松软破碎岩层隧道施工管棚超前支护工艺

李社勋　荆　刚　艾灿标

(义煤集团永兴工程有限责任公司)

松软破碎岩层主要是指结构疏松、密度小、孔隙率低、强度低、硬度小的岩层，抗压强度一般不大于200 kg/cm2，易于风化碎裂，浸水后很快崩解泥化，一般呈现为整体状、块状、层状或软硬相间的组合岩层，结构面呈软弱状态，节理和裂隙发育，小断层纵横交错，且充填着软弱物质，主要以流变岩体及大量强膨胀黏土矿物的形式出露，如泥岩、页岩、黏土岩等弹塑性变形膨胀易碎岩体[1-5]。该类岩层中，岩块尺寸变化较大，岩块胶结程度差，巷道或隧洞开挖过程中，岩体与外界空气接触后易出现风化潮解现象，同时流变岩体出现塑性变形，持续时间越长，变形量越大。此外，开挖后的巷道或隧道应力重新分布，原岩应力和构造应力均发生变化，岩体呈碎性膨胀，易出现滑移冒落现象，给支护工作带来了较大困难。传统采用短掘短支施工方案，严重影响了施工速度，且永久支护一般均滞后于临时支护一段距离。在该段时间内冒顶片帮现象呈现不规律变化，安全隐患突出，现场作业人员的人身安全受到了严重威胁。因此，在松软破碎岩层中施工，采用临时支护或超前支护工艺时，如何确保顶板安全，同时提高施工速度，是施工方案设计和实施的关键所在。

1　工程概况

三门峡义翔铝业有限公司硖石干式堆存赤泥综合利用项目三标段隧道工程于2017年2月开工，工期仅为180 d，工期紧，任务重，施工工序复杂。该项目位于渑池县张村镇，隧洞从库区右侧山体穿过，总长约1 016 m，坡度为19‰，采用直墙圆弧拱型断面，圆弧角度为120°，净宽度为2.2 m，净高度为2.64 m，净面积为5.46 m2，毛宽度为3 m，毛高度为3.44 m，毛面积为9.49 m2[6]。永久支护采用钢筋混凝土砌碹支护，钢筋混凝土厚度为0.4 m，混凝土强度等级为C25，横筋规格为φ16 mm×200 mm，纵筋规格为φ12 mm×200 mm，钢筋保护层厚度为25 mm，双层钢筋通过“S”型纵筋连接。开口前 50 m处于表土段开挖施工，向内为基岩段施工。隧道施工断面如图1所示。

图1　隧道支护断面

该工程表土段采用掘进机掘进、装载机出碴的机械化作业方式，进入基岩段后掘进机破岩困难，故采用钻爆法进行施工。工程地质资料显示，该项目地层岩性主要为粉质黏土和风化泥岩，主要穿过风化泥岩带，属于松软破碎岩层。爆破后拱顶和帮部极易出现冒顶、片帮现象，永久支护前必须首先进行临时支护控顶，确保作业人员安全后，方可进行后续施工。

2　支护施工方案

2.1　传统支护方案

在隧道原施工方案设计中，进入基岩段后采用短掘短支施工方案，临时支护采用前探梁+架棚的支护方式控顶。前探梁由3根长为4 m的3寸钢管构成，掘进后及时前移至正头。支架按照设计断面采用10#道轨加工制作，架棚棚距为800 mm(根据现场实际情况可以适当调整)，柱窝深度不小于200 mm，棚腿与棚梁用螺栓连接，棚与棚用拉杆连锁，每2架棚配3套拉杆。棚与棚之间用厚度不小于30 mm、长度为900 mm 的木板背设，背设材料间距视现场正头岩性情况而定。根据现场情况，循环进度为一棚一循环，必要时打设超前锚杆进行控顶。该方案施工进度较慢，永久支护一般滞后于临时支护约40 m，爆破后围岩暴露时间较长，变形量较大，极易出现片冒事故，严重威胁了现场作业人员安全。

2.2　管棚超前支护方案

为解决传统支护方案存在的问题，针对该工程基岩段为松软破碎岩层的现场地质情况，在对比分析煤矿井下巷道临时支护方案[7-10]和隧道超前支护方案的基础上，采用管棚法进行超前支护。该工艺是一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术，特别是在穿越破碎带、松散带、软弱岩层、涌水、涌砂层等岩层中发挥了重要作用。管棚是利用钢管作为纵向支撑，钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体，不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向也具有拱形结构支护效果。由于其刚度较大，因此能够有效阻止和限制围岩变形，并且能够提前承受早期地应力[11]。

