目錄

1 前言

2 方案比選

3 方案特點(diǎn)

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5 主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)

施工背景

根據(jù)地質(zhì)鉆探SGZK-NYSSD-6鉆孔資料和連續(xù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)表明，南陽山隧道SK50+477～435.5段洞身穿越泥巖及砂礫交界地層。拱頂泥巖層圍巖節(jié)理發(fā)育，巖性軟弱，厚度0.6～2.0m不等，泥巖之上的砂礫層厚度22m左右，砂礫層主要由礫石及砂粒組成，礫石含量55%左右，鉆孔巖芯采取率低，巖芯呈散體狀，砂礫巖膠結(jié)較差，砂礫層松散、富水。施工中泥巖層滲水，遇水軟化，產(chǎn)生收斂變形，局部可能出現(xiàn)線狀水流、涌水現(xiàn)象，隧道洞室開挖若拱頂揭穿該層極易產(chǎn)生冒頂塌方現(xiàn)象，圍巖穩(wěn)定性極差。為規(guī)避隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，保證隧道安全施工，尋求安全、經(jīng)濟(jì)、合理超前預(yù)支護(hù)方案穿越松散砂礫地層。

研究意義

隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道的修建里程也隨之增加，與此同時(shí)，隧道穿越軟弱破碎、松散、整體性較差圍巖施工中面臨的技術(shù)問題、技術(shù)難題也日漸突出，特別是在通過淺埋、軟弱破碎巖體、塌方段等不良地層，施工難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)較高，安全性差。因此選擇合理的施工方案和支護(hù)參數(shù)，有效地控制施工引起地表沉降，保證地層安全穩(wěn)定，盡量減少對周圍建筑物或環(huán)境的影響，保證圍巖軟弱和淺埋地段等不良地質(zhì)條件下隧道的安全施工是亟需解決技術(shù)難題。

方案比選

1、預(yù)支護(hù)方案對比選擇

隧道施工中順利通過淺埋、軟弱破碎巖體、塌方段等不良地層的預(yù)支護(hù)方法眾多，常規(guī)施工方法有超前小導(dǎo)管、超前錨桿、鉆孔注漿等預(yù)支護(hù)體系,但支護(hù)效果在減少對周圍建筑物的影響、有效保證地層安全穩(wěn)定性、控制地表沉降、支護(hù)體系自身承載能力等方面不盡相同。

2、超前錨桿或超前小導(dǎo)管

超前錨桿或超前小導(dǎo)管，施工方法為沿隧道開挖輪廓線拱圈外縱向以一定外插角向前方打入錨桿或小導(dǎo)管，以撐托拱部以上臨空圍巖，起插板作用，通過錨桿或?qū)Ч茏{固結(jié)一定范圍圍巖，提高圍巖自承能力，提高圍巖穩(wěn)定性?？膳c格柵鋼架、混凝土共同組成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)，具有類似管棚的支護(hù)作用，但一次超前預(yù)支護(hù)一般為1～3m，加固洞壁范圍圍巖有限，預(yù)支護(hù)能力較弱。

3、超前鉆孔注漿

超前鉆孔注漿預(yù)加固地層是把具有充填和凝膠性能的漿液材料，通過配套的注漿機(jī)具設(shè)備壓入所需加固的地層中，經(jīng)過凝膠硬化作用后充填和堵塞地層中縫隙，減小注漿區(qū)地層滲水系數(shù)及隧道開挖時(shí)的滲漏水量，并能固結(jié)軟弱和松散巖體，注漿孔深一般在15～30m。使圍巖強(qiáng)度和自穩(wěn)能力得到提高，在加固地層、封堵水源方面效果較佳，但固結(jié)圍巖自承能力有限。

