大管棚预注浆支护技术在堆积体偏压大跨隧道中的应用

1、大管棚预注浆支护技术在堆积体偏压大跨隧道施工中的应用邓矿辉（中铁五局集团一公司 长沙市 410117）【提 要】本文阐述了秦岭终南山特长公路隧道东线北口堆积体段超前大管棚的施工，通过监控量测结果进行分析，总结了超前预支护技术在通过软弱围岩时的作用。【关键词】超前预支护 堆积体 大跨隧道 施工 效果评价1 工程简介秦岭终南山特长公路隧道是西安-安康高速公路穿越秦岭山脉的一座越岭隧道。隧道全长18.02Km。隧道设计为双洞四车道，隧道衬砌内轮廓净宽10.92m，净高7.60m，最大开挖断面积109.63m2。洞内路面设人字形纵坡，坡率3，隧道最大埋深1640m。该隧为我国目前最长的公路隧道，在世界

2、上仅次于挪威Laerdal隧道居世界第二位。隧道洞身横穿秦岭东西构造带，该带经历了多期构造运动、变质运动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性复杂，并有多条断层穿越。隧道北口段洞口56m（K64+709 +765）位于浅埋偏压地段地段，类围岩，为第四纪(Q4c)坡积层与强风化基岩接触地带。该段埋深浅，大小孤石直径从20cm至5.0m不等，错落排列，岩堆内部为较大的碎石、块石错乱叠置而成，细颗粒的泥砂较少，碎屑物之间没有胶结，结构松散，围岩稳定性极差。坡面为松散岩块自然堆积坡，坡面孤石众多。2 问题的提出及方案确定对于隧道北口段56m浅埋偏压堆积体地段，设计院提供的施工方案为：在K65+112处（距

3、洞口403m）设置一道斜井，从斜井向洞口及洞内两端同时施工，进口段堆积体采用从内到外（围岩由好变坏）的方法施工，采用42mm小导管超前预支护。但考虑到：1）由内向外开挖，能够保证堆积体段洞身支护的稳定，但对洞口边仰坡安全无保障； 2）该隧道合同要求开挖工期仅为13个月，斜井纵坡大（i=9），出碴与进料运输条件差，进口与斜井如不能尽早贯通，将影响后续工程的实施；3）洞口段403m的提前贯通，可以改善特长隧道的通风排水条件。因此，采用由内向外单向开挖方式对通过该堆积体存在诸多弊端。结合其它隧道施工经验，认为较为合适的施工方法是采用大管棚超前预注浆，先对洞口段堆积体进行固结处理，再进行开挖可以有效地

4、保证洞口边仰坡安全和满足工期等各方面要求，并且采用大管棚支护存在以下优点：（1）堆积体方量很大，而且存在偏压现象，大管棚注浆能有效地阻止堆积体岩体滑移，并能防止岩体偏压对隧道的影响。（2）管棚注浆能有效地防止洞口仰坡面失稳，并对松散岩体有固结作用。（3）在大管棚内加入钢筋笼并注浆后，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。（4）采用大管棚支护可根据实际情况局部穿插超前小导管或超前锚杆支护，施工灵活方便。3 施工设计3.1 注浆机理由于堆积体结构松散破碎，本工程采用渗透注浆及压密注浆。3.2 施工参数选择1）大管棚设

5、计图1 大管棚支护设计图大管棚采用108mm，壁厚5mm的热轧无缝钢管，长度为20m，堆积体范围内共3环大管棚，布置在拱顶180范围内，管棚环向间距为30cm，距开挖轮廓线30cm，外插角35。钢管上钻注浆孔，孔径10mm，孔间距50cm，梅花形布置，尾部2m范围内不钻孔作为止浆段。见图1所示。2）注浆参数设计图2 钢筋笼示意图（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用32.5普通硅酸盐水泥，水玻璃采用型水玻璃，体积质量为1.25gcm3，水玻璃浓度为35Be，水泥浆液水灰比为0.6:11:1，水泥与水玻璃浆体积比为1:0.5；（2）注浆压力：0.51.2MPa；（3）浆液

