利用超前中管棚预支护实现隧道“零开挖”进洞

PAGE利用超前中管棚预支护实现隧道“零开挖”进洞工程简介安徽黄塔（桃）高速公路作为安徽省唯一一条交通部典型示范路，对环保要求极高，业主提出隧道按照“零开挖”要求进洞，我项目利用超前管棚预支护，分台阶留核心土法开挖技术，确保了隧道的安全进洞，同时最大程度上减少了洞口边仰坡的开挖，从而减少了对洞口处原生态的破坏和影响，达到了生态环保的目的。某隧道位于江西省的婺源县与安徽省的休宁县分界处：北洞口在休宁县岭南乡璜茅村，南洞口在婺源县溪头乡上溪村东北600m处，隧道左线起迄桩号K3+554～K7+310,长度为3756m（其中安徽省境内长度为2082.3m，江西省境内长度为1673.7m），隧道右线起迄桩号K3+537～K7+265,长度为3728m（其中安徽省境内长度为1766.5m，江西省境内长度为1961.5m），属特长分离隧道。该隧道设计为双洞四车道，单洞净宽10.25m，净高5.0m。右洞进口桩号ZK3+560.5，设计标高310.30m;右洞进口桩号K3+527.9，设计标高310.25m。隧道进洞口地层为志留化-晚奥陶世花删节岩，强风化带，表层为第四系全新统7～10m的松散土层组成，花岗岩强风化带以碎块状松散结构为主，受第四系松散岩类孔隙水较发育的影响，岩土的稳定性较差；南面洞口地层为双桥山群下亚群千枚状板岩强风化带，表层为第四系全新统1～3m的松散土层组成，千枚状板岩强风化以碎块松散结构为主，局部为碎石镶嵌结构，松散土层为蠕动状结构，岩土的稳定性较差。隧道所处山体植被发育，地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，主要赋存在残坡积土层中，地表、地下水丰富。问题的提出及方案确定某隧道施工自年5月开始施工准备进洞，随着表土清除，洞口开挖工作面形成，时值南方雨季提前到来。长时间降雨造成围岩受浸泡富水饱和，地表泉水涌出，洞口开挖工作面极容易发生坍塌，施工进洞困难。根据现场实际情况，为实现隧道“零开挖”进洞要求，结合其他隧道施工经验，认为较为合理的施工方法是采用中管棚超前预注浆支护，先对洞口段进行中超前管棚预支护再分台阶留核心土法进行开挖，可以有效保证洞口边仰坡安全，确保顺利进洞，实现隧道“零开挖”进洞要求。3施工设计3．1施工参数选择3．1．1中管棚设计中管棚采用φ89mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，长度为15m。管棚环向间距拱部为40cm。外插角1°～3°。隧道左、右洞中管棚钢管总数各为35根,共计1050m，重12.894t。钢管上注浆孔孔径8mm，孔间距15cm，梅花型布置，钢管节长分为6.0m及3.0m两种规格,丝扣连接，尾部200cm范围内不钻孔作为止浆段。如图1所示。图1管棚布置图3．1．2注浆参数设计（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用水泥浆，水泥使用普通硅酸盐水泥的标号不小于425号，水泥浆液水灰比为0.8:1～1:1;注浆压力：1.0～2.0MPa，持荷5～10min;（3）浆液扩散半径：不小于0.5m;（4）单根钢管注浆量：Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β式中：r为钢管半径，L为钢管总长度，考虑与钻机连接，取14m；R为浆液扩散半径，取0.5m；η为地层孔隙率，经测试η为12%；α为浆液有效充填率，取0.9；β为浆液损耗系数，取1.15。经计算，单根钢管注浆量Q=1.71m3。4方案实施4．1中管棚施工前准备工作4．1．1疏排地表水洞口仰坡稳定地层，建立枝状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围，以防积水下渗。4．1．2引排地下水为引排洞口段地下水，在适当位置钻设2个φ20CM降水井，利用深井潜水泵和螺杆泵抽取地下水以疏干土体，降低洞口周围地下水位。4．1．3施作套拱作为中管棚导向墙套拱是控制钻孔方向,保证钻孔精度的手段。套拱采用C25混凝土,厚40cm,拱内侧为隧洞开挖设计线,拱中心线距隧道开挖线20cm。套拱结构型式为三榀I18工字钢支立于底板上,拱架间使用Φ22钢筋连接,拱架底部为200mm×200mm×10mm的钢板。拱架支立完成后,进行套管的安装。套管使用Φ114×5mm钢管,管长2.0m。套管使用经纬仪测定方向,现场焊接在钢拱架上。4．2管棚施工4．2．１钻孔（1）根据套拱中预埋的钢套管作为套管进行钻孔。掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。（2）钻孔前先检查钻机机械状况是否正常；钻孔选用比管棚直径大20～30mm合金钻头，在钢管一端管口焊接。钻机采用地质钻机，隔孔施钻。钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进。（3）开孔时，低速低压，待成孔1.0m后，适当加压，在土质层中钻孔采用低压钻进。钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹沙层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。（4）钻进采用一次成孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，钢管前端安装合金钻头，钢管随进度连续接长，直到设计位置。（5）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1°～3°之间，并随时用特制精密水平陀螺仪检测仪量测角度和钻进方向，随测随调整。施工准备施工准备仪器调试设备安装、就位仪器调试设备安装、就位泥浆制作、钻进监测钻机成孔泥浆制作、钻进监测钻机成孔钢管对口丝扣联接管棚安装钢管对口丝扣联接管棚安装管棚注浆管棚注浆验收验收下一循环下一循环图2管棚施工工艺流程图4．2．２管棚安装（1）钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。（2）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15cm。（3）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、止浆阀，并检查焊接强度和密实度。4．3管棚注浆4．3．1施工工艺高压阀高压阀注浆泵搅拌机水泥浆池注浆泵搅拌机水泥浆池孔口阀孔口阀水水泥水水泥止浆塞注浆管注浆孔图3管棚注浆施工工艺图4．3．2施工程序及方法（1）注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，据以施工。（2）注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，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。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。（3）注浆压力达到1.0～2.0Mpa，并持荷5～10min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。（4）注浆过程应派专人负责，填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。5洞口段开挖隧道开挖施工,按“先降水、再加固、短进尺、强支护、快封闭”的原则进行。该隧道洞口段开挖采用分台阶留核心土法，开挖方法适时调整，上台阶采用预留核心土环形开挖，施作初期支护（留核心土）；下层台阶先挖中间核心土，后挖侧槽，及时初期支护，再灌筑仰拱，形成封闭环开挖。开挖支护流程如图所示：图4开挖支护流程图6效果评价为保证施工安全及检查中管棚的实施效果，专门组织对某隧道进口段的净空收敛监控量测。埋设了2条收敛基线，监测数据分析见表1。从量测情况看，埋设初期2条曲线收敛增长较慢，上核心土开挖时收敛变形急剧增长，然后趋于稳定，均满足设计要求。充分说明了中管棚预注浆超前支护对防止围岩恶化，控制隧道变形作用是显著的。表1拱顶下沉位移速率变形分析单位：mm/d隧道名称桩号缓慢增长阶段速速率（0～30天）急剧增长阶段速速率（30～40天）基本稳定速率（40～60天）某隧道左洞ZK3+57000．421．430．06某隧道右洞K3+5300．211．210．03采用管棚施工,由于钢管的一端浇入混凝土中,另一端插在岩层中(尽管该岩层为全风化状态),在进行开挖时,钢管承受较大荷载,围岩的负荷减少。为安全施工提供了保证。初期支护采用的I18工字钢支撑,间距为50cm,故实际的钢管棚净跨度不足45cm。在开挖施工初期,虽然钢管内有较大的法向应力出现,但弯矩基本保持不变。随着上覆岩体逐渐加厚,弯矩会有所增加,但变化不会太大,这是因为弯矩只和支承在两榀钢拱之间的、喷混凝土支护上的管棚,局部向下产生的垂直位移有关,而局部管棚具有较大的刚性,并且钢拱架、喷混凝土和钢管棚已形成了整体的支护体系。在实际施工中,虽然围岩渗漏水严重,大部分均呈表面滴水状态,采用I18工字钢支撑和喷混凝土支护,保证了与围岩紧密结合共同受力,从而进一步提高了“围岩支护体系”的承载能力。这从地表无明显沉降变形可以清楚地说明。7总结及体会对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段采用长大管棚施工工艺，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，可减少地表下沉和防止围岩坍塌，提高隧道的长期稳定性，同时确保隧道“零开挖”进洞。采用超前管棚进行支护,要注意以下几点:(1)采用超前管棚进行施工,钻孔要有一定的仰角,以防钢管形变侵占隧洞开挖时的设计断面;(2)隧洞开挖和支护,要使钢管的净跨尽量达到最小,并且及时进行临时支护。对涌水较大