松散地质条件下的隧道超前大管棚支护施工工艺

冯启隆

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030600）

0 引言

在松散地质条件下建设隧道时，因为现场地质条件复杂，容易出现质量问题乃至安全事故，因此，加强防护尤为关键。在隧道开挖前，需采取有效的支护方法提高围岩的稳定性，以确保隧道施工的顺利进行。目前施工现场常用的超前支护方法主要有管棚法、超前小导管法和超前锚杆。本文将结合工程实例，对超前大管棚支护施工工艺进行介绍。

1 工程概况

某隧道工程进出口起讫里程为K5+100～K6+000，全长900m，路线设计纵坡为-3%、-0.094%。进口K5+100 段55m 为V 级围岩，隧址区存在堆积碎石土层，埋深浅，自稳能力不足，围岩易在开挖扰动作用下发生坍塌。考虑到隧道施工现场松散地质条件的特殊性，于拱部120°范围内采取超前小导管注浆支护施工工艺。隧道限界净高5.0m、净宽10.5m。

2 大管棚设计方案的变更

根据原管棚设计方案，在K2+438～K2+488 段设置管棚，分两环有序完成。结合现场实际条件，对原管棚设计方案做出如下变更：

（1）变更一：管棚里程段调整为K2+433～K2+488，提出如下两项施工方案：

方案一：按两环布置，管棚长度为里程段（55m）+一个接头（5m）+超前量（5m），共65m。

方案二：按三环布置，相较于两环布置的方案，里程段和超前量保持一致，接头数量增加至2 个，即管棚总长增加5m，共70m。

对比分析发现，在两环布置方式下，每环管棚长度在30m 以上，施工难度增加，施工质量的可控性差，因此采用三环布置的方式，将每环长度设定为24m、24m、22m。

根据施工现场的钻孔记录可知，第二环管棚伸入岩层的深度已经达到2m，无需设置第三环管棚。

（2）变更二：原设计方案中，管子两头车公螺纹，精准对接钢管，外套厚壁管箍，上紧丝扣。从施工可行性的角度来看，螺纹加工的工作量较大，成本较高，因此做出调整，第一环大管棚采用外套管法，第二环大管棚采用丝扣法。

3 大管棚超前支护方法

3.1 管棚构造

管棚包含钢管和钢格栅拱架两部分。以较小的外插角沿开挖轮廓线打设钢管至开挖面，建立预支护结构，维持开挖面前方围岩的稳定性。管棚构造如图1 所示。

图1 管棚构造

3.2 管棚的应用特性

管棚结构中，钢格栅拱架作为横向环形支撑，钢管作为纵向支撑，建立横、纵向的结构体系。得益于管棚较大刚度的特性，可阻止围岩的变形。管棚支护在隧道工程中具有突出的应用价值，在极破碎岩体、砂土质地层、强膨胀性地层等多种工程场景中均具有可行性。管棚施工可根据现场条件采取长管棚、短管棚的方法，其中长管棚的超前量较大，钢管安装次数较少，在大断面开挖中具有可行性。

3.3 管棚支护结构

（1）沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm 布置大管棚钻孔孔口，环向间距为40cm，每环布设35 根。

（2）钢管采用无缝钢管，外径108mm，壁厚8mm，分段安装钢管。第一段，奇、偶数管的管长相差2m，剩余各段的各钢管长度保持一致，相邻两段钢管间用丝扣连接。为顺利注浆，在钢管上钻10mm 的注浆孔，遵循梅花型布置原则，孔间距为50cm，钢管尾端2m 作为止浆段（不钻孔）。取4 根20mm 螺纹钢筋和适量长4cm、壁厚8mm、外径42mm 的固定短环，共同组成钢筋笼，将其设置在钢管内，用于提高钢管的强度和刚度。纵向两组管棚的水平搭接长度不少于3.0m。

（3）钢筋笼制作成型后，将其置入钢管内，而后灌注浆液，随着浆液的固结，提高钢管的刚度。

（4）注浆采用水泥浆，水灰比为0.5∶1，浆液扩散范围较大或是现场地下水较发育时，调整为水泥-水玻璃双液浆。注浆采取压力注浆的方法，压力控制在0.5～1MPa。

4 超前大管棚支护施工工艺的具体应用

4.1 测量放样

4.1.1 第1 环大管棚（K2+432～K2+456）

隧道进口处布设三角导线网，测设管棚的起始中心里程K2+433，确定中心线的垂线方向，沿着该方向测设控制桩。然后沿该方向设钢格栅作定位使用。测设2 处控制桩，于钢格栅上落点，点两侧焊接短钢筋头，发挥出导向作用。为维持钢格栅的稳定性，在其下方布设五道I18 工字钢，用于支撑钢格栅。

4.1.2 钻孔

在导管中心线方向打设两处方向桩，起到辅助作用，精准控制钻孔的方向。孔内用水平陀螺仪检测倾斜度，予以控制，测点位置规划在距孔口2m、1/2 孔深、终孔处。经检测，若钻孔不满足精度要求，随即封孔重钻，再次安排检测，直至实测结果满足要求为止。