4、管棚

管棚超前支護(hù)的基本工作原理是在開挖洞頂輪廓線以外一定角度范圍內(nèi)，環(huán)向按照一定的間距超前打入鋼管，并通過鋼管向松散巖層內(nèi)壓注水泥漿液，固結(jié)管棚周邊的圍巖，改善松散破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)。環(huán)向鋼管形成棚架，為開挖及初期支護(hù)作業(yè)提供了安全保障；漿液固結(jié)后的圍巖和鋼管共同組成了一個固結(jié)圈，從而在隧道的縱向和橫向分別形成一個剛度較大的梁結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)，有效提高圍巖的承載力及自穩(wěn)能力，減小圍巖的變形，提前承受早期圍巖壓力，起到超前支護(hù)的作用，以抵擋隧道開挖后產(chǎn)生的圍巖壓力和變形。同時(shí)，隧道開挖后與鋼架一起共同組成剛度較大的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

◆通過以上施工方案對比分析，隧道在穿越松散砂礫層時(shí)，通過注漿改善松散破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，在擬開挖段上方形成具有較強(qiáng)承載能力的整體排架式加固拱圈，能阻止和限制圍巖變形，要求預(yù)支護(hù)體系自身能提前承受早期圍巖壓力，起到超前支護(hù)的作用，保證隧道施工安全，采用管棚法較為安全和合理。

管棚管徑選擇

一般洞口工程選擇φ89mm或φ108mm管徑鋼管，但必須根據(jù)隧道穿越地層圍巖狀況、施工位置、管棚自身承載能力、穿越能力、施工安全和工期要求等特設(shè)條件，選擇鋼管直徑。南陽山隧道穿越砂礫地層段落地處洞內(nèi)，洞身所穿越地層為松散、富水砂礫層，砂礫層無任何自承能力，要求管棚自身受力能力要強(qiáng)，加之施工位置特殊，工期要求較緊，管棚自身受力能力必須保證隧道安全施工，最終選擇φ133mm長大管棚。

方案特點(diǎn)

●大管棚是利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環(huán)形支撐,構(gòu)成縱、橫整體,剛度較大,能阻止和限制圍巖變形,并能提前承受早期圍巖壓力，施工安全可靠。

●大管棚一次超前量較大,支護(hù)過程中搭接較少,節(jié)省材料。亦可減少安裝鋼管次數(shù),并減少與開挖作業(yè)之間的干擾,適用于大中型機(jī)械進(jìn)行大斷面開挖。

●與其它支護(hù)方法相比，管棚支護(hù)技術(shù)機(jī)具簡單及工藝簡單，工期短、效率高，支護(hù)效果好，經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。

●大管棚施工可預(yù)知管棚范圍內(nèi)復(fù)雜圍巖的準(zhǔn)確情況,對隨后的注漿、開挖提供第一手地質(zhì)資料,有利于施工方案的確定。

施工工藝流程及操作要點(diǎn)

施工工藝流程

施工技術(shù)準(zhǔn)備

施工材料設(shè)備準(zhǔn)備

管棚工作室制作

搭設(shè)操作平臺

測量定位

鉆機(jī)就位

管棚加工

鉆孔與清孔

管棚安裝

漿液制備與注漿

隧道開挖

隧道監(jiān)控量測

施工技術(shù)準(zhǔn)備

管棚采用直徑φ133mm無縫鋼管，壁厚大于6mm ,管棚環(huán)向間距35cm，管棚采用分段制作，絲扣連接,每節(jié)長度為3～5m。隧道斷面拱部150°范圍內(nèi)布置管棚，每環(huán)管棚51根，根據(jù)隧道穿越砂礫層長度分兩個循環(huán)施作超前大管棚。第一循環(huán)管棚布置在SK50+483m掌子面上，管棚長度為18m，外插角5～8°（如圖一）；第二循環(huán)管棚布置在SK50+468m處掌子面上，管棚長度為37.5m，外插角1～3°（如圖二）。第一環(huán)管棚與第二環(huán)管棚搭接長度3m，第二環(huán)管棚穿越砂礫層后，伸入泥巖層5m（如圖三）。

