铁路隧道三线大断面软弱破碎围岩大管棚超前支护进洞施工技术

闫站伟

（中铁十八局集团隧道工程有限公司　重庆　400700）

铁路隧道三线大断面软弱破碎围岩大管棚超前支护进洞施工技术

闫站伟

（中铁十八局集团隧道工程有限公司重庆400700）

超前大管棚支护是隧道进洞施工中穿越洞口的软弱破碎围岩地段、堆积体或浅埋偏压地段行之有效地重要的支护措施。黔张常铁路晏家堡二号隧道出口为三线车站大断面铁路隧道，开挖宽度20.8 m，高度16.53 m，出口为软弱破碎围岩，采用大管棚超前支护和预注浆加固施工技术，取得良好效果，隧道安全进洞，为隧道大断面施工积累了丰富的经验。

三线大断面大管棚注浆超前支护

1　引言

黔张常铁路堪称铁路施工的禁区，地处喀斯特地区，澧水和溇水将其包夹其中，岩溶地质发育强烈，其地质条件之复杂集山区铁路之大成，建设条件之“艰、难、险”是目前我国山区铁路建设历史之最。

晏家堡二号隧道为黔张常铁路控制性工程，其出口为双线变三线车站隧道，断面大，地势高，洞口围岩极为破碎，施工风险大，难度高。

2　工程概况

晏家堡二号隧道位于湖南省龙山县猛必乡与永顺县万民乡交界处，为越岭隧道。高程460～1160 m，相对高差 400～600 m。领脊为分水岭，是可熔岩与非可熔岩界限。隧道起始里程 DK123+206～DK130+287，总长7 081 m。其中进口DK123+206～DK130+075段6869 m为双线隧道，DK130+075～+287段212 m为三线车站隧道，隧道出口为V级围岩，开挖断面276.42 m³/m，开挖宽度20.8 m，高度16.53 m。

3　隧道进洞施工方案

3.1隧道进洞特点

隧道出口洞口地层主要为页岩、松散大块石、炭质页岩地层岩性较软，层间结合力较差，且与砂岩互层地段由于软硬不均，较易发生围岩变形、坍塌等失稳或滑塌的风险。

3.2隧道进洞方案

隧道开挖断面大，每延米方量为276.42 m³/m，开挖宽度20.8 m，高度16.53 m。对于如此大断面的三线车站隧道及围岩破碎等条件，隧道进洞的边仰坡开挖、超前支护及进洞开挖方法的选择，均为施工的重点。

针对大断面及复杂的地质条件，如何进洞成为一个难题，其中洞口大管棚施工成为这个难题中的关键技术。经多方案比选并结合设计，进洞方案采用长管棚及超前小导管注浆作为隧道开挖的超前支护体系。对洞口边仰坡进行挂网喷锚及小导管注浆，在洞口地表宽度40 m、长度20 m范围预先采用小导管注浆加固地表，在洞顶拱部设一环Φ108管棚，管棚长度根据现场实际地形变更为33 m，环向间距0.4 m， 并应尽量保持原地表的植被完整。进口开挖采用双侧壁导坑法施工。

4　超前大管棚支护施工技术

4.1施工准备

在施作长管棚前应先完成水准点及导线点复测工作；然后测量放样，进行洞口开挖，及完成边、仰坡的防护、天沟砌筑。

洞口边仰坡采用锚、网、喷支护，Φ22砂浆锚杆，长3.0 m，间距1.2 m×1.2 m，Φ8钢筋网，间距25 cm×25 cm，喷C25混凝土，厚15 cm；开挖前先对洞顶边、仰坡周围的截水天沟进行施做。测量定位，放出开挖边线，明确开挖范围，判定开挖范围地质状况；清除隧道洞口的危岩落石，然后对破碎岩石采用防护网防护。确保边仰坡平顺、稳定，为进洞施工创造条件。

4.2管棚加工

大管棚采用Φ108 mm×6 mm的热轧无缝钢管，节长3 m，6 m加工制成，交替使用，以保证隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50 %。管身钻孔，孔眼直径6 mm，间距25 cm，按梅花形交错布孔以加大浆液渗透能力，管头加工成锥形以便于送入，管棚尾部预留100 cm止浆段不钻孔，为确保接头质量，钢（花）管接头两端均预加工成外长15 cm的丝扣连接。同一断面内接头数量不超过总钢管数的50 %。

4.3导向墙施工

导向墙长度根据现场实际地形变更为2 m，拱架间距50 cm，每榀拱架底部施做4根长4 m的φ42锁脚钢管，并注水泥-水玻璃双浆液，导管角度斜向下45°，起加固地基并锁脚作用。

混凝土导向墙在明洞衬砌轮廓线以外施作，截面尺寸2×1 m，采用C25钢架混凝土，内埋设I20 a型钢钢架及Ф140×5 mm导向套管，导向套管沿拱圈环向布设，间距、位置及方向应准确，固定钢筋与导向管采用双面焊接，焊接长度不小于5 d，导向墙与明洞衬砌之间预留25 cm变形量。

钢（花）管接头两端均预加工成外丝扣连接，同一断面内接头数量不超过总钢管数的50 %，相邻钢管的接头至少错开。

4.4安装导向钢管

导向管采用φ140 mm无缝钢管，壁厚5 mm，每根L=1 m；环向间距为400 mm；用全站仪定出隧道中线，均匀划出导向管位置。导向管平行线路设计线，安装倾角为 3度，实际测量放样中要考虑路线纵坡。为防止导向管在长管棚施工钻孔过程中的振动松动，导向管焊接在钢拱架外侧，并用Φ22钢筋焊接加固，Φ22固定筋与导向管、I20a工字钢焊接成整体，防止浇筑混凝土时产生位移。管棚及导向墙布置见图1、图2。

