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1、浅埋软土隧洞中的超前支护李好辉摘要：当隧洞通过软弱地层、洞口浅埋及偏压段、地质破碎带、滑坡体、洞内断层、洞身线路跨越其他交叉线路结构物距离较近等不良地质地段时，围岩自稳能力较差，应及时采取有力的支护措施，减免塌方及围岩变形。超前管棚支护由于其施工速度快、安全性高、工期短，目前已广泛应用于隧道工程。文章介绍浅埋隧道施作超前管棚下穿铁路线的施工工艺、流程及技术要点，并通过监控量测的数据分析，证明了该方法的可靠性。工程实践表明，超前管棚支护有效地减小了地表下沉和围岩变形，达到了确保不良地质段安全施工的目标。关键词：超前管棚 浅埋 隧洞1. 工程概况九龙江北溪引水左干渠改造二期工程大人庙隧洞分左、右两
2、个洞子，全长 400m，单洞长 200m。隧洞为城门洞形断面，衬砌后净宽 4.2 米，净高 3.8 米，供水设计流量16.0m3/s。隧洞下穿既有鹰厦线和在建的鹰厦左、右线和在建的厦深线四条铁路线（见图1），轨底至隧洞顶的覆土厚度约为 12m17m 。水 泥 路 81.40隧 洞 外 轮 廓 线隧 洞 外 轮 廓 线隧 洞 外 轮 廓 线右 洞左 洞 鹰潭深圳鹰潭鹰潭 新建鹰厦右线厦深线既有鹰厦线新建鹰厦左线厦门特区 供水水管厦门 厦门 厦门 厦门厦门图 1 大人庙隧洞下穿铁路段平面示意图大人庙隧洞设计围岩为 V 级强风化辉石闪长岩及残积砾质粘性土，埋深浅。洞身位于地下水位以下，地下水类型以第
3、四系图层中的孔隙水，基岩风化裂隙水为主，富水性较弱。围岩在饱水状态下极易软化，无承载能力，属于烂泥塘状地质，且下穿四条铁路线，铁路防下沉变形要求高。洞口段及穿越铁路地段拱部采用超前管棚支护，其余一般地段采用超前小导管注浆等超前支护措施（后期变更为超前管棚结合超前小导管支护） ，初期支护采取工字钢结合锚喷砼方式进行。目前在国内属比较罕见的下穿既有线浅埋极软弱隧洞，技术含量较高，施工难度较大。2. 施工工艺2.1 工艺特点大管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑,形成牢固的棚状支护结构,开挖前起到预支护的作用,以保证施工过程中的安全。管棚刚度大，能阻止和限制围岩变形,并能提前承受早期围
4、岩压力，是一种超前支护形式。管棚采用潜孔钻机施作,不仅速度快,而且安全性好,机械化程度高,可节省大量的人力。2.2 施工工序大管棚作业工序流程见图 2.开 挖 作 业 平 台测 量 放 点钻 孔安 装 管 棚注 浆洞 身 开 挖 及 支 护管 棚 制 作注 浆 材 料 及 机 具 准 备封 闭 作 业 面 /作 业 止 浆图 2 管棚作业流程图2.2.1 开挖作业平台首先根据钻机自身高度确定台阶的开挖高度，自上而下挖台阶。当挖至台阶底部时，形成管棚钻机施作平台。大人庙隧洞左洞施工下穿铁路段采用水平有线导向跟管钻进的方法实施，一次钻进 70m，分 2 次搭接施做，钢管采用内丝扣连接。施工机具较大
5、，对空间要求较高，需要开挖 9m 管棚工作室。工作室上导坑初期支护后比原设计开挖线大80cm（见图 3） 。 工 作 室 开 挖 线原 设 计 开 挖 线图 3 扩大管棚工作室断面图2.2.2 测量放线根据线路中心线控制桩及高程控制点用红喷漆标志出每根管棚的位置， 管棚布置见图 4.2.2.3 钻孔2.2.3.1 钻孔顺序钻孔采用管棚钻机进行，钻机平台的高度根据钻机的可调控范围以及钻孔顺序进行确定，由于钻机钻孔顺序按高孔位向低孔位进行，平台位置相应自上而下进行逐步降低，以满足钻孔需要。 图 1-1 超 前 支 护 环 向 间 距 40cm采 用 186管 棚1#25#50图 4 管棚布置示意图
6、2.2.3.2 工艺要求a. 钻机就位时用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线和导向轴线相吻合。b. 需要搭设钻机平台时，应满足承受机具、材料、人员荷载要求，连接牢固、稳定，防止施钻时产生不均匀的下沉、摆动、位移等影响钻孔的质量。c. 钻孔时经常测量孔的斜度，发现误差超限应及时纠正，至终孔仍然超限者应封孔，原位重钻。d. 在钻孔时，若出现卡钻、塌孔时应注浆后再钻。钻孔时，应认真填好钻孔记录，除记录钻孔深度、方向角外，还应根据钻孔出屑或取蕊情况记录不同孔时的围岩情况，达到超前探测围岩的目的。孔钻完之后应进行清孔。2.2.3.3 特殊钻孔大人庙隧洞左洞下穿段由于采用水平有
7、线导向跟管钻进的方法，钢管安装和钻机进尺是同一过程。钻头采用与钻管等径的楔型钻头，楔板回转半径略大于钻管半径，钻头前端有 810mm 的水眼，当钻头正常回转钻进时钻管沿直线前进。当钻头由于某种原因偏离预定轨迹偏向某一方向时，把钻头楔面调至已经偏斜的方向，钻机停止回转加力顶进，钻头由于斜面的作用就会向相反的方向偏斜，以此调整钻进的方向。面向角的朝向和钻头的偏斜方位都是由装在钻头后部的导向探头监测的，通过穿过钻管的导线连接到位于钻机操作台的显示屏，机手可以方便的调整钻进方向。这样终孔偏差可以控制在 5以内。钻头示意图如下：图 5 超长管棚钻头示意图如图所示：钻头内装有特制的传感器，传感器直接由 1
