管棚技术在凤凰山隧道施工中的应用

唐迷外

【摘要】结合工程实例，阐述隧道施工中超前支护的工法，提出管棚技术在隧道施工中的应用，重点介绍在西南山区的岩溶发育地区隧道的施工技术措施，为以后类似隧道施工提供借鉴。

关键词：隧道施工； 管棚技术； 超前支护； 施工方法

1.工程简介

凤凰山隧道位于贵州省织金县境内，是黄桶至织金线的难点、重点控制工程之一，该隧道全长6662米，所在地域属溶蚀中山地貌，穿过地层岩性主要为峨眉山玄武岩、茅口组灰岩、栖霞组燧石灰岩、梁山组石英砂岩夹泥、页岩、炭质页岩及煤线等。同时该隧地质构造发育，共发育有4个背斜、2个向斜和2条区域性断层；存在的主要不良地质有1个岩溶深部滞留带、5个岩溶发育带、2条暗河、2个浅煤层。可以说，凤凰山隧道包含了喀斯特地区所有的地质类型，施工过程极有可能发生塌方、突泥、突水等地质灾害。因此，管棚超前支护的施工技术在凤凰山隧道的施工过程中起着至关重要的作用。

2. 提出问题及确定方案

凤凰山隧道掘进至里程DK50+813，已揭示的掌子面情况为：围岩破碎，含溶腔、溶槽等，充填流塑状粘土，并有岩溶裂隙水发育。根据以往工程经验，项目部立即停止掘进，根据TSP技术方法，采用TGP206隧道地质超前预报仪进行隧道地质超前预报，预报结果显示：掌子面前方发育大规模的填充型溶洞，溶洞内充填流塑状粘土夹碎石、鹅卵石，并发育较大岩溶水，围岩自稳能力差。为确保预报结果准确及施工安全，项目部又施作掌子面中心处超前水平钻探，从另一面验证了TSP超前地质预报的准确性。之后经各参建单位研究决定， 认为较为合适的施工方法是采用大管棚超前预注浆，先对掌子面前方松散体进行固结处理再进行分部开挖， 可以有效地保证施工安全和满足工期等各方面要求。

3.施工方案的实施

3.1大管棚的布置及选择

3.1.1大管棚布置在隧道开挖轮廓线外的隧道拱部，环向间距为0.3m，管心与衬砌设计外廓线间距为40cm，外插角为3°（不包括线路纵坡）；

3.1.2大管棚采用φ108mm ， 壁厚为5mm 的热轧无缝钢管， 长度为30m，管棚搭接长度为5m。

3.2施工工艺

针对上述围岩特点，项目部立即采用管棚超前支护技术（跟管钻进法）进行处理。施工工艺如下：

3.2.1施作导向墙（即开挖管棚工作室）和止浆墙。工作室大小须根据钻机要求确定，即扩挖设计开挖轮廓线外1.5～2.0m；同时为减少爆破对围岩的扰动，必须遵循弱爆破、短进尺的原则。之后于掌子面处设置止浆墙，采用C20混凝土，厚2.0m，四周以嵌入开挖轮廓线外0.5m为基准。

3.2.2根据隧道断面大小和钻机大小，施作管棚钻机作业平台。凤凰山隧道直线段净空为宽5.26m×高7.44m，因此必须施作钻机作业平台，目的有两点：①使钻机支撑于稳固的地基上。②使钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

3.2.3定孔位、编孔号。为确保结构受力均匀，管棚从起拱线开始设置，两侧对称分布，管棚直径为φ108mm，30m/根，环向间距0.3m，共41根。同时为确保孔口管位置准确，不移位，在管棚设计位置安放三榀用工字钢组拼的管棚导向拱架，导向拱架内设置孔口管作为管棚导向管，并固定住导向拱架，使其在钻机作业过程中不变形、不移位，并对每个孔

