利于控制围岩的变形，进而保障隧道安全施工及保证隧道工程开挖工作面稳定。

参考文献

[1] 唐开军.提升隧道洞内管棚施工质量技术研究[J].科技风，2022（31）：64-66.

[2] 姜昌银.公路隧道洞内超前管棚支护施工技术[J].中国新技术新产品，2020（22）：111-113.

[3] 史智超.隧道洞内大管棚施工技术[J].中外建筑，2019（5）：246-247.

[4] 樊斌.岩溶隧道内管棚预支护技术及其应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2018.