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10～45m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Φ108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Φ50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0.5～1.0MPa。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=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β

式中：r -钢管半径，L -钢管长度，R -浆液扩散半径，取0.5m；η-地层孔隙率，风化片岩、千枚岩经测试η为6%；α-浆液充填率，取0.9；β-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Φ108mm，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4～6m，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≥1．5mm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1°～2°；钻孔孔径比钢管直径大2～3cm。

5 施工流程

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Φ6～8mm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Φ127*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0．5--0．7MPa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0.5～1.0MPa，终压2～2.5 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。