2.2.1支护原理

2.2.1.1临时支护效应

本研究结合煤矿井下扩修或松软破碎巷道掘进时采用的超前锚杆临时支护工艺来布置管棚，管棚前端沿一定角度插入岩体，管尾部分压于工作面正头第1架棚梁上，尾部挑住第2架棚梁，即便不注浆，也能够达到超前控顶和临时支护的目的(图2)。

图2　管棚临时支护示意

2.2.1.2梁效应

钢管以较小的仰角沿岩面打入，前端嵌入围岩，管棚尾部连接棚支架和前端围岩作为2个支点与钢管联合形成1个梁结构来承担围岩的压力，可有效防止围岩发生松弛和坍塌。

2.2.1.3加固围岩效应

管棚布置完毕后，通过钢管采用内注水泥浆、化学浆液等材料的方式来增加钢管刚度，同时浆液通过钢管四周的注浆孔压入围岩裂隙或缝隙中，将破碎岩体进行固结，改善围岩结构的力学性能，增加围岩承载能力，提高围岩结构面的强度和刚度，同时能够封闭水源、隔绝空气，防止或减轻水对围岩的软化作用，避免围岩强度因水的影响而大幅度降低[12]。

2.2.2支护参数

根据隧道工程现场地质情况以及断面参数(断面毛面积为9.49 m2，断面较小)，结合市场调研，以类比法确定管棚法超前支护技术参数。

2.2.2.1连接棚支架

因本研究隧道施工准备阶段已经严格按照施工设计方案加工了棚支架作为临时支护，故本研究管棚管尾部的连接钢棚结构采用已经加工的棚支架，即钢棚支架由10#道轨加工，梁腿之间通过螺栓连接，支架之间通过拉杆连接，确保牢固。棚距视现场情况而定，连接构件长度可视棚距加长或缩短。钢棚支架分别如图3、图4所示。

图3　连接钢支架示意

图4　钢棚支架构件示意

2.2.2.2钢管

根据项目建设工期和剩余工程量，制定了合理的月进度和作业循环进度计划，每7.5班完成1个掘砌循环，其中1.5班掘进，6班砌碹，循环进尺12 m，因而将管棚的一次超前支护距离确定为14 m较为合理。钢管为长5 m、直径50 mm、壁厚5 mm的热轧无缝钢管，对管棚管壁进行钻孔，并使钻孔呈十字形布置，纵向间距为200 mm、孔径为10 mm，钢管在隧道拱部120°范围内进行单层布置，且在巷道轮廓线以外以6°外插角向工作面施工方向打入，间距为350 mm，每个循环及每排布置11根(图5、图6)。

2.2.2.3注浆参数

注浆材料使用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，一般地段水灰比为1∶1，富水段水灰比为0.8∶1。注浆压力根据现场情况确定，终压一般为2.0 MPa 。

单液注浆量的计算公式为

Q单=πr2·L·α·β·η，

图5　管棚布置示意

图6　管棚超前支护剖面

式中，r为考虑注浆范围相互重叠原则后的浆液扩散半径，r=(0.6～0.7)s，s为小导管中心间距，m；L为钢管有效长度，m；α为地层孔隙率，软岩取1%～2%；β为渗透系数，取0.8；η为损耗系数，1.1～1.2。

经计算，Q单=0.04 m3；Q总=0.44 m3。

2.2.3设备选择

根据支护技术参数确定情况，为进一步提高工程施工成果，有必要合理选用施工设备。本研究选用义安煤矿双突矿井施工时应用的人工手持式防突钻机，打眼深度约20 m，钻杆随之配套选用，钻杆为麻花钻杆，岩屑在钻杆钻进过程中可以随杆体旋转自行流出，配套钻杆有适合管棚钢管直径的型号。注浆泵型号为LZB-3，该型泵结构先进，具有额定输出压力高、大排量、效率高、便于移动、使用维护方便等特点，既可以注单组分浆液，又可以注双组分浆液，既可以注化学浆液，又可以注水泥浆液；安全性好，在易燃、易爆、温度、湿度变化较大的场所均可以安全使用；该型泵注浆压力高，输出流量大。相关设备配备情况如表1所示。