6、扩散半径：R0.70.3=0.21m，取0.3m；（4）单根钢管注浆量Qr2LR2L式中：r钢管半径，0.10820.054m； L钢管长度，考虑与钻机连接，取24m； R浆液扩散半径，取0.3m； 地层孔隙率，堆积体经测试为11；浆液有效充填率，取0.9；浆液损耗系数，取1.15。经计算，单根钢管注浆量：Q0.992m3。3）技术措施为加强管棚刚度，在钢管内放入314钢筋笼。见图2所示。4 方案实施4.1 施工准备4.1.1坡面处理 （1）坡面如果能达到自稳要求，并且对下部施工不造成重大安全隐患的尽量不刷坡，采用加固措施进行防护。（2）钻孔前将坡面杂草、危石清除干净。（3）按设计要求锚-网-

7、喷护坡，喷砼厚度15cm，锚杆长度3.0m，间距1.01.0m成梅花型布置；8mm钢筋网满铺坡面，网格间距2020cm。（4）必要时在坡面设重型轨排防护，防止坡面局部危石失稳。（5）坡面有大孤石时，先在孤石周围注浆固结周边砂石，待注浆达到设计强度时再将孤石清除。4.1.2人员准备管棚施作必须具备以下人员（按三班计算）钻孔 15人/台钻钢筋笼制安 3人钢管加工 3人注浆工 6人搅拌浆液人员 8人修理工 2人电工 3人4.1.3管棚施作需用机械设备（见表1）表1、机械设备配备机械名称规格单位数量备注水平钻机ZY-150台3钻眼长度大于100米注浆机BW-250台3电焊机台2台式钻机台1砂浆搅拌机台

8、24.2 管棚施工工艺流程（见图3）管 内 注 浆水泥浆拌制制作钢筋笼安设钢筋笼施 工 准 备 测 定 孔 位钻 孔安 设 钢 管图3、管棚施工工艺流程图4.3 测定孔位及钻孔4.3.1孔位测定钻孔前按五寸台画出管棚位置轮廓线（按开挖轮廓线放大30cm），按孔间距定出孔位，并能满足和设计要求，如开始位置在软弱带或夹泥砂带时，可适当变动孔位，但范围不能超过30cm；钻孔面必须按要求先喷一层素砼作为止浆墙，并确保钻孔面不出现坍塌。4.3.2钻孔（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，检查水压能否达到施工要求；钻孔时必须按设计位置开钻，如设计位置开钻困难时，采取辅助措施；（2

9、）钻孔根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易坍孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如坍孔较严重时，可加水泥浆或化学浆液护壁继续进行；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊在钢管前端钻进。（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，避免夹钻现象。（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，开钻上挑角度就控制在35之间，并随时检查角度值和钻进方向。4.4安设管棚、钢筋笼（1）钻孔好后及时安设管棚钢管，避免出现坍孔。（2）钢管安装困难时，可用卷扬机反压顶入（见图4）或用其它方式将钢管顶至设计位置。（3）钢管和钢筋笼应在场外先行预制加工，到施工场地后

10、再接长。钻孔钢管钢丝绳至卷扬机木楔锚点图4、管棚钢管安装示意图（4）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，保证钢管间的连接强度；钢管安装到位后，再将钢筋笼放入钢管内，钢筋笼采用焊接连接，焊接长度满足规范要求。（5）及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘，并检查焊接强度和密实度。4.5管棚注浆（1）注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆试验，确定合理的注浆参数，据以施工。（2）注浆采用水泥-水玻璃利用三通管同时注入，水泥浆必须拌制均匀，并按比例与水玻璃浆液注入。（3）注浆过程中随时检查孔口、邻孔、河沟、覆盖较薄部位有无串浆现象，如发现串浆现象，立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口