施工材料設(shè)備準(zhǔn)備

制作管棚工作室的同時(shí)，將施工所需空壓機(jī)、潛孔鉆機(jī)、鉆機(jī)液壓系統(tǒng)、管棚加工車床、鉆機(jī)平臺機(jī)架及管棚鋼管準(zhǔn)備到位。檢查、調(diào)試、安裝各種機(jī)械設(shè)備，保證機(jī)具施工過程運(yùn)轉(zhuǎn)正常。將φ133mm、φ127mm無縫鋼管進(jìn)場，對無縫管外觀質(zhì)量、壁厚等進(jìn)行驗(yàn)收，保證合格材料進(jìn)場，并進(jìn)行管棚鋼管、連接鋼管的車絲和加工。

管棚工作室制作

隧道洞口進(jìn)行管棚施工時(shí)，須采用套拱作為管棚導(dǎo)向墻。明洞開挖至明暗交接處時(shí)，預(yù)留管棚施工平臺，為保證棚打設(shè)精度，一般明洞襯砌外緣設(shè)計(jì)管棚導(dǎo)向套拱。而隧道洞內(nèi)施作管棚較洞外復(fù)雜，為保證管棚施工安全，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，準(zhǔn)確判斷隧道穿越砂礫層樁號及段落，隧道開挖未進(jìn)入砂礫層之前必須完成隧道擴(kuò)挖，完成管棚工作室制作。同時(shí)保證管棚工作室段落支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，對管棚工作室布點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控量測。

根據(jù)管棚鉆機(jī)長度、高度、管棚施作角度等提前擴(kuò)挖隧道斷面，形成管棚工作室，工作室長度和高度必須滿足管棚施工占用空間和搭設(shè)管棚施工平臺要求，空間過小影響管棚角度，從而影響管棚施工質(zhì)量。

搭設(shè)操作平臺

根據(jù)管棚工作室與管棚施工掌子面距離，將管棚工作平臺及支架搭設(shè)完成,將鉆機(jī)導(dǎo)梁固定于支架上,通過調(diào)整支撐桿來調(diào)整導(dǎo)梁的傾角,滿足管棚設(shè)計(jì)傾角需要。再將鉆機(jī)固定于導(dǎo)梁上,工作平臺搭建和安裝必須牢固、穩(wěn)定，保證施工過程安全，防止施工中鉆機(jī)振動過大發(fā)生偏移和傾斜，影響管棚鉆孔角度。

測量定位

洞內(nèi)管棚一般無管棚導(dǎo)向墻,不規(guī)則斷面管棚施鉆點(diǎn)放樣較為困難，采用全站儀免棱鏡三維坐標(biāo)進(jìn)行管棚鉆點(diǎn)放樣，先在孔口附近測量任意點(diǎn)三維坐標(biāo)，根據(jù)測點(diǎn)樁號與理論鉆點(diǎn)樁號差、測點(diǎn)與中線偏距、理論鉆點(diǎn)與中線偏距、管棚外插角的水平分角、豎直分角等，計(jì)算出實(shí)際掌子面放樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，進(jìn)行管棚施工放樣，解決了不規(guī)則斷面管棚鉆點(diǎn)定位難題，大大提高放樣速度和放樣準(zhǔn)確度?，F(xiàn)場實(shí)地放樣每根管棚的具體位置,采用水泥釘作準(zhǔn)確標(biāo)記，并用醒目的油漆對空口位置作明顯標(biāo)識，對管棚位置進(jìn)行編號。

鉆機(jī)就位

鉆機(jī)就位時(shí)根據(jù)施工放樣準(zhǔn)確位置安裝和固定鉆機(jī)，并嚴(yán)格進(jìn)行機(jī)位調(diào)整。H型鋼軌找平誤差±3mm，底盤對角線誤差±3mm，四柱對角誤差±5mm。

