大跨径浅埋隧道108长管棚施工工法

大跨径浅埋隧道长管棚施工工法 中交一局总承包公司 李建军 1 前 言在隧道新奥法施工中，大跨径、浅埋段的超前支护和初期支护是施工安全的关键工序,支护的技术手段比较多，如初喷、锚杆、拱架、超前小导管等，但支护效果与适用范围却有很大差别。长管棚是由钢管和钢拱架组成。它是利用钢拱架沿着上部开挖轮廓线以较小的外插角向开挖面前方打人长度1045m钢管构成的管棚，从而形成对开挖面前方围岩的顶支护。设置长大管棚的超前支护能够使围岩体和支护系统形成统一的承载结构体系，它也是对初期支护的加强和提前延伸。另外在浅埋段拱顶上部根据围岩情况同时增设地表及帷幕注浆也有效的解决了浅埋段围岩薄弱，不能形成连续承载体的矛盾。本文结合长大管棚的特点，对其施工方法、原理、使用效果进行了分析，总结形成本工法。2 工法特点 其工法的主要特点是通过地表注浆对长管棚施工区域进行加固，通过长管棚置入对隧道开挖掘进施工区域进行加固。本工法主要针对108长管棚的施工进行工法总结，地表注浆因为不具备代表性只做简单介绍。 2.1 地表注浆施工特点竖向范围为开挖轮廓拱顶以上5米至拱底以下2米，隧道开挖轮廓内不注浆；横向范围为开挖轮廓以外6米。 先行地表钻孔，钻孔孔径为62mm，之后在钻孔内插入50的钢管，钢管下半段设置注浆孔，通过钢管向围岩注浆。 注浆浆液的配置为：水灰比1：1.08，同时掺加3%水玻璃（模数=3,波美度Be=35）作为速凝剂。注浆时可根据实际情况掺加氢氧化钙（速凝剂）或磷酸氢二鈉（缓凝剂），注浆压力0.51.0MPa。上述配合比及注浆压力要根据地质围岩的不同通过实验进行调整确定。 单管注浆量计算公式为：Q=r2L+R2L式中：r -钢管半径，L -钢管长度， R -浆液扩散半径，取 0.5m；-地层孔隙率，风化片岩、千枚岩经测试为6%；-浆液充填率，取0.9；-浆液损耗系数，取1.15。2.2 长管棚施工特点 管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横整体，刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力。 管棚一次超前量较大，支护搭接少，节省材料。相比采用超前小导管支护减少了安装次数和开挖作业之间的干扰，有利大型机械进行大断面开挖。 3 适用范围管棚适应于特殊困难地段，如严重风化岩体、塌方体、千枚岩、片岩地段、砂土质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育岩体、断层破碎带，岩锥地段、浅埋区域、洞口偏压等区域的隧道洞门开挖施工。 4 工艺原理经注浆处理和管棚施工，能够将开挖面周围松散土层固结为整体，形成一道持力圈。隧道开挖后围岩应力出现重新分布，拱部应力经固结层与管棚传递给支撑拱架。由于拱架之间相互连接便形成了整体支护。4.1 管棚支护结构设计要点： 4.1.1 钢管外径108mm，壁厚6mm，环向间距30cm.在拱部90范围内布置。管棚长度一般为30m，可采用分段连接，每节长为46m，并用丝扣连接，丝扣长度15mm。 4.1.2 管棚支护结构，一般按松弛货载理论进行设计。根据围岩地质条件及力学计算，如需要可采用钢管内灌注水泥砂浆、混凝土或钢筋笼加灌水泥砂浆来增加钢管刚度。 4.1.3 纵向两组管棚间，应有15mm的水平搭接长度。钢管宜采用沿隧道开挖轮廓纵向接近水平方向设置，外插角12；钻孔孔径比钢管直径大23cm。5 施工流程 地质调查测量定位劳材机准备钻孔清孔套拱施工潜孔钻机就位管棚钢管安装围岩注浆放置钢精笼砂浆填充隧道掘进开挖管棚钢管制作水泥浆配制6 操作要点6.1 管棚加工：钢管一般节长6m，一端制成尖头，便于钢管顺利插入孔内。另一端加工成丝扣，杆身按照每100mm钻一个孔径为68mm的注浆孔，梅花形布置。6.2 测量定位：按设计资料经现场实测确定每根管棚的具体位置，并用醒目的油漆标识清楚。6.3 施作套拱及导向管首先，在开挖轮廓线以外施作混凝土套拱作为长管棚导向墙。浇注前，应在套拱内按设计仰角安设孔口管起导向、固定作用。导向孔口管规格127*4。导向管由定位筋焊接固定在钢拱架上6.4 搭设支架与调试设备：管棚位于隧道拱部，施工时先用钢管搭设支架，将钻机导梁固定在支架上，并将装好角度指示器的钻机固定在导梁上，通过调整支撑杆来调整导梁的倾角，满足管棚设计倾角的需要。再将钻机固定好，钻机就位处的土层应进行夯实，确保在钻进过程中，钻机不发生倾斜或滑动。