松散堆积土覆盖层中隧洞超前管棚的施工

郑汉森

（福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程概况

宁波市象山供水（白溪水库等引水）工程为跨行政区域的引水工程，供水对象为象山县中心城区。引水工程干线全长48.673km，其中由福建省水利水电工程局有限公司承担施工的隧洞工程有大雷山隧洞2号出口段1 601.78m；东山隧洞1号进口段672.92m；蔡家岙施工支洞210m。主洞的开挖洞径为2.2m×2.8m马蹄形，衬后为D2.2m圆形。支洞断面为4.5m×3.5m城门洞型，直墙段高2.3m，洞顶为R=2.71m圆弧段，中心角112.3°，洞口底高程61.0m，与主洞交界处底高程41.0m，支洞底坡i=-0.128 5。

输水隧洞沿线穿越的地层以侏罗系上统c段第一亚段（J3C-1）、第二亚段（J3C-2）为主，局部有e段（J3e）与d段（J3d）地层分布。岩性主要为玻屑凝灰岩、凝灰质砾岩、角砾玻屑弱熔结凝灰岩等。距支洞口约40m处有一条河流垂直穿过洞轴线，底高程为55.0～53.0m，上游300m处有一座小型水库。该段地层地下水丰富，稳定性差。

2 问题的提出

在蔡家岙施工斜支洞明挖施工中，按照设计尺寸及高程开挖后，发现地质情况发生很大的变化，开挖面并未见新鲜岩层，而是松散的堆积土覆盖层，其间夹杂大量的碎石和大孤石，稳定性极差，且地下水发育。根据地形观察初步估计，从设计进洞口轴线点K0+210向洞内延伸约20m可能都属于此类堆积层。因此提出增加明挖、变更进洞口和在原设计位置采取有效方式进洞3个解决方案，考虑到征地政策条件的限制，决定按照设计进洞桩号位置强行进洞。

3 施工方案的确定

总体支护原则:根据围岩稳定程度采用“先护后挖”和“先挖后护”相结合的方案，第一步先护后挖，第二步挖后再次支护。“先护后挖”支护方案的选择：

（1）超前锚杆支护:在未扰动而破碎的岩层，结构面裂隙发育的破碎状岩层或松散渗水的岩层中掘进时，宜采用超前锚杆支护。

（2）超前小导管支护：在松散破碎，浆液易扩散的岩层中掘进时，宜采用小导管注浆支护。

（3）超前管棚支护：在回填土堆积层、断层破碎带地层中掘进时，宜采用管棚支护。

本工程洞口进洞段属于堆积土，选择第三种管棚支护方案进行支护。在洞内开挖遇破碎岩层时采用第一种和第二种方法支护。明挖施工完成后先进行洞脸处理并浇筑长度为5m的钢筋混凝土明洞，在设计开挖线以外20cm处，进行隧洞超前管棚施工，管棚施工结束后进行隧洞开挖。

4 超前管棚设计

为确保施工过程中的安全，钢管采用φ76热轧无缝钢管，壁厚6.0mm。钢管节长为6.0m和4.0m两种规格，丝扣连接，单根钢管总长20m（未包括连接丝扣）。自两侧起拱部位开始布置孔位，环向间距30cm。钻孔方向与洞轴线呈3°交角，偏向洞外。钻孔施工误差：隧洞径向不大于20cm，同一断面内钢管接头小于50％，相邻钢管接头要相距大于100cm。钢管总根数22根，共计440m。

5 超前管棚施工工艺

超前管棚施工艺流程：导向拱－钻机就位－钻孔－安装钢管－（钢管加工）－注浆。

5.1 导向拱施工

导向拱是控制钻孔方向，保证钻孔精度的手段。导向拱结构型式为三榀钢筋拱架立于已浇筑完成的钢筋混凝土明洞顶上并与预留钢筋焊牢，拱架间使用φ22钢筋连接。拱架架立完成后，进行导向管的安装，导向管距隧洞开挖线20cm。导向管使用φ108薄壁钢管，管长4.0～5.0m，开嵌入洞脸边坡10cm以上。导向管使用经纬仪测定方向，并控制好两端的底高程，现场焊接在钢拱架上。

5.2 钻机就位与钻孔

使用钢管架搭成作业平台，将LF100型快速钻机安放固定在平台上，连接管路，接通电源。由于该地段地层松软，为了减少成孔难度，避免坍孔，采用水循环跟管钻进。开孔时钻机速度要慢，压力要小，根据地层及钻机情况随时调整钻压及钻速，以保证成孔的偏斜度，发现偏斜超过要求及时纠正。钻进中如遇异常情况，应立即停钻查明原因。