采用三維空間控制鉆機(jī)就位和鉆孔，保證管棚打入角度精度。鉆機(jī)入孔的方位角及傾角必須根據(jù)測量數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制，保證打入管棚角度符合要求，鉆桿前端準(zhǔn)確就位于測量放樣點(diǎn)位，鉆機(jī)后端根據(jù)三維坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)嚴(yán)格調(diào)整水平分角和豎直分角，保證鉆孔角度符合要求。為避免鉆桿及鉆頭因自重下垂或遇到孤石鉆進(jìn)方向不易控制等現(xiàn)象, 鉆孔角度可根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔情況作適當(dāng)調(diào)整, 并隨時(shí)用測斜儀量測角度和鉆進(jìn)方向。

管棚加工

管棚鋼管采用φ133mm無縫鋼管，分段管棚長度應(yīng)為3的倍數(shù)較合適，可以減少材料浪費(fèi)。管棚鋼管加工成每節(jié)長為3.0～5.0m之間，管口絲扣車深度為6cm母扣，管體每0.5m梅花狀設(shè)注漿孔，孔徑大小1.0cm，連接管采用φ127×8mm無縫鋼管，公扣長12cm。

鉆孔與清孔

根據(jù)管棚穿越泥巖及砂礫層地質(zhì)條件，泥巖層含水量較大、粘性強(qiáng)，無水干鉆法容易出現(xiàn)抱鉆現(xiàn)象，而砂礫層富水、松散，成孔難度大，鉆孔過程易出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，采用先成孔后送管方式，雖工藝簡單，但鉆孔過程存在塌孔現(xiàn)象，送管困難，根據(jù)特殊地層條件，鉆孔中需解決抱鉆、塌孔、卡鉆等難題，成孔后需解決送管過程鋼管與孔壁摩阻力大難題，且一次送管長度達(dá)到37.5m，最終采用國內(nèi)較為先進(jìn)的潛孔錘沖擊跟管鉆進(jìn)施工工藝成孔和送管。

鉆進(jìn)時(shí)潛孔沖擊器震動沖擊中心鉆頭，中心鉆頭傳遞沖擊給管棚鉆頭并帶動管棚鋼管鉆頭轉(zhuǎn)動鉆進(jìn)，每根管棚之間靠螺紋連接到鉆孔所需的長度，管棚與回轉(zhuǎn)動力頭無連接。沖擊器與內(nèi)鉆桿聯(lián)接，內(nèi)鉆桿聯(lián)接到鉆孔所需的長度通過連接頭的內(nèi)螺紋與回轉(zhuǎn)動力頭連接，回轉(zhuǎn)動力頭通過連接頭傳遞扭矩給管棚和鉆桿，鉆進(jìn)時(shí)的排渣通過管棚和內(nèi)鉆桿的間隙排出，當(dāng)鉆進(jìn)到所需長度時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)內(nèi)鉆桿90度即可將中心鉆頭與管棚鉆頭分離，將內(nèi)鉆桿全部取出孔外，即可將管棚留在孔內(nèi)。

采用跟管鉆進(jìn)施工方案的同時(shí)，為保證φ133大管徑鋼管順利穿越松散砂礫地層,送管長度符合要求，采用水泥漿液護(hù)壁鉆孔，水泥漿液對孔壁取潤滑作用，減小鉆進(jìn)過程鋼管與孔壁摩阻力，漿液滲入圍巖能起到固結(jié)作用，提高圍巖穩(wěn)定性和整體性，進(jìn)一步減少鉆孔過程易塌孔、卡鉆現(xiàn)象，解決了砂礫層中普通鉆孔工藝成孔困難難題。

管棚安裝

安裝每節(jié)鋼管前必須進(jìn)行質(zhì)量檢查，管材不得有彎曲，絲扣四周壁厚均勻，絲扣完好，管材內(nèi)的鐵屑、雜物及銹皮等必須清除干凈。

鉆進(jìn)中，每次加尺時(shí)要觀察絲扣連接是否緊密，如果松動和間隙，將絲扣擰緊并進(jìn)行焊接，保證跟管鉆進(jìn)過程不掉管。

完成管棚鉆孔和送管工作后，應(yīng)及時(shí)將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實(shí), 在鋼管外露端焊上法蘭盤、止?jié){閥。

