大断面土质隧道管棚与土钉墙支护技术.doc

大断面土质隧道管棚与土钉墙支护技术严 辉 （广东水电二局股份有限公司，广东增城，511340）【摘要】 深圳沙湾隧道是广东省东江深圳供水改造工程中开挖断面最大，地质条件最差的隧道。结合工程特点和难点，在隧道进、出口段采用了超前大管棚和土钉墙联合支护技术。文章就支护的理论分析、施工工艺和质量检验等方面给予阐述。【关键词】 土质隧道 支护 管棚 土钉 监测1 引 言随着隧道施工技术的提高以及人们环境保护意识的增强，隧道开挖中减少明挖工程量而提前进入洞挖施工的工程实例越来越多。洞口大方量明挖有以下几点弊端：（1）土石方开挖量大，增加工程成本，施工工期长；（2）山体植被破坏严重，完工后恢复绿化困难；（3）明挖施工爆破、弃碴等对环境影响较大。鉴于上述原因，我们在东深供水改造工程中隧道进出口的开挖采用了“少明挖、早进洞”的指导思想。隧道洞口段的山体覆盖层厚度较薄，风化程度高，工程地质条件差。尤其在大断面的洞室开挖中，初期支护的施工工艺和安全可靠性尤显重要。按照常规水工隧道洞口段是不能在残积土或全风化土中成洞的，为了贯彻“少明挖、早进洞”的指导思想，我们采用了大管棚加土钉墙联合支护手段，安全有效地进行洞口段的支护。2 岩土工程中的土钉墙支护技术土钉墙是以钢筋、钢绞线等作为加筋件，依靠压力注浆后的加筋件与土（岩）体之间的摩擦，并与土（岩）表面钢筋网喷砼层相互作用而形成的支护结构物。土钉可提高土（岩）体的抗剪和抗拉强度，用干法施工的土钉在压力注浆中，浆液沿发育的裂隙和软弱结构面扩散，形成以孔为轴线的树状浆脉，增强了土钉与周围土体的粘接。土钉是靠全长摩擦锚固的，对于细粉砂层、淤泥质层等内摩擦角小的地层不适应，对砾石层、粘性土、粗砂粒岩地层等较适用。3 管棚与土钉墙支护在隧道工程中的应用 3.1 工程概况东江深圳供水改造工程是向香港、深圳及沿线东莞城镇提供饮用原水及农田灌溉用水的跨流域大型调水工程。本工程自1965年6月建成以来，先后三次扩建，为香港、深圳及沿线东莞城镇的社会经济发展做出了重大贡献。东深供水改造工程主要结构形式为供水泵站、明槽、箱涵、隧道、渡槽等。全线总长51.7km，总投资约47亿元人民币，2003年6月底将全线投入运营。沙湾隧道作为深圳水库污水截排工程，是东深供水改造工程的一部分，隧道长2241m，隧道沿线属低丘地貌，地表水系较发育。隧道线路地带分布的地层，出口洞段沟谷部位为第四系松散堆积层外，其余均为侏罗系中统塘厦群碎屑岩。其岩性为石英砂岩、泥质粉砂岩及凝灰质粉砂岩等。隧道进、出口段为类围岩，轴线上分布的断层较多，裂隙较发育，地下水活动较强。隧道类型为无压城门洞型，钢筋砼衬砌后净宽6.8m，净高7.9m，衬砌厚度为60cm。隧道开挖断面、初期支护及二次衬砌参数如图1。图1 隧道横断面图 图2 隧道支护结构受力分析简图3.2 土质隧道管棚与土钉墙支护受力分析 土质隧道中支护结构的受力主要来自洞顶覆盖层的山岩压力和边墙两侧土的土压力。拱顶压力作用于管棚后，被钢拱架承受。两侧土压力被钢拱架直腿部分及土钉二者共同承受。土钉及管棚联合支护结构受力简图如图2。3.3 管棚施工按设计拱圈外30cm放样，画出管棚开孔轮廓线。在作业面前搭设施工平台，用C6型液压钻机钻孔，孔径146mm，孔间距300mm，孔深12m，外插角5。管棚孔在钻进过程中要有方向定位，用地质罗盘仪测量钻杆倾角。管棚孔位布置0135范围内，135180在施工中视地质情况具体而定。除拱顶几个孔外，其它孔口应稍向下偏斜，以便注浆时排气，确保饱满度。C6型液压钻机为回旋式（可冲击）钻机，机身重约12t，外型尺寸27.2m，配有普通型、麻花型钻头和可套接钻杆，钻孔范围 -9090（垂直方向），最大钻孔深度可达60m。钻机外形见图3。管棚施工用108mm、=5mm的地质无缝钢管，管壁用电焊烧孔制成花管，底端部制成封闭尖端，以免插管时泥砂挤入而减小管身变形模量。管棚的分段钢管用丝扣来连接，不使用常规管扣。灌浆用普通砂浆机施灌，砂浆拌制要符合配合比设计要求，可在砂浆中掺入少量细粒碎石，灌浆顺序先两侧后顶部，先较低孔后较高孔。管棚施工示意图如图4。 