图1　洞口长管棚横断面布置图

图2　洞口长管棚纵断面布置图

4.5管棚施工

管棚施工时，对钢管主要材料进行材质检验，遵守隧道施工技术安全规则和钻眼注浆作业操作规则，施工工艺见图3。

图3　长管棚工艺流程

4.5.1管棚参数

钢管规格：长管棚为热轧无缝钢管及钢花管，管径为外径108mm、壁厚6mm。钢（花）管接头两端均预加工成外丝扣连接，同一断面内接头数量不超过总钢管数的50 %，相邻钢管的接头至少错开1m。

钢管上钻孔注浆，钻孔孔径为6 mm，孔间距25 cm，呈梅花形布置，尾部留100 cm不钻孔作为止浆段。

管距：环向间距中至中为40 cm，布设在拱部120°范围内，共57根。倾角：钢管轴线与衬砌外缘线夹角0～3°。

钢管施工误差：径向不大于20 cm，相邻钢管环向不大于10 cm。钢管中增设钢筋笼，钢筋笼由4根φ18钢筋和固定环组成。

4.5.2管棚施工方法

（1）管棚钻机施做大管棚

①测量放样出隧道设计轮廓线并按40 cm间距标出管棚的位置。

②管棚钻机移动、定位：钻机平台用钢管脚手架搭设，钻孔由一台钻机由高孔位向低孔位进行，平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

③在标出的管棚位置上使用测斜仪调整钻杆角度，钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

④岩质较好的可以一次成孔；钻进时若产生坍孔、卡钻，需补注浆后再钻进。

⑤钻机开钻时，可低速低压，待成孔1.0 m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

⑥钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。

⑦钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

⑧认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

清孔、验孔：用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔，用高压气从孔底向孔口清理钻渣，量测检查孔深，倾角，外插角。

⑨安装管棚钢管：钢管应在专用的管床上加工好丝扣，丝扣长为 15cm。棚管四周钻Φ6mm出浆孔；管头制作成圆锥形，便于入孔。

（2）管棚注浆

①安装好刚花管并对管内注浆，检查注浆质量并以此调整钢管的注浆质量。

②注浆参数：水泥浆水灰比1∶1（重量比）

③注浆采用水泥浆液，注浆参数为：水泥浆液水灰比为1∶1（重量比）。注浆压力：初压0.5～1.0MPa，终压2.0 MPa。

④注浆结束后用M10标号的水泥砂浆充填钢管，增强管棚的刚度和强度。

⑤单根注浆量：Q=πR2Lη

式中R为浆液扩散半径，取R=0.6Lo；Lo为注浆钢管中至中的距离；L为钢管长；η为围岩空隙率，各种地层条件下围岩空隙率参考值：砂土40 %，粘土20 %，断层破碎带5 %。

（3）施工效果

通过开挖面情况揭示，水泥浆液在压力作用下向四周扩散，充满了钢管周围岩体的裂隙，起到了有效固结围岩的作用。为隧道开挖进洞提供一个安全可靠的施工环境。施工效果见图：图4、图5。

图4　管棚及注浆后效果图

图5　双侧壁导坑进洞施工图

4.6管棚施工控制要点

（1）钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。并对每个孔进行编号。

（2）钻孔仰角的确定视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在0°～3°。

（3）严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。

（4）经常量测孔的斜度，严格控制管棚打设方向，发现误差超限及时纠正。

（5）掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

（6）在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。

5　结语

三线车站大断面软弱破碎围岩铁路隧道进洞施工，先期施工的管棚和注浆预先加固了洞身围岩，而管棚及后施工的初期支护（拱架和喷射混凝土）和二次衬砌共同形成一个统一的整体，共同受力，使整个开挖处于整体结构的保护之中，因此采用大管棚超前支护及预注浆加固技术对于大断面软弱破碎围岩地段、堆积体或浅埋偏压地段隧道进洞施工非常安全可靠，为相似条件下隧道施工积累了丰富的经验。

［1］黄倡富.超前支护大管棚导向跟管钻进技术［J］.岩土工程界，2006（1）：78-80

［2］高怀鹏，毛海东.长管棚预注浆超前支护在浅埋偏压大跨度隧道洞口施工中的应用［J］.公路，2005

［3］浅埋隧道洞口段施工技术［J］.现代交通技术，2007

On the Tunnel-entering Working Mechanism of Pipe Umbrella Advance Support in Three-line Large Cross-section Weak Surrounding Rock Mass for Railway Tunnels

YAN Zhan-wei
（Tunnel Engineering Company Limited， China Railway 18 Bureau Group Co.， Ltd.Chongqing400700）

The pipe umbrella advance support is an effective protection measure for going through the weak surrounding rock， tacked body or shallow unsymmetrial area in the mouth of a tunnel for a tunnel construction. The Yanjiabao No.2 tunnel in the Qianzhangchang Railway belongs to the three-line large cross-section railway tunnel， with an excavation width of 20.8 meters and a height of 16.53 meters. And the exit of this tunnel is full of weak surrounding rock， and the construction of it adopted technologies of large pipe umbrella advance support and pre-grouting reinforcement， which achieved an excellent result. The construction for entering the tunnel is so smooth and safe， so as to accumulated rich experience for large cross-section engineering.

three-line large cross-sectionlarge pipe umbrellagroutingadvance support

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1673-1816（2015）04-0017-06

2015-10-14

闫站伟（1980-），男，陕西咸阳人，研究方向工程施工管理。