长大管棚超前支护技术穿越软—流塑地层施工技术

长大管棚超前支护穿越软
长大管棚超前支护穿越软——流塑地层施工技术中铁十八局集团洛湛铁路工程指挥部曹占良
【摘要】综合洛湛铁路永州至岑溪段清水隧道工程实例,简要分析和总结了软—流塑地层长大管棚施工技术。

【关键词】长大管棚支护软—流塑地层施工技术
1大管棚概述
大管棚超前支护技术,是沿开挖轮廓周线钻设与隧道轴线平行的钻孔,而后插入大直径(一般为Φ108mm)的钢管,并向管内注浆固结管周边的围岩,从而在预定范围内形成棚架的支护体系。

先施作好超前管棚，在管棚的超前支护下，采用上半断面法掘进，上部开挖后及时安设拱部钢拱架和锚、网、喷等初期支护，钢架采用型钢拱架或格栅拱架，待完全作好拱部支护后，开挖下部，下部左右两侧交错施工，待一侧的钢架和初期支护施作完毕后，再开挖另一侧。

清水隧道出口段软—流塑地层采用大管棚法施工,取得良好效果。

根据大管棚施工实践,对大管棚施工技术进行简要分析,并总结部分经验,希望有助于此项技术的进一步推广和应用。

2工程及地质概况
2.1工程概况
清水隧道位于新建洛阳至湛江铁路永州至岑溪段安平-糯垌区间，进口里程DK439+346，出口里程DK442+782，全长3436m，线路纵坡4.8‰、-4.8‰，全隧位于直线段内，是洛湛铁路永岑段的控制性工程之一。

该隧道出
口段DK442+782～+510段围岩级别设计为Ⅴ级。

2.2地质概况
清水隧道穿越低山缓坡地貌，地表呈波状起伏，山脊、丘陵多呈长条状、圆形等。

沟槽多为缓坡谷，下切较浅。

地表覆土较厚，未见基岩出露。

自然横坡10°-30°，山顶及山坡均为森林覆盖，植被发育，交通条件差。

隧道上覆盖第四系全新统冲积（Q4dl）粉质粘土及卵石层；坡洪积（Q4dl+el）粉质粘土，下伏奥陶系中统缩尾岭群（O2sw）砂岩。

该隧道出口段通过一山脊连续的山嘴，地形为单面斜坡，最大埋深30m，具浅埋偏压特点。

其中DK442+782～+510段土层压缩性高，灵敏性高，强度低，容易产生收缩变形，地下水主要为孔隙潜水，赋存于软-流塑粉质粘土层，水量较丰富，受大气降水影响较大。

2.3问题的提出
2.3.1该隧道出口段DK442+782～+510段围岩级别设计为Ⅴ级，但是该隧道在施工期间揭示DK442+782～+660段地质、水文条件较施工图有较大出入，主要地质情况为：全风化带表现明显，地质条件极差，节理发育，围岩破碎，呈粉砂土状。

全风化砂岩夹杂的全风化页岩呈软塑状～可塑状，围岩整体稳定型差。

孔隙、裂隙水发育，砂层呈饱和水状。

2.3.2围岩自稳能力差,开挖后极易坍塌。

2.3.3掌子面难以稳定,掌子面前方沉降难以控制。

2.3.4经补勘测定DK442+660～+520段洞身位于砂、页岩及花岗岩全风化带内，岩体呈粉砂土及粘土状，地下水发育，围岩稳定性极差，极易发生坍塌变形。

由于开挖隧道形成地下临空面和地下水的排泄通道，引起围岩多次发生塌方，诱发斜坡地表开裂变形，导致隧道初期支护变形、局部地段衬砌产生水平裂纹。

3确定大管棚方案
为确保安全,顺利通过复杂地段,设计采用大管棚进行超前预支护，管棚支护具有刚度大、结构强度高,所形成的承载拱承载能力强的优点,其一次支护长度大,可以减少超前支护的次数,缩短施工时间。

单循环设计管棚23根,环向间距40cm,沿拱顶150°范围布设单循环管棚长40m,循环搭接2m。

管棚钢管规格:Φ108mm热扎无缝钢管,壁厚6mm;管壁加工梅花状透浆孔。

注浆采用水泥—水玻璃双液浆,有关注浆参数如表1。

表1管棚注浆参数表
水泥标号水玻璃浓度(Be′)水灰比C∶S体积比注浆压力(MPa)
32535～500.6～11∶10.5～1.5 4大管棚施工
大管棚施工工艺流程如图1。

