[12-11 17:01:08] 来源：http://www.tmgc8.com 铁路工程 阅读：3465次
摘要：本文结合宜万铁路堰家坪隧道出口段超前管棚注浆的施工，着重介绍岩溶发育段隧道施工中的超前管棚注浆施工工艺控制。结合工程实践，详细地介绍了超前管棚注浆的方案确定，施工设计、施工工艺以及管棚支护效果评价等，确保施工安全和隧道结构的稳定。对类似隧道施工有一定的借鉴作用。
关键词：岩溶发育 隧道 超前管棚 注浆
1 工程概况
宜万铁路DK86 561～DK89＋224堰家坪隧道位于湖北省长阳县榔坪镇，全长2663m，设计为双线隧道。全隧位于曲线半径为2500m的曲线上，隧道设计纵坡为14.8‰和6‰。隧道围岩为奥陶系下统灰岩、泥质灰岩，局部夹页岩，节理较发育，岩体较破碎，结构松散，稳定性差；且洞身位于01含水透水岩组与02 3裂隙弱含水弱透水岩组分界附近靠01侧的丰水区，可能遭遇纵向、横向管道径流的承压水，或承接来自该段南侧背斜山地分流的所有来水，成为“集水廊道”，易发生坍塌、冒顶、涌水、突泥灾害。
2 施工方案确定
2006年3月10日隧道开挖至DK88 996掌子面，揭示从DK89 017断面开始的拱顶充填性溶洞延伸到拱脚位置，即拱顶以下5M范围全部为溶洞充填物。充填物主要为土夹碎块石，充填物较松散，且充填物中渗水严重，水流呈线状，易坍塌，溶洞底以下为灰岩岩体较破碎。采用水平钻孔探测，该溶洞一直在向遂底延伸。根据超前地质预报，原设计的采用超前锚杆纵向间距2m格栅拱架间距1m的支护体系已不能保证隧道的施工结构安全。为确保施工和结构安全，提请设计变更确定对DK88 996掌子面前方26m采用φ108大管棚超前预注浆方案，其他支护措施按宜万遂参03-20隧道围岩Vb级支护施工。
大管棚支护是在隧道开挖外轮廓周边上，间隔一定的距离，沿洞轴方向以一定的外插角钻孔、安设钢管，然后进行超前注浆固结松散围岩的一种预支护措施。通过管棚注浆，钢管与围岩紧密固结，使隧道拱顶预先形成加固的保护环，加固的保护环可以承受拱部的地面荷载和岩层重量，在岩体开挖后架设拱型钢架支撑，支撑拱架相互连接，形成一个牢固的纵横棚状支护结构。由于钢管和围岩形成了一个固结的整体，拱部变形变小，传递给支护钢架的上部荷载大大减小，从而保证了洞身开挖的安全。
3 施工设计
3.1 管棚设计参数。钢管规格：热轧无缝钢管φ108*6mm，节长3m，6m。管距：环向间距40cm共布置36根。钢管轴线外插角1°。钢管施工误差：径向不大于20cm，沿相邻钢管方向不大于10cm。隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少错开1m。
管棚布置见右图：
3.2 注浆设计参数
3.2.1 浆液材料及配比的确定。根据工程地质条件和注浆目的以及各种浆液材料的渗透性、渗透系数，注浆材料选用原则如下：
围岩裂隙发育，可注性好的地层，可采用普通水泥浆液或水泥-水玻璃浆液。粉细砂地层（黏土含量低于2%）或围岩裂隙发育一般、可注性一般的地层，可采用超细水泥浆液或TGRM超细双液型水泥基特种注浆材料。含水、高压致密土体，可采用HSC超细高早强型水泥浆液或化学浆液。
根据岩溶填充物松散的地质条件，本工程选择普通水泥浆液；根据注浆试验的成果确定水泥浆水灰比为0.6:1～1:1。
3.2.2 注浆量的确定。由于浆液的扩散半径与岩层裂隙很难精密确定，根据隧道工程地质、水文条件以及所选择的注浆材料，进行注浆量的估算。注浆量的估算按下式进行：Q=π*r2*L π*R2*L* n*α*β
式中：Q—总注浆量；单位m3；
r—管棚管半径;本工程取0.054m；
R—扩散半径；本工程R取0.5m；
L—管长；本工程取26m；
n—围岩孔隙率；本工程为13%；
α—浆液填充系数（0.7~0.9）；本工程取0.8；
β—注浆材料损耗系数；本工程取1.15。
则单孔注浆量Q=π*0.054*0.054*26 π*0.3*0.3*26*13%*0.8*1.15=0.878m3
