浅谈大管棚在隧道口的施工技术

浅谈大管棚在隧道口的施工技术【摘要】本文从参数确定、机具选择、施工工序、施工工艺流程四个方面较全面介绍了忠垫（重庆市忠县至垫江）高速公路谭家寨隧道左线出口30m大管棚超前支护技术运用情况及一些体会和看法，供参考和探讨。【关键词】隧道出口大管棚运用认识看法1引言大管棚是暗挖坑道工程施工中常用的超前支护技术之一，是保证施工过程地层安全稳定、控制施工引起地表沉降的常用措施。它是采用非开挖技术在开挖坑道顶拱外缘一定距离打入一排纵向钢管，并在钢管内插入钢筋笼，再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管和其内部钢筋笼与孔壁之间的空隙，使钢管与围岩固结紧密，同时提高钢管强度，在所开挖坑道顶拱预先形成牢固的棚状支护结构。这种超前支护技术能充分保障该段暗挖坑道施工安全，确保坑道开挖后的轮廓面符合设计标准，也能有效控制浅埋暗挖坑道开挖后地表沉降。但是，如何精心设计组织大管棚施工全过程，如何严格控制实施，才能达到大管棚超前预支护效果，是很多技术同仁仍面临的问题，本文将介绍谭家寨隧道左线出口30m大管棚超前支护技术运用情况及一些体会和看法，仅供大家探讨。2谭家寨隧道工程概况2.1设计概况谭家寨隧道是沪蓉国道主干线支线重庆忠县至垫江高速公路上的重点控制性工程，位于重庆市忠县白石镇境内，隧道出口属白石镇华福村管辖。谭家寨隧道是典型的上、下行分离式4车道高速公路隧道，隧道左线起讫里程桩号为ZK82+314.822～ZK87+182.345，长4867.523m；右线起讫里程桩号为K82+310～ZK87+175，长4865m。隧道左、右线出口均设计有20m明洞。2.2围岩地质情况隧道出口端施工范围Ⅱ、Ⅲ类围岩占54.46%，Ⅳ类围岩占45.54%。主要为：页岩，砂岩和泥岩，节理发育，地下水较丰富。隧道左线出口仰坡范围从上至下地质为0.5～1.0m淤泥质软土、1.0～2.6m黄土，下覆强风化炭质页岩，风化深度达3.0m～6.0m，层理非常明显，层理方向正好顺仰坡面方向，可以定性说，隧道口属典型的顺层滑移段。2.3施工概况谭家寨隧道出口端（左线2374.238m、右线2375m，于2004年11月20日开工。左线开工后按设计里程分层清刷支护仰坡到暗洞口位置（即ZK87+182.345里程位），发现其上尚有2.1m覆土层，下层为强风化炭质页岩。根据以上地质情况，推断出隧道口明洞拉槽后根本不能保证仰坡稳定，原设计仅用超前小导管作超前支护挂齿进洞，无法保证施工安全。现场进一步核实后变更为：在左线隧道洞口加强段增设30m大管棚作超前支护，以确保安全进洞；同时，还采取了一系列措施以确保仰坡稳定，主要有以下四方面：（1）尽快施工完天沟，清理干净仰坡面及坡顶的薄层覆土，封闭坡顶及坡面。（2）在仰坡面上打设@1.2m×1.2m，长8m，由3根φ22钢筋焊接在一起的锚杆索。（3）尽量减小明洞拉槽宽度，确保仰坡面受力结构完整。（4）留设好隧道左、右线洞口间的路基平台，杜绝宰截仰坡坡脚。3大管棚超前支护技术运用3.1参数确定（1）管棚长度为30m，热轧无缝钢管Φ108mm，壁厚6mm，节长3m、6m。（2）设2m长套拱作管棚固定端，拱内设4榀20b工字钢，在其中布设31根Φ127mm，壁厚4mm，节长2m孔口管（为无缝钢管），并与20b工字钢焊接为整体。（3）管棚钢管加工成花管，前端呈尖锥状，尾部焊接Φ10加劲箍，管壁四周钻2排Φ20mm压浆孔。（4）管棚钢管管心与二次衬砌设计外轮廓线间距为50cm。（5）钢管布设在顶拱圆心角为130°范围，环向间距为50cm，共31根。（6）外插角：1°(不包括路线纵坡)。（7）管棚钢管施工误差：径向不大于15cm。（8）管中下4根Φ20钢筋均布焊接在Φ42钢管环周边形成的钢筋笼。