图1大管棚施工工艺流程图
4.1挖管棚工作室,安装导向管
在管棚施工前,隧道要扩挖至少60cm,长10m,作为管棚工作室。

在掌子面开挖轮廓线上方架设一榀拱架,用锚杆锁定,将Φ127mm×2m的管棚导向钢管焊在拱架背部。

然后挂网喷浆封闭掌子面,只露出导向管端头。

考虑到下一循环管棚工作室的开挖及钻具下垂等因素,导向管要加大外插角3°(不包括线路纵坡)安装。

安装时用经纬仪测量定位。

4.2钻孔
钻孔是管棚施工的关键工艺环节,钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。

根据地质条件及场地条件,选用2台YJ70电动钻机。

钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺,对于难成孔的地层则采用跟管法。

施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。

用方木逐层搭建钻机平台。

钻孔注意事项和防斜措施:
4.2.1钻孔前先检查钻机各部位运转是否正常,对非正常部位进行更换；钻孔时必须按设计位置开钻，对孔要精确,钻具轴线要与导向管轴线重合。

4.2.2钻机平台要搭建稳固,工作平台必须能承受钻机的活载能力,钻机要固定牢。

4.2.3钻孔速度应保持匀速,特别是钻头遇到夹泥夹沙层时,控制钻进速度,避免发生夹钻现象。

4.2.4为避免钻杆太长,钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象,开钻上挑角度控制在3°。

4.2.5钻具上安装扶正器，钻进过程中要随时用罗盘测斜仪或经纬仪测量钻杆角度,发现偏差及时纠正。

4.3安装钢管
由于该地层容易发生塌孔、缩径等现象,因此成孔后要及时顶进钢管。

为便于顶进,第一根钢管前端加工成锥形。

管棚钢管利用钻机动力头顶进,钢管间为丝扣连接,安装时用自由钳人工旋紧。

为了增强管棚的整体结构性能,相邻两孔钢管接头错开至少1m,同一断面钢管接头数≤50%。

4.4注浆
为了避免围岩内孔隙水通过钻孔流出而引起地面沉降,必须及时注浆。

采用GZJD型双液注浆泵,前进式注浆,钻一孔注一孔。

注浆工艺流程如图2。

图2注浆工艺流程图
注浆压力和注浆量是注浆施工中的两个重要技术参数,二者至少有一个达到设计标准方可结束注浆。

4.4.1注浆压力
注浆压力是了解浆液在地层中渗透情况的
基本线索,可通过注浆压力的变化来判断注浆情况。

几种注浆压力变化的异常情况分析见表2。

4.4.2注浆量
大管棚注浆量可根据下式估算:
Q L =πR2
k
Lηαβ+πr2L
式中:Q
L
—注浆量,m3;
R k —浆压扩散半径,m;
r—管棚钢管半径,m;
L—管棚长度,m;
η—围岩孔隙率;
α—浆液有效填充率;
β—浆液损耗系数。

一般α、β之积可近似等于1。

表2异常情况分析注浆压力变化情况原因
注浆压力不上升或有所下降①浆液向地表溢出或流入地层大裂隙;
②浆液被地下水稀释,凝胶时间变长。

压力上升后又突然下降且不恢复①注浆管周围堵塞,浆液流失;
②注浆速度过快,破坏了地层原结构;
③浆液流入软土层或土的大孔隙。

压力上升后突然下降,后又上升浆液凝结堵塞了浆液通道,压力大到某一数值后冲破堵塞,压力有所下降;浆液压通道重新被堵塞或浆压重新凝结,压力开始上升。

压力不停顿地上升①土体密实,浆液不能注入;
②浆液凝结时间过快;
③注浆管堵塞。

5长大管棚施工中遇到的主要问题及处理措施
软—流塑地层长大管棚施工遇到的主要问题是钻孔循环介质对地层的扰动。

钻孔循环介质一般用风或水,主要起排渣和冷却钻头的作用。

不论用风还是用水,都或多或少对围岩有一定扰动。

本次施工在第一循环采用风作钻孔循环介质,排渣效果较好,但由于风压高,使孔壁受到破坏,顶
管困难;同时掌子面及边墙出现大面积开裂。

改用水作循环介质后,上述矛盾得以解决,但必须控制水压和水量,水压和水量过大,孔壁和周围地层会受到破坏。

适量的水不仅可以排渣和冷却钻头,还能使孔壁粘土形成泥浆,起到护壁作用。

6总结及体会
工程实践证明,长大管棚工法在隧道超前支护的应用是成功的。

其优越性主要有以下几点:
6.1采用长大管棚工法穿越软—流塑地层,通过注浆将松散的堆积体固结起来,利用大管棚和钢拱架支护围岩,注浆体与管棚和钢拱架连成一个整体而受力,安全度高。

6.2长大管棚工法的梁效应和固结效应,在隧道开挖轮廓线外形成一个环向的支撑体,既能有效地防止了松散体出现坍塌,又能有效控制沉降。

6.3管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可指导洞身开挖提供依据。