3.2.3 注浆压力的确定.注浆压力是注浆施工中的重要参数，它关系到注浆施工的质量以及经济效果。因此，正确确定注浆压力与合理运用注浆压力有着重要的意义。注浆压力与岩层裂隙发育程度、浆液材料的粘度和凝胶时间长短等有关，目前均按经验确定。本工程初压力取0.5-1.0Mpa，终压取2.0～2.5Mpa。
4 超前管棚注浆施工工艺
管棚施工主要工序有掌子面封闭、施工管棚工作室、导拱施工、搭设钻孔平台、钻孔、安装管棚管、注浆。管棚施工工艺流程图如下。www.tmgc8.com
4.1 掌子面封闭 DK88 996掌子面停止掘进，采用φ22mm砂浆锚杆L=3.5m，@1.1×1.1m，φ8mm钢筋网（20×20cm），喷20cm厚C20砼的锚、网、喷临时防护使临空面稳定。
4.2 施工管棚工作室 工作室应比设计断面大30～50cm，工作室长度应满足钻机作业要求。在DK88 996～DK89 002段上台阶管棚范围扩挖80cm作为管棚工作室。在工作室范围内安装格栅钢架间距0.8m，φ8mm钢筋网（20×20cm），喷20cm厚C20砼；钢架底脚落在溶洞底部的围岩上。每榀钢架底脚处打设8根5m长φ42mm锁脚锚管并注浆加固。
4.3 导拱施工 工作室完成后施做导拱，因管棚在松散溶洞填充体内穿过，为提高钻孔的方向控制精度，导拱尺寸确定为1cm×80cm（长×厚），延拱顶环向布置；采用C20砼浇注。将36根φ127×1.0mm导向钢管按照管棚设计的间距和外插角焊接在钢架上。导向管的外插角度控制是影响管棚施做质量的重要因素。钢管距拱顶过高会减弱支护效果；过低可能出现侵入隧道净空，施工时须割除造成管棚支护无效。结合溶洞充填物的特性和管棚的长度，外插角取1.5度。
4.4 搭钻孔平台安装钻机
4.4.1 作业平台采用钢管扣件按“井”字形搭设，平台上铺设木板形成工作面，准备好2m长的方木若干，调整钻机高度。搭设前清理上台阶作业平台上的淤泥杂物，确保钻孔平台落在实地、连接牢固、防止在钻孔时钻机摆动倾斜影响成孔质量。平台长度不得小于6m，以便有足够的空间安装管棚钢管。
4.4.2 钻孔采用二台XY-2PCC地质钻机（φ115mm钻头）平行作业。钻机定位要求钻机与已设定好的孔口管方向平行，采用经纬仪挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，精确核定钻机位置，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
4.5 钻孔施工
4.5.1 根据施工任务布置两台钻机钻孔施工，一台由低孔位向高孔位钻进，另一台由高孔位向低孔位钻进，避免两台钻机互相影响。钻进时先低速低压，等成孔2m后再根据地质情况逐渐调整钻速及风压，钻进过程中要经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量，及时处理钻机过程中出现的事故。当遇到充填物粘性变大，排出的岩屑多为泥团时，采用注浆机向孔中注入高压水，与高压风混合将粘性碎渣吹出。当遇坚硬孤石不能钻进时，采用冲击钻头冲击通过；当钻进过程遇特殊复杂地层，不能钻进或难以成孔时，采用预注浆加固后再钻进施工。
4.5.2 钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
4.5.3 钻进时产生孔斜超过允许范围（钻孔平面误差径向大于20cm时）、坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。
管棚钻孔允许偏差
4.5.4 认真作好钻进过程的原始记录，根据每节段的钻进速度及孔口岩屑进行地质分析，根据记录数据绘制地质剖面图和展开图，为洞身开挖提供地质预测预报资料。
4.5.5 用φ127mm岩芯管进行扫孔，清除孔内岩碴和顺通孔道。岩芯管长度不小于2.5m。如遇下管困难，连续扫孔几次，同时借助高压空气吹洗，直到孔内清扫干净。