表1　设备配备情况

2.2.4施工工艺流程

管棚超前支护施工前，首先进行现场准备工作，将现场清理干净，使得施工地点具备架棚、注浆设备存放和安装的条件，将施工所需设备、工具准备齐全，检查其完好性后运至施工工作面指定位置。准备工作完毕后，按照隧道施工期间的中腰线架设钢棚支架，棚距为2 000 mm，钢棚支架架设2棚即可。在2棚中间顶板区域内，按照设计参数标定钢管孔位，标定过程中也可以同时搭设操作平台。该项工作完毕后，首先在标定的孔位上打眼，达到设计深度后进行清孔；其次逐节顶入钢管，钢管最后的状态应是压于第1架棚梁上，拖住第2架棚梁，固定完毕后安装止浆垫，进行喷浆封闭；然后连接注浆管路进行注浆，待达到设计注浆压力和注浆量后，停止注浆，采用普通钻爆法进行施工；最后进行锚网支护。具体施工工艺流程如图7所示。

图7　管棚超前支护施工工艺流程

2.2.5施工注意事项

(1)施工准备期间有必要确保各项工作准备就绪，不得耽误或影响后续施工工序。

(2)钢棚支架应严格按照隧道中腰线进行架设，且2架钢棚应连接牢固，对于不接顶部位，可在不影响打眼位置的情况下，用大头楔或木垫板进行背设，空帮部分可堆垛煤袋或背设半圆木，棚梁必须水平，严禁出现流水现象，棚腿严禁出现前倾后仰和明暗不一等现象。

(3)测定钢管孔位时一般采用延长巷道中腰线的方式，在工作面后退第1棚和第2棚之间120°拱部以上标定孔位，也可采用全站仪辅助定孔，孔位标定必须能够有效指导打眼和钻进。

(4)操作平台的搭设必须牢固可靠，宽度不小于1.5 m，长度不小于2 m，平台上铺设的木板厚度不宜小于5 cm，确保使用人工手持式钻机能够有足够的活动空间。

(5)打眼钻进期间，钻机开孔时钻速宜低，钻深20 cm后转入正常钻速。 换钻杆时，应注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，对于不符合要求的钻杆应及时更换，确保正常作业[13]。由于无法准确判定软弱围岩厚度，有时钻孔即便达到了设计深度，但岩质仍然较差，因此在钻进过程中应根据钻进深度对石粉进行取样分析，并做好记录。

(6)钢管顶入时，一般采用人工方式，也可借助挖掘机、凿岩机等机具辅助进行顶入施工。采用机具顶入时，应缓慢，稳妥，并随时掌握好方向，防止硬顶将管顶弯，致使施工中断。管棚节间采用丝扣连接时，管棚单、双序孔的连接丝扣错开半个节长。接管完毕后，外露钢管口应用钢板焊接封堵。钢板中间焊接注浆用同型号管路，并安装止浆垫。

(7)管棚注浆应遵循“先两侧后中间、由稀至浓”的原则。注浆施工由两端开始施工，向隧道拱顶方向推进，开始注浆时，浆液浓度可稍低，而后逐渐加大至设计浓度。浆液拌制应均匀，以便具有良好的流动性和黏稠度。

(8)注浆施工时，应根据现场试验来确定注浆压力，实际注浆量应大于理论计算的注浆量。为防止注浆时跑浆，应首先在2架钢棚支架区域内喷射150 cm厚的混凝土。注浆时应徐徐加压，达到终压(即注浆已满)后，浆液有时会从封口处均匀溢出，有时也会从周围的岩隙裂缝处溢出。注浆完毕后，应将注浆量与理论数值进行对比，当注浆量小于理论数值时，表明管内未注满，此时应停止注浆查明原因后再进行压注[14]。

3　应用效果

2017年5月在三门峡义翔铝业有限公司硖石干式堆存赤泥综合利用项目三标段隧道工程基岩段使用了管棚超前支护工艺，改善了松软破碎岩层的赋存状态，提高了围岩的承载能力，隧道顶板的稳定性明显提升，为进行钻爆法光面爆破施工[15]奠定了基础，加快了作业循环率，增加了作业循环进度，作业环境的安全性也得到了保证。

按照传统工艺施工时，按照“三八”工作制，每班最多架设3棚，进尺为2.4 m，月进度约为345.6 m(对头掘进)，2个月可以完成691.6 m，而基岩段总长为916 m，无法按照合同工期(2个月)完成任务，按照合同条款，延误工期1 d，罚款0.5万元，预计延误19.5 d，罚款约为9.75万元。采用管棚超前支护工艺后，截至2017年6月，该标段隧道工程已经顺利且如期贯通，工程质量和施工进度得到了集团公司、建设单位、监理单位以及设计单位的认可。

4　结　语

结合三门峡义翔铝业有限公司硖石干式堆存赤泥综合利用项目三标段隧道工程实例，采用管棚超前支护工艺进行施工，分析了合理的支护参数取值及工艺施工流程，成效显著，对于类似隧道工程施工也有一定的参考价值。

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