8、5V 直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向： 导向板朝上即为 12 点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到 12 点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在 6 点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9 点、3 点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。2.2.4 管棚的加工及安装管棚（钢管、钢花管）为直径为 108mm、壁厚为 6mm 的无缝钢管。管棚管壁上钻孔，并呈
9、梅花形布置其纵向、横向间距为 15cm，尾部为不钻孔的止浆段 110cm（见图 6） 。钢花管在同一截面的接头数不得超过管数的 50%，两组管棚（钢花管、钢管）的搭接长度不应小于 3m。管棚在安装前用高压风对孔内进行扫孔、清孔，清除孔内浮渣，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。管棚可采用顶进安装，逐节接长，用于接长管节的接头钢管用直径为114mm，壁厚为 6mm 的热轧无缝钢管通过外车丝扣及内车丝扣进行连接，外车丝扣长度为15cm，内车丝扣长度为 30cm。因此要求加工精度必须达到要求，才能保证连接长度、密封等。2.2.5 注浆2.2.5.1 注浆参数管棚安装完成后进行注浆，浆液采用水灰比为 1
10、：1 的水泥浆液，注浆顺序原则上由低孔位向高孔位进行。首先对钢花管进行单液注浆，注浆压力取 1.02.0MPa，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验，注浆结束后采用 M7.5 水泥砂浆充填钢管。2.2.5.2 工艺要求a. 注浆前应采用喷混凝土 、喷混凝土加注浆或加其它的方式对开挖工作面进行封闭，形成止浆墙，防止浆液回流影响注浆效果。b. 注浆时先注单号孔（钢花管） ，待单号孔注浆完成后再钻双号孔并安设钢管，以检查钢花管的注浆质量。c. 注浆的顺序原则上由底向高依次进行，有水时从无水孔向有水孔进行，一般采用逐孔注浆。d. 注浆压力根据岩层性质、地下水情况和注浆材料的不同而定，一般情况
11、下注浆终压取 1.02.0Mpa。e. 以单孔设计注浆量和注浆压力作为注浆结束标准，其中应以单孔注浆量控制为主，注浆压力控制为辅；注浆时要注意对地表以及四周进行观察，如压力一直不上升，应采取间隙注浆方法，以控制注浆范围。f. 注浆时，应对注浆管进行编号，每个注浆孔的注浆量、注浆时间、注浆压力作出记录，以保证注浆质量，注浆记录包括：注浆孔号、注浆机型号、注浆日期、注浆起止时间、压力、水泥品种和标号、浆液容重和注浆量。g. 灌浆的质量直接影响管棚的支护刚度，因此必须设法保证、检验灌浆的饱满、密实。h. 注浆孔封堵方式：采用钢板在钢管口焊接封堵，预留注浆管及排气管，注浆管必须安装阀门，堵头必须封闭严
12、实。3. 量测监控为了保证施工安全以及检查大管棚的实施效果,大人庙隧洞工程将监控量测纳入设计范围，对水平收敛、拱顶下沉和地表沉降 3 个必测项目实施了监控量测。本次监控量测发现各量测断面水平收敛、拱顶下沉和地表沉降变化规律基本相似。水平收敛、拱顶下沉及地表沉降变形均可分为急剧变形、缓慢变形、基本稳定 3 个阶段，变形急剧原因是开挖下台阶处而引起的松动，但收敛量均在允许收敛范围内，符合设计要求。这也充分说明了大管棚预注浆超前支护对防止围岩恶化、控制隧道变形的作用是十分显著的。4. 结语引水隧洞穿越浅埋围岩段施工,无论是开挖还是初期支护在施工技术上都存在一定的困难。超前管棚是隧洞软弱围岩最有效的辅助施工措施之一。由于其成熟的施工经验以及良好的施工效果,在隧道施工中得到广泛的应用。超前管棚施工技术的应用加强了围岩的整体性能,使隧道施工可以在相对安全的环境下跨越软弱围岩段,保障了生命财产的安全,为整个隧道工程正常顺利开展工作奠定了良好的基础。采用小管棚进行超前支护,结构简单,施工简便、造价低廉,具有显著的经济效益,可为今后类似的工程起到参考作用。参考文献1李建军,谢应爽.隧道超前支护管棚工法设计与计算研究J.公路交通技术,20072林希贺.超前管棚支护在隧道工程中的应用J.铁道建筑,20063张志秀.堆积体浅埋隧道超前支护大管棚施工方法J.山西建筑,2009
