复杂地质下超前大管棚施工在车站隧道施工中的应用

周 永

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

复杂地质下进行车站隧道施工，围岩的稳定性比较差，在开挖过程中容易发生洞室坍塌、失稳等安全事故，甚至会危及到施工的安全性。可采用超前大管棚施工技术来确保岩体的稳定性。传统有工作室大管棚施工技术在超前管棚施工前需要开挖出管棚工作室，但大管棚循环施工距离比较短，大约在25m左右，在长距离车站隧道施工需要开挖多个管棚工作室，严重影响了施工效率，而且开挖断面的反复变化会发生应力集中现象，增加施工风险。而无工作室超前大管棚施工技术，则能有效避免此类问题的发生。主要是利用隧道管棚机在隧道拱顶前沿轮廓线外区域钻设水平孔，搭设超前支护钢管并进行注浆来固结围岩，从而使车站隧道拱顶预先形成棚架保护环，达到加固围岩和扩散围岩压力的目的。

一、工程概述和水文地质条件分析

（一）工程概述

月直山隧道进口工区车站段位于金口河区境内，里程：DK239+915～DK240+170，长 255米，为三线车站隧道，洞口与路基相连，线路纵坡：DK239+915～DK240+500，平坡。钻爆法施工，开挖工法有明挖法、双侧壁导坑法，采用C25锚喷网结构初期支护，C35钢筋混凝土二次衬砌及仰拱。月直山隧道车站段暗洞支护参数如附表1所示。

（二）水文地质条件

1.地层岩性。该工程地层岩性为进口覆盖第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）中砂、漂石土，第四系全新统坡崩积层（Q4dl+col）碎石土，下伏基岩为前震旦系峨边群三段(Pteb3)中层状板岩。地层节理裂隙发育，岩体破碎比较严重。

2.地质构造。在金口河逆断层与洞身相交于DK2 41+244附近的断层为逆断层，位于白云岩和变质砂岩之间，走向为N45°～55°，倾角在55°～60°之间，断层破碎段主要为板岩和白云岩，宽度在80m～100m之间。

3.水文地质。地表水主要为地表沟水以及少量的水田水，季节变化比较大。地下水主要为基岩裂隙水，水量比较小，但埋深较大。该隧道穿越了地下水分布构造，水文地质条件比较复杂，多为水富集区，容易发生涌水和涌泥等现象。

二、工作室超前大管棚施工优势

大量工程应用实例表明，和传统有工作室超前大管棚施工相比，新型无工作室超前大管棚施工技术所具有的优点主要体现在以下几个方面：

第一，安全性更高。传统有工作室管棚断面比较大，需要在原车站隧道断面的基础上扩挖0.8m～1.0m。如果在开挖时遇到破碎围岩，则会对软弱围岩造成干扰，影响施工的安全性。而无工作室超前大管棚施工技术则无需改变隧道断面，并且施工比较灵活，无论安全性还是质量都能达到保障。主要是利用车站隧道设计开挖空间进行超前大管棚支护，可有效满足复杂地质条件下对快挖和快支护的技术要求。

第二，经济性更好。采用有工作室超前管进行施工时，需要对工作室进行扩挖，增加开挖量和初期支出量，二次衬砌混凝土用量也随之增加，从而增加施工的总成本。无工作室超前大管棚和有工作室超前大管棚工程量对比如附表2所示。

从附表2中可以看出，两种施工方面相比，无论是开挖量还是材料用量，无工作室超前大管棚施工方法都优于有工作室超前大管棚施工方法，取得的经济效益也更加明显。

第三，施工效率更高。无工作室超前大管棚施工方法主要采用了大型全液压履带式管棚钻机，其工作高度可达4.5m，在现有台阶上就可以完成管棚施工，无需重新设置操作平台，无需进行工序转换就能完成施工任务。利用车站隧道设计开挖的空间即可完成超前大管棚施工，支护和开挖断面的尺寸基本相同，无需频繁地断面转化，大大提升了施工的便捷性和效率。