4.1.3 第2 环大管棚（K2+452～K2+476）

（1）第2 环大管棚增设工作室，长度为8m。围岩开挖后，先初喷混凝土，将钢格栅支撑架设到位、锚杆打设到位，挂网并喷射混凝土，有效防护围岩。工作室的尺寸略大于设计轮廓线，纵断面结构组成如图2 所示。

图2 工作室纵断面

（2）第2 环大管棚于洞内施作成型，但现场作业空间有限，难以将控制方向护桩钉设在地面上。针对该局限性，在钻机机身中间上部的初期支护拱部设点，测定此类点的标高数据，经反算后得到钻机中心的高度。在前述基础上，综合考虑孔口及钻机中心两点的高程，精准控制钻孔的倾斜度。

4.2 钻孔

（1）详细检查开挖断面的中线及高程，判断开挖轮廓线是否满足工程要求。在工作面稳定安设受力拱架，准确标记管棚的位置。

（2）钢管安装的中线及高程误差不超过±5cm，垂直度误差不超过±2°。沿隧道开挖轮廓线，在钢架上纵向钻进管棚孔。钻孔作业示意如图3 所示。

图3 两台钻机钻孔顺序示意

（3）Ⅰ部和Ⅱ部协同开孔、Ⅲ部和Ⅳ部协同开孔。全程加强管控，使两台钻机同步运行。上导坑的开挖采取人工作业的方法，开挖精度较高，但施工效率偏低，因此在不影响施工质量的前提下,尽快提高管棚施工效率，为人工开挖争取充足的时间。

（4）根据孔位测量放线结果钻孔，司钻人员加强对钻孔方向和倾斜度的检测与控制。孔底位置偏差控制在孔深的1%以内，孔口位置偏差不超过±5cm。

（5）开孔初期，遵循低压、慢转的原则，检查开孔施工情况，确认无异常后逐步提高钻进速度和钻压。钻进深度范围内存在大孤石时，按照高压、低速的方式有序钻进。钻孔采用130mm 合金钻头，局部地质条件特殊时需进行调整，例如遇到孤石时采用金刚石钻头。钻进过程中，用清水护壁，期间及时取出取芯管和岩芯。随着钻进的持续进行，即将成孔时向孔内注入清水，清理钻孔期间聚集在孔内的泥浆、悬浮物等，使成型的钻孔内部保持洁净。

（6）遇卡钻、孔口不出水等异常状况时，随即暂停钻孔，安排注浆。钻孔完成后，检查是否有塌孔或其他异常状况。通过成孔检查后，开始安设钢管。

4.3 配管

接长管棚钢管时，接头在纵断面错开2m，保证管棚受力的可靠性。大导管的长度为4～6m 不等，下管时根据工程要求连接管子，使其达到设计长度要求。管子连接方法有如下两种：

（1）丝扣法：在管子的两端分别车出深度不超过1/2壁厚、长度不小于15cm 的公螺纹和母螺纹，将前一根管的母螺纹套在后一根管的公螺纹上，再旋紧，保证两根管稳定结合为一体。

（2）外套管法：在两根管的接头外边套长度为40cm的外套管，再采用电弧焊的方法进行处理，保证缝隙经过焊接后饱满、稳定。

4.4 送管

现场空间充足时，用大型机械高效送管，减轻人工的劳动强度并提高施工效率。第1 环大管棚施工空间宽阔，具备机械作业的条件，用CAT320 挖掘机挖斗送管；第2 环大管棚施工时，碍于现场空间狭窄，不再采用机械送管的方法，取而代之的是钻机送管。钻进成孔后，用主动钻杆带动Φ108mm×8mm 的大导管，在旋转的同时适度向前推进，直至管子精准到位为止。

4.5 管口封闭

于管子端部焊接带眼钢板，将长度为50cm 的Φ32mm×4mm 注浆管焊接至已经设置到位的钢板上。配套的注浆管为三通构造，一通用于接入大导管，一通为冲洗用，一通接塑料架管。其中，作为冲洗用的一通可及时用于清理管道中的杂物，防止由于水泥浆固结或是其它原因而堵管。

4.6 压力注浆

4.6.1 注浆参数

（1）取Φ108mm×8mm 的钢管，在管壁上按梅花型布置的方式钻10mm 出浆孔，孔距为50cm，钢管尾端2m 作为止浆段，不做钻孔处理。

（2）沿隧道开挖轮廓线布置钢管，间距0.4m，外倾角1°。为使纵向前后两排钢管稳定连接，要求两者的水平搭接长度至少达到3m。

（3）注浆以单液注浆为主，浆液扩散范围大或是现场的地下水较发育时，调整为水泥-水玻璃双液浆。浆液按0.5∶1 的水灰比制备，水玻璃模数2.6～2.9，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.3。压力注浆时，将注浆压力控制在0.5～1.0MPa，具体根据现场注浆情况做灵活的调整。

