蝴蝶谷隧道浅埋偏压段长大管棚施工技术

程建军

在隧道施工中,常会遇到自稳性较差的软弱破碎围岩、偏压严重地段,在开挖前,常采用长大管棚超前支护作为辅助施工方法与稳定措施,以便洞身施工时能够保证围岩稳定,确保隧道安全、优质、快速的施工。张石公路化稍营—蔚县段高速公路蝴蝶谷隧道在设计施工中就采用了长管棚技术对围岩进行预先处理,从而使隧道开挖顺利进行,保证了施工安全、进度和质量。

1 工程概况

蝴蝶谷隧道位于河北蔚县城南30 km的飞狐峪风景区,设计为双向分离式四车道结构短隧道,左线全长334 m,右线全长102 m,全隧道按新奥法原理设计和施工,左洞进口浅埋偏压段最薄覆盖层为3.75 m,右洞进口浅埋偏压段最薄覆盖层为3.1 m,工程地质状况分别在洞口60 m和31 m的范围内为第四系松散碎石土,极易坍塌,洞口稳定性极差,在雨季下暴雨还容易造成滑塌,设计在洞口段采用30 m管棚进行超前支护。

2 管棚工艺原理及参数

2.1 管棚工艺原理

从隧道洞口沿开挖轮廓外缘以1°～3°外插角打入一排纵向钢管,插入钢管后,再通过管内注浆孔注入水泥浆,以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙,使管棚与围岩固结紧密,并用水泥砂浆充填钢管,以增加钢管刚度。开挖后架设钢拱架,这样利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑,构成整体刚度较大的棚状支护结构,阻止和限制围岩变形,增加围岩的稳定性。

2.2 管棚参数

1)钢管布设在圆心角为118°的隧道拱部;2)钢管环向间距为40 cm;3)管心与衬砌设计外轮廓线间距为25 cm;4)倾角:仰角1°(不包括路线纵坡);5)管棚长度为 30 m,采用φ 89 mm的热轧无缝钢管,壁厚5 mm,管节长度 4 m～6 m;6)孔口导向管为φ 108 mm的无缝钢管,壁厚6 mm,管节长度2 m。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

施工准备→开挖支护明洞边、仰坡→施作套拱→搭设钻孔平台、安装钻机→钻设管棚孔→清孔和验孔→安装管棚钢管→注入水泥浆。

3.2 施工要点

3.2.1 明洞边、仰坡的开挖支护

1)隧道明洞边、仰坡处理应遵循“早进晚出”的施工原则,尽量少破坏山体植被,特别是处于风景区内必须注意做好此项工作;2)在明洞边、仰坡开挖之前,必须先完成洞顶截水沟的施工;3)边、仰坡开挖一定要一次到位,并进行锚杆、钢筋网、喷射混凝土的施工,边、仰坡必须封闭密实坚固,防止雨水渗入边、仰坡内。

3.2.2 施作套拱

1)在明暗交界地段开挖轮廓线之外施作C25混凝土拱作为长管棚的导向墙,套拱内埋设4榀Ⅰ16工字型钢拱架作为支撑,将导向管按40 cm间距布设与钢拱架焊成整体;2)导向管安设的平面位置、倾角、外插角的精确度直接影响管棚施工质量,导向管必须准确测量放样定位,使导向管轴线与管棚设计轴线相吻合。导向管还必须与钢拱架焊接稳固牢靠,保证浇筑时不产生位移。

3.2.3 搭设钻孔平台、安装钻机

1)在所开挖的工作面上,采用钢管脚手架、型钢或枕木搭设钻孔作业平台,作业平台应根据管棚在隧道拱顶及拱脚部位处的设计尺寸和钻机作业高度要求一次性搭设好;2)作业平台必须支撑在实地上,必须连接牢固、稳定,以防止在施钻时钻机产生摆动、不均匀下沉、倾斜等影响钻孔质量的情况;3)钻机就位:钻机安置的位置距工作面的距离以不小于2 m为宜。钻机安置后,要求钻杆必须与设定好的孔口导向管方向平行,通过钻杆穿过套拱上的孔口导向管和挂线相结合的方法,反复调整,精确核定钻机位置,确保钻机钻杆轴线与孔口导向管轴线相吻合。