三、复杂地质下超前大管棚施工在车站隧道施工中的应用方法

（一）选择合理的施工参数

将该工程洞口明暗分界里程DK239+940之外的地面开挖至导墙断面底部位，边开挖，并做临时支护和仰坡防护。导墙可由C20混凝土浇筑而成，导墙的定位钢筋由I18工字钢加工制作而成，导向管由1米长厚为8mm的φ194无缝钢管加工而成。大管棚由40米长厚为8mm的φ159无缝钢管加工而成，设置范围为拱部132°，环向间距0.4m，外插角2°，共计65根。导向墙内导管布置图如图1所示：

图1 导向墙内导管布置图

（二）合理搭设脚手架

当混凝土强度达到设计强度时，即可在车站隧道的洞口处搭设Ф42钢管搭设脚手架，全液压履带式管棚钻机对中就位后，固定脚手架然后就可以进行钻孔操作，在钻孔时要严格遵循边钻孔、边测量的原则，从根本上提升钻孔的精度。

（三）严格控制钻孔和跟管质量

当钻机导管就位以后，需要进行全面检查，确认达到设计标准后才能进行下一步操作，将与套管焊接在一起的第一节棚管与钻杆安装完成后，开始将第一节钻杆与棚管钻入岩层，当尾部剩余20cm～30cm时停止钻进，用丝扣将两根钻杆、两根棚管连接牢固进行接长，继续进行钻进、跟管，达到设计深度后，拆卸钻杆，从孔中推出钻杆。此外，钻孔完成后，还要进行清孔操作，然后拔出钻杆。钻孔和跟管操作时，要合理控制套管隧道同一横断面中的接头数，两个相邻的钻头错距控制在1.0m左右，在钢管终端密封时要预留出注浆孔和排气孔，并进行压水检查，确认到达设计标准后，才能进行注浆操作。

（四）提升注浆效果

注浆是超前大管棚施工技术在车站隧道施工中应用关键环节，注浆质量直接决定了总体施工质量，因此需要对注浆过程和质量进行全面监控。通过高压注浆泵把水泥浆液压入钢管中，促使浆液通过钢管出浆孔注入孔壁的缝隙中，从而达到固结岩土层的目的。为有效提升注浆效果，此采用导管编号注浆法。具体做法为：先注“单”号孔，待1至2天固结后，再注“双”号孔，注浆压力0.5Mpa～1.0MPa。

在注浆时要严格遵循从下到上的原则，如果在注浆时遇到串浆或者是漏浆现象，可进行间隔孔注浆待串浆孔中的浆液饱和再重新钻孔注浆。单孔注浆结束标准：（1）注浆压力逐步升高，并达到设计终压10min；（2）注浆量不小于设计注浆量的80%；（3）进浆速度为开始进浆速度的1/4。

四、施工效果分析

在月直山隧道进口工区车站段施工中，采用了无工作室超前大管棚施工技术，计划工期为60天施做65根超前大管棚，所有的超前大管棚都按照工程设计要求下入到设计位置，并进行注浆施工，完成65根超前大管棚施做只用了38天，比预计工期提前了22天，是传统有工作室超前大管棚施工效率的2倍多。通过现场开挖揭示，无工作室超前大管棚施工技术，在整个施工过程中，没有发生掉块、塌方等安全问题，车站隧道洞室成型比较好，并且在开挖过程中渗水量比较小，有效满足了超前大管棚施工各项技术和标准的要求。监控测量数据表明，超前大管棚支护开挖段下台阶开挖后3d，各项测量数据就达到了车站隧道施工对稳定性的需要，最大收敛值为16mm，符合工程设计要求。

附表1 月直山隧道车站段暗洞支护参数情况

附表2 有无工作室超前大管棚施工工程量对比表

本文结合工程实例，分析了复杂地质下超前大管棚施工在车站隧道施工中的应用。分析结果表明，无工作室超前大管棚施工在复杂地质下车站隧道施工应用时，超前支护效果良好，满足施工要求，车站隧道原开挖断面几乎没有变化，机械配置比较简单，操作便捷。而且有些简化了施工工序，减少施工量，在降低施工风险、提升施工效率、节约施工成本等方面皆有非常明显的优势，符合目前我国车站隧道施工相关标准和规范的要求，值得大范围推广应用。