3.2.4开始跟管钻进并做钻孔记录和绘制孔位布置图。管棚钻机采用YGL-100A型全液压管棚履带钻机，因为它具备以下三个优点：①钻机回转扭矩大，给进行程长，有能破碎地层中坚硬孤石的高冲击力。②能准确定位，多方位钻孔，深孔钻进精确度高。③配有上车回转装置，使整机移位、行走更快捷方便。同时为确保结构受力合理，管棚外插角为3°，钻孔由高孔位向低孔位进行，开钻时应低速低压，而后再根据地质情况逐渐调整钻速和钻压，并做好钻孔记录和绘制孔位布置图。

3.2.5注水清洗內杆。用地质岩芯钻杆配合钻头进行反复扫孔，清除浮渣；采用高压风从孔底向孔口清理钻渣；并用经纬仪、测斜仪检测孔深、倾角、外插角。

3.2.6退內杆、下管棚。钻孔合格后，将內杆退出，及时安装管棚。采用装载机和管棚机钻进相结合的工艺安装管棚钢管，且注意以下五点：①钢管间采用丝扣连接，管壁四周钻10～16mm注浆孔（孔口2.5m内不钻孔），孔间距15～20cm，梅花型布置，管头焊成圆锥形，便于入孔。②相邻钢管的接头前后错开。③同一横断面内接头数不大于50%，相邻钢管接頭至少错开1m。④安装长度达到设计要求，即30m。⑤纵向两组管棚的搭接长度为5m。

3.2.7退套管，安装止浆塞。

3.2.8开始进行大管棚注浆。①注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆试验，确定合理的注浆参数， 据以施工。②注浆采用水泥- 水玻璃利用三通管同时注入，水泥浆（水灰比为1∶1）必须拌制均匀，并按比例注入水玻璃浆液（水泥浆和水玻璃体积比为1∶0.5，水玻璃浓度35波美度，模数2.4）。③注浆过程中随时检查孔口、邻孔、河沟等部位有无串浆现象，如发现串浆，立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。④双液注浆时如压力突然升高，则关停水玻璃泵，进行单液注浆或注清水，待泵压正常时，再进行双液注浆；若双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝结，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间，才能避免产生注浆不饱满。⑤注浆压力达到2MPa，并持续稳定10min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。

最后大管棚注浆完成，并经检查合格后，施工队采用台阶法开挖，遵循弱爆破、短进尺原则，同时加强初支及二衬强度，安全、顺利地穿过了该段岩溶富水区，这也充分说明了大管棚预注浆超前支护对防止围岩恶化， 控制隧道变形作用是显著的。

4.施工注意事项

4.1严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的管棚不得相撞或立交。

4.2钻孔速度应保持匀速， 特别是钻头遇到夹泥夹沙等软弱岩层时，必须控制钻进速度和压力， 避免发生夹钻及断杆现象。

4.3为避免钻杆太长， 钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度控制在3°～5°之间， 并随时检查角度值和钻进方向。

4.4洞内做好防排水工作，洞内渗水及施工用水要及时引排至洞外排水沟，不能有积水浸泡隧底。

5.施工方案的优点

5.1梁拱效应：先行施工的管棚以掌子面前方围岩支撑和后方围岩支撑为支点，形成一个梁式结构，二者形成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。

5.2加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱、破碎围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承受能力，达到了加固管棚周边围岩的目的。

5.3环槽效应：掌子面爆产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度和扰动范围。

6.结束语

管棚技术在凤凰山隧道的成功应用， 是新奥法与其他辅助施工方法的完美结合， 特别是超前地质预报工作的开展， 通过对隧道前方围岩的分析， 起到预测和反馈的作用， 为施工提供了重要的安全信息，加快工程进度，并且节约工程成本，提高企业效益。

参考文献

[1]《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204-2008，中国铁道出版社，2008年·北京

[2]《铁路隧道施工规范》TB10204-2002，中国铁道出版社，2002年·北京