图3 C6型钻机外形图 图4 管棚施工、花管制作示意图 3.4 土钉墙施工沙湾隧道出口段地质条件差，只能用分台阶式的垂直开挖，层层支护的施工方法。这里我们采用了土钉墙法对边墙进行支护，具体施工方法如下述。3.4.1土钉有效锚固长度、行列距的确定和锚固力计算土钉锚固长度由（1）式： L=*H+L0 （1）式中，0.71.2之间的经验系数；H边坡垂直高度（这里取隧道最大开挖高度9.3m）；L0灌浆止浆器长度0.81.5m。代入值后得： L=8.64m，取L=9m。土钉行列距由（2）式： SX*Sy=K*d*L （2）式中，SX、Sy土钉的行（水平向）、列（垂直向）间距； K压力注浆工艺系数，取1.52.5； d土钉孔径，取d=108mm； L（1）式中的土钉长度。代入值后得： SX*Sy =1.3m *1.3m，取SX*Sy =1.2m *1.2m。单根土钉的锚固力由（3）式： Fi=*d* L （3）式中，粉质砂土的极限界面摩阻力65100KPa；d土钉锚筋的直径，5根12的钢筋束取0.06；L（1）式中的土钉长度。代入值后得： Fi=110KN。3.4.2土钉锚筋的制作用5根12的钢筋束，中间用撑筋环分隔开，钢筋束沿撑筋环均匀布置。钢筋束的长度为12m，锚固长度为9m，钢筋束前部焊成铅笔头状尖端，以便于顺利插入锚孔，土钉锚筋示意图如图5示。图5 土钉锚筋示意图3.4.3钻孔清孔土钉孔距设计为1200mm1200mm，梅花型布置。用装配有麻花钻头的C6钻机钻孔，孔径为108mm，孔深9m，孔向水平下倾10。用0.5MPa的压缩空气将孔内残渣吹除干净，以增强注入浆液同孔壁土体的结合。3.4.4插锚筋注浆 清孔结束后，及时插入锚筋，以防孔壁坍塌而返工。注浆用1:0.5:0.5（水泥:水:细砂）的水泥砂浆，注浆管先插入距孔底0.3m的部位，徐徐上拔，直止浆液溢至孔口，孔口用较浓的水泥砂浆堵塞。注浆压力一般保持在0.50.8MPa之间，对于孔壁因裂隙发育而吃浆量较大的部位，可提高注浆压力并逐级加浓浆液。为消除浆体凝固后土钉与孔壁岩土之间产生的收缩空隙，在注浆时可加入少量膨胀剂，掺量需通过试验来确定。膨胀剂的掺入可补偿砂浆收缩，保证土钉锚固区和孔壁全面积接触。3.4.5挂网喷砼土钉的3m外露区在挂钢筋网时，辐射状与钢筋网焊接，再与隧道环向的工字钢拱架相连，喷砼联合支护后就形成了土钉墙面，如图6。 图6 土钉墙面示意图 3.5 土钉墙施工变形监测与拉拔检验3.5.1 土钉墙施工变形监测在开挖和土钉施工过程中，根据土质状况和现场监测的土体变形、土钉受力情况以及时修改土钉的支护参数。由于隧道顶部是交通繁忙的省级公路，土钉墙支护结构承受的动载是比较大的，遇下大雨时地表水会沿山体松散的覆盖层渗入，对网喷砼层产生向内的挤压力。水的渗入可降低土钉与土体界面粘接强度，使土钉的抗滑抵覆稳定性有所降低，减小了整个支护结构的安全系数。变形监测的主要内容包括：地表水平位移和沉降（全站仪）、土钉应力（弦式钢筋应力计）、墙体位移（数字收敛计）。土钉监测的布点原则和量测频次应符合基坑土钉支护技术规程要求。本项目对地表沉降和墙体位移进行了全过程量测，地表沉降最大值为4.2mm，墙体隆起变形的最终每日收敛速度小于0.5mm/d，满足设计和规范要求。3.5.2 土钉施工质量检验 为确定土钉与土体界面的摩阻力及土钉自身极限抗拉拔力，需对单根土钉进行拉拔试验，取样数目不小于总数1%。检测前将标记的土钉面喷砼凿开，并割除土钉头部钢筋网，将出露的5根钢筋焊成一束。拉拔仪器为普通型锚杆拉拔仪，拉拔力大于110KN，结束后对土钉孔口进行封堵，复喷砼至设计厚度。4 结束语管棚与土钉墙联合支护技术同其它隧道支护方法相比，具有施工快速、操作简便等特点。土钉与介质土体的摩擦阻力是保证墙体质量的关键，界质土体中内部潜在滑裂面是一个随土体土力学性质而改变的不定参量，因为地下水位变化、外界荷载和钻孔冲击振动等对滑裂面都有应影响，而在最初设计时的滑裂面大多是根据工程类比法得到的经验数据。所以说在土钉墙支护施工中加强监测，适时调整支护参数是很重要的。工程实践和监测结果表明，管棚与土钉墙联合支护技术在该隧道工程中的应用是成功的，同时也为类似工程提供了借鉴。【作者简介】 严 辉，男，29 岁，本科，助理工程师.（广东水电二局股份有限