11、，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。（4）单液注水泥浆压力突然升高，可能发生堵管，应停机检查；双液注水泥与水玻璃浆如压力突然升高，则关停水玻璃泵，进行单液注浆或注清水，待泵压正常时，再进行双液注浆；水泥浆单液和水泥水泥与水玻璃双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝结，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间，才能避免产生注浆不饱满；（5）注浆压力达到1.0Mpa，并持续稳定5min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。4.6注浆效果检查（1）注浆终孔压力达到

12、1.0Mpa，持续稳定5min以上，视为该注浆孔已满足要求。（2）注浆完毕用铁锤敲击钢管，如响声清脆，则说明浆液未填充满钢管，需采取补注或重注；如响声低哑，则说明浆液已填充满钢管。（3）开挖后及时观察岩壁面，钢管周围20cm范围岩隙应被基本填密实，并作好记录。5 堆积体段开挖支护情况简介大管棚施工从2002年3月28日开始，到2002年4月19结束，历时24天，共施工大管棚63根，由于堆积体软硬变化频繁，地质钻机在钻进过程中困难极大，经常出现卡钻、掉钻头现象，原定56m一次钻进方案不能完成。根据现场情况，采取只在前20m（K64+796K64+816）用大管棚支护，并在洞口段做了2m长的棚洞，

13、防止仰坡脚溜坍；后36m（K64+816K64+852）按设计要求用注浆小导管进行超前支护。超前小导管采用外径42mm，壁厚3.5mm无缝钢管，长3m，全部为花管，为便于打入，前段做成尖锥型，管壁每隔15cm交错梅花形钻眼，眼径8mm；超前小导管间距为：纵向2.0m，搭接长度不小于1.0m，环向0.3m，进洞位置内外两环，环间距0.3m，梅花形布置，钢管外插角约50，为加强小导管刚度，在小导管内插22mm螺纹钢。洞身开挖采用上下断面分部开挖法，初期支护参数：I16工字钢架 3榀/2m，纵向连接筋1.0根/m（环向），C25喷射砼厚度20cm，22mm锚杆：1.01.0m（纵向环向，梅花形布置）

14、，8钢筋网网格尺寸2020cm。该段56m从2002年4月21日开始施工，2002年7月5日贯通，未出现任何安全质量事故。6 效果评价本隧道监控量测实施及研究课题由长安大学（原西安公路学院）及铁道部西南研究所负责组织，根据合同要求，隧道净空收敛和地表量测采用自测的方法，对56m堆积体段做了净空收敛量测、围岩压力监测、喷砼应力监测、钢架应力监测、锚杆受力监测、地表位移量测共六个项目，着重对净空收敛在不同超前支护位置变形情况描述如下：分别在K64+810（管棚支护位置）、K64+816（管棚与小导管交界处）、K64+825（小导管支护处）墙中埋设了三条收敛基线，从量测情况来看：埋设初期三条曲线收敛

15、增长较缓，下台阶开挖时收敛变形急剧增长，然后趋于稳定；而三条曲线增长速率表现为：K64+810基线变化较为缓慢，K64+816基线次之，K64+825基线变化较快，充分说明了超前支护对防止围岩恶化，控制隧道变形作用是显著的，并且采用管棚支护效果明显好于小导管支护，特别是下断面开挖时，大管棚预支护段变形速率较慢。三条曲线变形分析及时态变化曲线见表2和图5。表2、净空收敛监测变形分析里程缓慢增长阶段速率（mm/d）急剧增长阶段速率（mm/d）基本稳定速率（mm/d）K64+8100.251.330.03K64+8160.361.650.05K64+8250.832.160.08mm6010121820304050607080(天)(5.14)K64+810(7.2)mm60121810203040506070(5.29)(8.17)K64+8162480(天)(9.1)mm6010121820304050607080(天)(6.13)2430K64+825 图5、各断面净空收敛曲线7 总结及体会利用大管棚和超前小导管作为穿越堆积体