钻机的底坐应用水平尺或水准仪将其调平。钻臂的仰角与设计仰角相同。防止施工中钻机振动过大发生偏移。接好风水管，检查各螺栓连接是否可靠，一切正常后便可开机试钻。6.5 钻孔和清孔先在管棚孔位凿一大小如管棚直径相一致的小凹孔，使钻头接触围岩时无较大幅度的振动，保证孔位的准确性。待风压达到05-07MPa时，慢慢开动推进气缸，使钻头沿导向管下放到工作面，关闭推进气缸，再开启冲击器绦徐推进。在钻进过程中，视进尺的快慢，慢慢开启或关闭推进气缸，使钻具始终保持一定的轴压。钻杆每lm一节，当第一根钻杆钻至预定深度时，将钻杆缓慢拉出，边拉边吹出孔内的岩粉。使钻头全部离开孔位后，使钻杆与机头脱离开，接入另一根钻杆，在确信新钻杆与原钻杆连接牢固后，便可继续钻进。如此循环操作，直至钻至管棚设计位置。在钻进时应记录下岩层变化情况，以便及时调整钻进速度，保证孔位的完整性，并为随后进行的开挖探明地质情况，提供出准确的第一手钻探资料。6.6 管棚安装将已加工好的管棚沿着导向管打人钻好的孔内。如孔内不畅时可用外力打人。当围岩很软或松散土层时，亦可直接用外力打人。管棚相接时，保证管棚中线在同一轴线上，顺丝拧紧，不应出现扭曲现象。6.7 注 浆注浆是通过注浆机来完成的，将管棚外露端用钢板焊接堵塞密实。在管棚侧壁上焊一注浆嘴。注浆量采用定压与定量相结合的方法确定，可先预计围岩空隙情况，在注浆过程中加以参考。注浆压力初压控制在0.51.0MPa，终压22.5 MPa。为防止出现塌孔和窜浆现象发生，可在钻孔时按照奇偶数先钻奇数孔位，人为加大孔与孔间距，待奇数孔位注浆完成凝固后再钻进偶数孔位，这样可有效保证钻孔质量，管棚容易插人，也避免出现漏浆现象。6.8 放置钢筋笼单管注浆结束后，及时放置钢筋笼。管棚钢筋笼一般采用3*22的带肋钢筋制作，中间采用42的钢环焊接固定，钢环纵向间距1.52.0m，放置好后用10号水泥砂浆填充。（钢筋笼示意图：）6.9 隧道开挖管棚全部置入后且注浆达到设计强度时，便可开始进行隧道洞口段开挖。7 施工机具(见表1)表7-1： 施工机具一览表序号名 称型 号单 位 数量1潜孔钻KQ150台32空压机20m3台13制浆机台14电焊机500A电弧台28 劳动力组织管棚施工的人员可视作业面情况而定，一般一台潜孔钻机应为一个作业工班，在一个作业面上有多个工班作业或有多道工序展开施工时，每班应配备表2所列的作业人员。表8-1 作业人员一览表序号名 称数量1潜孔钻司机22空压机司机13压浆机司机14普通工现场施工45工长现场调度16安全员安全监控19 质量控制9.1 管棚施工中，其外倾角应严格按设计要求施工。既不能侵入初期支护内，也不能让外倾角太大，降低支护效果。9.2 钻进时应控制好冲击器，根据不同的地质及时调节风压，使成孔不塌、不偏、顺直。9.3 经过管棚支护后，达到不出现大的掉块或塌方现象。10 安全措施10.1 钻机架设应牢固，钻进中严禁突然快速开启推进气缸，防止将钻机顶起造成钻机颠覆。10.3 钻进时，操作人员必须具备有效防尘防护，操作应在上风口站位，且与钻孔位置保持一定的距离。10.4 施工现场应设专职安全员，对周围岩层情况进行观察，防止在软弱层钻进时，由于冲击振动使岩层滑塌。10.5 电焊中严格遵守操作规程，注意对配电箱、开关箱的定时检查和有效接地。11 效益分析11.1 本工法是对软弱地层加固的有效途径。11.2 技术可靠，适用性强，支护效果明显。11.3 使用设备简单、拆卸方便。11.4 由于潜孔钻机配有角度指示器，对于不同角度的管棚施工均可满足要求。11.5 长管棚超前支护与超前锚杆、超前小导管相比，机械化程度较高，施工进度快，一次性加固围岩深度长，因此，有利于工期的缩短。11.6 长大管棚的钻进施工可预知管棚范围内复杂围岩构成，对现场开挖面的地质状况可提供准确的超前预报和反馈，对随后的掘进施工和施工方案确定提供了第一手地质资料。12 工程实例我在陕西省西商高速18合同段担任总工期间，承担了小黄川、堡子山隧道的施工，其中小黄川隧道为全线第3长隧道（左线1998m右线1953.2m）,围岩状况复杂（片岩、千枚岩为主夹杂少量煤矸石,自稳能力极差），埋深浅（右线出口段近百米埋深在2m以内）,跨径大（3车道，S5a开挖宽度为17.32m），出口端由于山体存在极大偏压，加之陕西省为保护森林植被提倡隧道零开挖进洞，因此长达百米地段尽管埋深只有12米，并没有采用拉槽明挖进洞。而是采用了长管棚配合地