4.6 安装管棚钢管 钢管在专用的管床上加工好丝扣，丝扣长15cm，管间接头错开布置。导管四周钻设孔径10mm注浆孔靠孔口1m处的管棚段不钻孔，孔间距15cm，呈梅花型布置。管头焊成圆锥形，便于入孔。为使钢管接头错开，加工钢管时将钢管进行钢节编号，根据加工的钢管节搭配好并做好记录待用。
管棚顶进采用大孔引导和钻机顶进相结合的施工工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔φ127mm，然后用钻机边回转边顶进钢管。顶进困难时，用锤击钢管或用钢管钳扭转钢管，以取得较好的顶进效果。下管要及时、迅速，以保证在钻孔稳定时将钢管送到孔底。钢管末端部可焊设挡圈并胶泥麻筋箍成楔形，以便钢管顶进孔后其外壁与岩壁间隙堵塞严密。
4.7 注浆
4.7.1 安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，注浆后检查注浆质量，浆液扩散半径不小于0.5cm。
4.7.2 水泥浆液由ZJ-400高速制浆机拌制，选用两台BW-250/50型注浆泵进行注浆。
1.高速搅拌机；2.吸浆管；3.回浆管；4.进浆阀；5.泵；6.压力表；7.输浆管；
8.快速接头；9.孔口压力力表；10.钢管接头；11.混合器；12.单向阀；13.三通；14.止浆塞；15.注浆孔
4.7.3 注浆施工要求。
①注浆前在钢管中沿管壁安设φ15mm的PVC管至孔底，在管尾处与堵浆塞排气孔相连接，作为排气孔（安设钢管盖和注浆阀门）；注浆管与堵浆塞进浆孔相连，堵浆塞与钢管间为丝扣连接。www.tmgc8.com
②注浆采用从孔口一次注入，为使管内浆液饱满密实，注浆时等排气孔有浆液流出，进行终压注浆，直至达到设计注浆压力或设计注浆量时终止，然后关闭其阀门；一个孔段的注浆作业一般应连续进行直到结束，不宜中断，应尽量避免因机械故障、停电、停水、器材等问题造成的被迫中断。
③注浆结束标准：单孔注浆量达到设计注浆量，注浆压力达到设计终压力并终压不少于10分钟或注浆结束时的进浆量小于20L/min时，可结束注浆；全段结束标准为所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象或浆液有效注入范围大于设计值。
④注浆作业时若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙浆液充填饱满。
⑤注浆结束后及时清除管内胶凝浆液，并用快硬水泥砂浆封闭管口，以增强管棚的刚度和强度。
5 洞身开挖及管棚支护效果评价
注浆结束后采用上下台阶法开挖施工。超前小导管采用φ42mm钢花管，壁厚3.5mm，长3.5m，管壁每隔15cm交错梅花型钻眼，前段做成尖头便于打入。超前小导管按环向0.4m每根，纵向2m每环，梅花型布置。小导管外插角约5°。开挖施工后初期支护采用20#工字钢0.5m每榀，3.5m长Ф22砂浆锚杆1.0m*1.0m环×纵，20cm*20cmφ8钢筋网片，喷射C20混凝土20cm。洞身开挖后对隧道洞身进行监控量测，如下图（以DK88 990断面为例）
2006年4月3日洞身开挖支护通过DK88 990断面。经过对围岩量测和拱顶下沉两个项目的检测DK88 990断面拱顶下沉于4月16日达到稳定累计下沉值为4mm；径向收敛值很小，累计2mm。最终该管棚注浆段隧道拱顶下沉和洞身收敛曲线趋于缓和；判断该段围岩趋于稳定。而且从图中也可以看出经过管棚注浆后，洞身开挖后围岩变形量很小；达到了预期的支护效果。
该段岩溶填充段从2006年3月28日开始洞身开挖，到2006年4月26日全部施工通过，未出现任何安全质量事故。
6 结束语
通过本工程的施工实例我们可以得出超前管棚预注浆施工方法是解决岩溶隧道软弱围岩的有效方法。超前管棚预注浆是利用管棚预注浆形成纵向支撑，利用型钢钢架作为环向支撑，共同组成一个联合支撑体系。该体系刚度较大，能够有效限制围岩变形，极大程度减少地表下沉和围岩坍塌，增加隧道的施工安全。另外管棚注浆也有效的对洞身周边部分岩溶进行有效填充，改变纵向、横向岩溶裂隙径流通过洞身部分，对于岩溶隧道的突水突泥也有一定的预防作用。