5.3 安装钢管

钢管按要求进行加工，加工时首根钢管的端部加工成锥型。为保证浆液在各断面比较均匀分布，按间隔布置一定数量的钢花管。钢花管的出浆孔，要根据实际地质情况确定其孔径、孔距，一般孔径10.0～15.0mm，孔距100.0mm，梅花形布置。

成孔后，把事先加工好的钢管，以内外丝相连接，逐根顶入孔内，要求管间丝扣连接牢固，相邻两根管丝扣位置错开至少1.0m，每个断面上丝扣总和小于50％。具体施工时，要先进行钢花管施工，注浆后再打普通钢管。普通钢管孔可以作为检查孔检查注浆质量。准确控制钻机立轴方向，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管。

5.4 注 浆

每完成一根钢管，即开始进行注浆施工。注浆使用JZB-2型挤压式注浆泵。注浆液采用孔内循环分段注浆，分段长度一般取5.0～8.0m。浆液配合比根据实际地质情况确定，一般采用0.8∶1，1∶1、1.5∶1等3个比级。水泥使用普通硅酸盐或硅酸盐水泥，标号不小于42.5R。在水泥浆中掺入5％～8％水玻璃作为阻水速凝剂，水玻璃浓度35玻美度，模数2.4。注浆扩散半径不小于0.8m。注浆压力也要根据实际地层情况。出口施工时，由于上覆盖薄，在0～8m内，压力控制在0.1～0.2MPa；8～20m内，压力控制在0.2～0.5MPa。注浆结束标准：在规定压力下，吃浆量小于0.1L/min，持压10min即可结束。

6 隧洞施工

隧洞开挖施工采用新奥法，按“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行。

由于堆积土层较松软，隧洞的开挖以人工为主，并辅以ZL-50型号装载机挖掘、出碴。采用全断面开挖方法，每循环开挖进尺严格控制在0.6m以内。自开始进洞，每隔0.5m布置一榀槽钢拱架，拱架底部为200mm×200mm×5mm钢板。在设置拱架部位，加打φ22锚杆，锚杆间距1.0m，L=3.0m，两榀拱架之间使用φ22@200钢筋纵向连接。支承结构完成后，边顶拱素喷混凝土15cm进行封闭，阳拱底板浇40cm厚钢筋混凝土。每完成5m洞挖及支护作业，进行永久混凝土衬砌。在开挖过程中，如遇拱部钢管露出，使用φ22钢筋把钢筋拱架和钢管焊成一体。

7 施工中应注意的问题和采取的措施

（1）采用超前管棚进行施工，保证要有一定的仰角，以防止钢管形变侵占隧洞开挖时的设计断面。

（2）在隧洞开挖和支护中，要使钢管的间距尽量达到最小，并且及时进行临时支护。对漏水较大的隧洞，要使用现浇混凝土封闭顶拱。

（3）在施工过程中，要加强对隧洞洞线及断面的量测工作，同时，在钢管内安装应力应变仪，量测钢管的应力应变，在保证施工作业安全的情况下，可以适时地改变钢拱架支承的间距，降低工程成本。

（4）采用钻、冲结合法造孔，比较完整的岩石硬度较强段采用冲击法，岩石较破碎地段采用旋转法，取出岩芯。如遇岩石破碎造孔难度大的地段，采用套管护孔，长短套管结合推进，工作结束后再拨出套管。由于土层松散，当钻孔过程中局部产生塌孔时，宜采用钢管代替钻杆，其前端焊接钻头钻孔，钻头与钢管钻进后不取出，作为管棚钢管，直接进行注浆。

（5）应加强支护的施工监测和施工时的地表监测。洞口应设置与施工的监测相结合的位移安全监测点，监测地表下沉及边坡稳定情况。在钢支撑外侧设定监测点，根据新奥法施工特点，通过信息反馈及时确定和修改支护系数，确定是否加强支护，选择加强支护和后续衬砌的时间。

（6）在钻孔过程中，应及时测量钻孔方位，每次测量的方位孔，其杆偏差不应超过1％。当钻孔偏斜率超过允许偏差时，应在孔内注入水泥砂浆，并待水泥砂浆的强度达到10MPa后，方可重新钻孔，并经检查其位置、方向、深度、角度均符合要求后方可进行注浆施工。

8 结语

超前管棚对堆积土覆盖层等地质条件差的隧洞工程有较好的适用性。但毕竟投入大、成本高、施工进度慢。因此，要根据工程的实际情况及地面建筑物的要求，确定是否采用超前管棚施工方案。