4.6.2 大导管注浆量

按如下公式计算，确定大导管注浆量：

4.6.3 浆液的制备

（1）浆液用拌和机制备而成，单次投料量根据拌和机的容量而定，但必须满足配合比的要求。

（2）投料时，先掺入水和外加剂，待水量达到设计要求后，进行1min 拌和，再向其中投入水泥，搅拌至少3min。经过拌和后，浆液需有均匀性，注浆过程中仍需搅拌。

（3）注浆采用水玻璃浆液时，浓度以25～40°Be 为宜；在加水的同时进行搅拌，用于稀释水玻璃。

（4）在水泥浆或稀释水玻璃浆液的制备过程中，禁止任何水泥包装纸或是其它杂物混入浆液内。及时将拌制后的浆液转入贮浆槽内，并做过滤处理，而后方可利用注浆泵注浆。浆液的使用遵循随拌随用的原则，缩短浆液拌制完成至注浆前的间歇时间，以防浆液凝固。

4.6.4 注浆方法与顺序

（1）注浆方法。综合考虑现场围岩条件、地质特性、机械设备性能，采取全孔式注浆的方法，先钻进至孔底，钻孔成型质量达到要求后，一次注浆到位。

（2）注浆顺序。从拱顶开始对称向下注浆，先注无水孔，再注有水孔。跑浆、窜浆时，间隔一孔或多孔灌注。注浆后，启用止浆阀，用于维持孔内压力的稳定性，直至浆液凝固为止。注浆压力主要根据注浆作业范围内的地层条件而定，通常需扩散至管周0.5～1.0m 的半径范围内。注浆量则根据实际注入情况而定，待每根大导管的实际注入量达到规定要求时，可结束注浆。遇孔口压力上升至设计值但孔内注浆量仍有限的情况时，随即暂停注浆，分析原因并处理，防止因较强注浆压力的持续作用而导致开挖面被压裂。

4.6.5 注浆要求

依据设计要求，严格控制浆液的胶凝时间和浓度，未经许可禁止变更；注浆作业人员加强对泵口及孔口注浆压力的检查，判断是否存在异常，若有则妥善处理；双液注浆施工中，及时测定混合浆液的胶凝时间，实测结果偏离设计要求后，随即调整。

4.6.6 注浆结束条件

注浆结束条件考虑到如下两部分：

（1）单孔结束条件：注浆压力达到设计值（终压），注入量超过设计值的80%。

（2）全地段结束条件：各注浆孔均符合上述提及的单孔结束条件，并且无任何的漏注浆现象。

4.6.7 注浆效果的检验

（1）分析法：注浆期间记录注浆压力、注浆量等关键数据，针对数据展开分析，判断注浆效果；注浆时加强检查，分析是否存在漏浆、跑浆等异常状况；在确定浆液注入量后，估算浆液扩散半径，评价此项指标是否具有合理性。

（2）检查孔法：在施工现场钻检查孔，取岩芯进行检验，有效判断注浆加固效果。

4.6.8 注浆施工的注意事项

（1）部分钻孔的成孔难度小、出水量少，可一次性注浆到位；易于成孔但有较大出水量时，分段后退式注浆；成孔难度较大时，可采用分段前进式注浆的方法。

（2）浆液搅拌时间为3min，保证原材料均匀混合；制浆后，用滤网做过滤处理，再将浆液转至储浆桶，用于压浆。浆液制备时，原材料的用量必须准确，水泥、水的称量误差均不可超过5%。搅拌时，禁止任何纸片或是其他的杂物混入浆液中，搅拌后用筛网过滤，否则禁止注浆。

（3）注浆期间，施工人员加强对孔口、邻孔等薄弱部位的检查，判断是否有串浆的问题，若有，则采用间歇式注浆的方法封堵串浆口，或是用快硬水泥砂浆封堵，保证串浆部位不再继续涌出浆液。注浆压力增加异常时，表明注浆管路可能发生堵塞，此时停机检查，锁定堵管的部位，有效疏通。

4.7 沉降观测

为明确超前大管棚支护施工工艺的应用效果，安排沉降观测工作，根据实测数据进行判断。在地面设K2+441、K2+453 2 个监测断面，各断面观测桩数量均为5 个，注浆期间加强观察，判断是否有局部上鼓、隆起的异常状况。大管棚范围段开挖时，观测结果显示此阶段有10cm 的沉降，较为特殊的是山体整体沉降量达到20cm，根据各类沉降数据，预留25～30cm 的沉降量，此方式可有效满足隧道工程在安全施工和正常施工两个层面的要求。

5 结束语

总之,松散地质条件下的隧道工程施工难度偏大，需采取有效的支护方法提高围岩的稳定性，以确保隧道施工的顺利进行。笔者认为，超前大管棚支护工艺对维持隧道围岩稳定性的效果较好，但一定要把控其在松散地质环境中的应用要点，并根据沉降观测结果评价其应用效果。本文案例的实践证明，该超前大管棚支护施工后，可满足隧道正常施工要求和安全要求，该项施工工艺具有可行性。