漿液制備與注漿

◆漿液制備

提高注漿效果，注漿漿液采用水泥水玻璃漿液，水玻璃摻量為水泥重量5％，水泥漿液水灰比采用1:1；水玻璃濃度35波美度，模數(shù)為2.4。

制備漿液加水的同時(shí)，將水玻璃按一定比例加入攪拌筒，讓水玻璃充分溶解，再加入水泥，攪拌時(shí)間2～3min。

配置好的漿液存放于低速攪拌器的儲漿罐內(nèi)，防止?jié){液隨存放時(shí)間產(chǎn)生沉淀、離析現(xiàn)象。

注漿前先檢查管路暢通和機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況, 確認(rèn)機(jī)械正常后進(jìn)行漿液各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)試驗(yàn), 確定合理的注漿參數(shù)；

注漿前掌子面必須先素噴一層混凝土作為止?jié){墻, 對掌子面進(jìn)行封閉，確保 注漿過程不漏漿；

管棚注漿方式采用間歇式注漿，即一機(jī)兩孔換孔注漿。間歇時(shí)間不能大于1.5小時(shí)，讓漿液有一定的凝固時(shí)間，防止連續(xù)注漿過程漿液無限制擴(kuò)散。

注漿順序?yàn)橄鹊涂缀蟾呖祝茸o水孔后注有水孔，從兩拱腳向拱頂對稱進(jìn)行。

注漿標(biāo)準(zhǔn)為單管注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值或注漿壓力達(dá)到終壓并穩(wěn)壓20分鐘以上，孔內(nèi)不再進(jìn)漿，方可停止注漿。

注漿結(jié)束后及時(shí)封閉止?jié){閥，注漿過程中檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現(xiàn)象, 如發(fā)生串漿,應(yīng)立即停止該孔注漿，采用間歇式注漿封堵串漿口,間隔一孔或數(shù)孔注漿，也可采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵, 直至不再串漿時(shí)再繼續(xù)注漿, 注漿過程中壓力如突然升高, 則可能發(fā)生堵管, 應(yīng)停機(jī)檢查；

注漿過程應(yīng)派專人負(fù)責(zé)填寫《注漿記錄表》，記錄注漿時(shí)間、漿液量、注漿壓力等數(shù)據(jù), 觀察壓力表值。

隧道開挖

待管棚注漿達(dá)到一定強(qiáng)度,可開始進(jìn)行隧道開挖,開挖時(shí)根據(jù)圍巖地質(zhì)狀況決定開挖方式、開挖進(jìn)尺及具體施工方案。南陽山隧道因管棚區(qū)穿越松散砂礫層，采用預(yù)留核心土上中下微臺階法開挖施工，預(yù)留變形量15cm，上中下臺階高分別按3m、2.5m、2.8m進(jìn)行，每循環(huán)開挖進(jìn)尺按50～100cm控制，初期支護(hù)緊跟開挖完成，及時(shí)將仰拱封閉成環(huán)，組織二次襯砌施工。施工中，加強(qiáng)監(jiān)控量測工作。

隧道監(jiān)控量測

根據(jù)《康臨高速公路KL6合同段南陽山隧道監(jiān)控量測實(shí)施方案》，對SK50+460斷面從開挖初期支護(hù)完成至二襯封閉進(jìn)行了全過程測量。SK50+460斷面共埋設(shè)7個測點(diǎn)，分別位于拱頂中心布置的A點(diǎn)，起拱線以上垂直距離3m拱腰處B、C點(diǎn)，起拱線處D、E點(diǎn)及下導(dǎo)坑路面標(biāo)高以上1.0m處F、G點(diǎn)。