3.2.4 钻孔

1)为保证钻孔方向,钻孔前要由测量工程师准确定出钻孔位置;2)为了便于安装钢管,钻孔直径要比管棚外径大15 mm～20 mm,孔深要大于管长0.5 m以上;3)使用两台电动钻机施钻,从高孔位向低孔位对称进行,经过几次接杆完成长管棚钻孔,钻孔时随着孔深的增长,要对回转扭矩、冲击力和推力进行控制和协调,特别是推力要严格控制;4)钻机开钻时钻速宜低,可根据地质情况逐渐调整钻速和风压,钻深20 cm后转入正常钻速;5)为防止钻杆在推力和振动力的双重作用下,上下颤动,导致钻孔不直,钻孔时,应把扶直器套在钻杆上,随钻杆钻进向前平移;6)在钻进中出现坍孔、卡钻情况时,要进行注浆后再施钻;7)在钻进时要注意做好对钻具、套管及钻杆接头的检查,以保证钻孔顺利;8)在钻进过程中要用测斜仪检测钻孔位置,并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量,并及时处理钻进过程中出现的问题;9)认真做好钻进过程的原始记录,及时对钻出的岩屑进行地质判断、描述,可作为开挖洞身的地质超前预报,为指导洞身开挖提供依据。

3.2.5 清孔验孔

1)用长度不小于2.5 m的φ 100 mm的岩芯钻杆进行来回扫孔,以清除孔内碎渣和顺孔,确保孔径、孔深符合要求,防止堵孔;2)用高压气从孔底向孔口清理钻渣;3)用测斜仪、全站仪等检测孔深、倾角和外插角。

3.2.6 安装管棚钢管

1)管棚管口段2 m不开孔,其余部分按15 cm间距交错设置孔径为10 mm的注浆孔,管头焊成圆锥形,便于入孔;2)在下管前,将要顶进的钢管节搭配到设计长度并试拼接,并做好记录,以保证同一断面内的钢管接头数不大于50%,相邻钢管的接头至少错开1 m。钢管接头采用丝扣连接,丝扣长15 cm,丝扣要上满,确保连接可靠,接长钢管要满足受力要求,为保证相邻钢管接头相互前后错开,将编号为奇数的第一节钢管采用3 m钢管,编号为偶数的第一节钢管采用6 m钢管,以后每节均采用6 m钢管;3)钢管安装前期,用人工送管,当阻力增大、人力无法送进时,利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管,其冲击力控制在18 MPa～22 MPa,推力控制在4 MPa～6 MPa。

3.2.7 注入水泥浆

1)每完成一孔管棚的安装后,即对孔内注浆,根据设计采用水泥浆,水灰比为1∶1;2)采用BW-250/50型液压注浆机压注水泥浆,注浆前应先进行现场运转试验,保证注浆顺利进行,考虑到岩层裂隙阻力,注浆压力取初压 0.5 MPa～1.0 MPa,终压1.5 MPa～2.5 MPa,施工时,注浆压力按分级升压法控制;3)以最终注浆量和达到设计压力的持续时间作为注浆达到质量标准要求的控制指标。设计规定注浆量为钻孔圆柱体的5倍,若注浆量达到规定量,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都被浆液充填;注浆压力达到设计终压,持压约15 min后停止注浆;4)注浆结束后及时用清水清洗管棚内浆液,然后用30号水泥砂浆紧密填充,以增强管棚的刚度和强度。

4 质量控制要点

1)套拱钢拱架安装要精确,其垂直度误差控制在±2°,平面及高程误差控制在±5 cm,在钻孔前,要精确测顶管棚位置、倾角及外插角,并对每个孔进行编号;2)严格控制钻孔平面位置,以确保管棚孔不侵入隧道开挖轮廓线及相邻的管孔不得相交为标准;3)经常量测钻孔的倾角和外插角,发现误差超限要及时纠正,纠正不了的要注浆原位重钻。

5 结语

对于隧道洞口的浅埋偏压、软弱破碎围岩地段采用长大管棚施工工艺,可以起到超前支护作用,提高了隧道的整体稳定性,增加了施工安全度,在管棚支护下进行隧道开挖,可有效防止地表下沉和围岩坍塌,同时,管棚钻孔施工的地质资料可为指导洞身开挖提供依据,极大地保证了隧道施工的顺利进行。