◆沉降量在各施工階段分布情況及沉降速率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

根據(jù)拱部沉降觀測成果表，拱部累計(jì)沉降量分別為A點(diǎn)86mm、B點(diǎn)74mm、C點(diǎn)67mm，三點(diǎn)的沉降量分布均在上臺階支護(hù)后至下臺階支護(hù)期間內(nèi)最大，分別為A點(diǎn)84.9%、B點(diǎn)86.5%、Ｃ點(diǎn)83.6%；下臺階支護(hù)后至仰拱封閉后分別為Ａ點(diǎn)15.1%、B點(diǎn)13.5%、C點(diǎn)16.4%；仰拱封閉后至施工二襯前分別為Ａ點(diǎn)0%、B點(diǎn)0%、C點(diǎn)0%。

根據(jù)拱部沉降數(shù)據(jù)繪制沉降速率與時(shí)間變化的關(guān)系曲線，曲線走勢及數(shù)據(jù)顯示，鋪設(shè)防水板前沉降速率分別為A點(diǎn)0.27mm/d、B點(diǎn)0.25mm/d、C點(diǎn)0.24mm/d，表明A、B、C三點(diǎn)的速率在此時(shí)均已基本趨于穩(wěn)定。

◆凈空收斂量在各階段分布情況及收斂速率隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

根據(jù)凈空收斂觀測成果表，凈空累計(jì)收斂量分別為DE線80.37mm、FG線點(diǎn)12.91mm。DE測線的收斂量在上臺階支護(hù)后至下臺階支護(hù)后期間最大，占總收斂量的89.4%；FG測線的收斂量在下臺階支護(hù)后至仰拱封閉期間最大，占總收斂量的98.6%。

根據(jù)凈空收斂數(shù)據(jù)繪制收斂速率與時(shí)間變化的關(guān)系曲線，曲線走勢及數(shù)據(jù)顯示，鋪設(shè)防水板前DE測線收斂速率為0.25mm/d，表明DE測線的速率在此時(shí)已基本趨于穩(wěn)定。

隧道不良地層施工中，通過Ф133超前預(yù)支護(hù)長大管棚施工技術(shù)的應(yīng)用，取得了較好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。該工藝施工過程中主要創(chuàng)新點(diǎn)有：

★ 大管徑鋼管作為超前支護(hù)材料，與小管徑的超前錨桿、超前小導(dǎo)管相比，管棚強(qiáng)度較高，自身能夠承受部分圍巖壓力。通過管棚注漿提高圍巖自承能力，管內(nèi)填充高強(qiáng)砂漿增強(qiáng)管棚受力條件，管棚與圍巖共同組成支護(hù)體系，進(jìn)一步提升超前預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受圍巖荷載能力，穿越松散地層和不良地質(zhì)中，技術(shù)方面可靠，管棚適用性強(qiáng)，支護(hù)效果較為明顯，降低不良地質(zhì)中隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，保證了隧道施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全；

★ 與其他超前預(yù)支護(hù)相比，管棚一次性能形成較長超前支護(hù)體系，減少循環(huán)次數(shù)，減少勞動強(qiáng)度，加快了隧道施工進(jìn)度，保證隧道按時(shí)交工和通車營運(yùn)，取得較好社會效益，縮短超前支護(hù)施工工期，從而降低施工成本。

★ 采用跟管鉆進(jìn)和水泥漿液護(hù)壁鉆孔施工技術(shù)施作長大管棚，解決鉆進(jìn)過程鋼管與其四周圍巖摩阻力大難題，解決砂礫層中普通鉆孔工藝成孔困難,鉆孔過程易塌孔、卡鉆現(xiàn)象,且保證管棚施作長度。

★ 采用全站儀免棱鏡三維坐標(biāo)進(jìn)行管棚鉆點(diǎn)放樣，解決了不規(guī)則斷面管棚鉆點(diǎn)定位難題，放樣精確；采用三維空間控制鉆機(jī)就位和鉆孔，保證管棚打入角度精度。

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