（9）管棚钢管先注水泥水玻璃双液浆，再在管内灌注30号水泥砂浆。3.2机具选择根据大管棚穿越岩层的具体情况，经综合比选，大管棚的钻孔设备选择了YQ100E型钻机，该机广泛地适应露天矿山、水利、建筑等工程各种类别岩层中钻凿大直径的深孔，综合了国内外各种小型钻机的优点，是一种重量轻、运输移动方便，操作简单的设备。该机主要技术性能如下：（1）钻孔直径：85～130mm；（2）钻孔深度：20～40m；（3）钻杆外径：50mm；（4）钻杆内径：39mm；注浆设备选择KYB-50/70液压注浆机和砂浆搅拌机。3.3施工工序大管棚施工有明洞边、仰坡开挖支护，施作套拱，钻机就位，钻孔，清孔验孔，安装管棚钢管，安装管内钢筋笼、孔口密封处理和注浆九项工序。各项工序环环相扣，技术要求较高，工艺较复杂，现分述如下。3.3.1明洞边、仰坡开挖支护（1）明洞仰坡开挖支护是在洞顶天沟完全施作好后开始施工，开挖是从上至下分级分片依次有序进行，做到随挖随护，及时封闭坡面，尽量避开雨天开挖仰坡面。仰坡支护采用锚杆和锚杆索、挂设钢筋网、喷射砼。（2）明洞拉槽是在洞顶仰坡开挖支护好后开始进行。明洞拉槽开挖两侧则自然形成边坡，明洞拉槽分级分台阶进行，边坡支护则也分块、分层进行锚、网、喷支护。3.3.2施作套拱套拱施工用土模作内模，当左线仰坡开挖至洞口（ZK87+162.345）前2m预留好土拱，人工修整成型，并用砂浆抹面。土模形成后先砌筑套拱浆砌片石拱脚基础，当基础达到强度后，沿开挖轮廓线外10cm以60cm间距将4榀20b工字钢拱架立在片石基础上，纵向布设环向间距1m、φ25纵向连接钢筋。然后再在钢拱架上按设计管棚钢管环向间距将φ127孔口管用φ16固定钢筋双面焊接固定好，使钢拱架与孔口管形成整体。最后支设外模（用木模），背型钢拱架支撑。当外模支撑加固经检查确认牢固安全后，才开始浇注C25砼，为使模筑套拱砼尽早达到设计强度，在砼中加入一定量的早强剂。套拱砼浇注完后及时进行养护。施工中特别注意：（1）套拱基础必须稳固，保证管棚施工过程中套拱不偏移、不沉降，必要时增加一些临时支撑。（2）砼套拱作为大管棚导向墙必须在明洞外轮廓线以外施作，需严格放线、定位测量。（3）孔口管作为大管棚导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚质量。焊接固定它前需用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置，用水准尺配合坡度板设定孔口管倾角，用前后差距法设定孔口管外插角。孔口管牢固焊接在工字钢拱上，防止浇筑砼时产生位移。3.3.3钻机就位（1）钻机平台利用自行设计、加工的全断面开挖台架，它是用一系列型钢（工字钢、槽钢、角钢及钢管）拼焊成骨架，铺设层层钢筋网片作支撑平面，在平整场地上一次性加工好的。然后整体拖拉到套拱前支垫牢固、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。（2）移动钻机至钻孔部位，调整钻机高度，将钻杆放入套拱孔口管中，用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合方法，反复调整，精确核定钻机位置，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。3.3.4钻孔（1）钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机时间，便于钻机定位。为了能顺利安装管棚钢管，钻头直径选用Φ115mm。（2）钻机定位经仪器量测，钻杆方向和角度满足设计要求后方可开钻，钻孔开始时选用低档，待成孔1.0m厚适当加压，退出接钻杆，继续钻进。（3）钻孔过程始终注意钻杆角度变化，保证钻机不移位。每钻进5m用仪器复核钻孔角度是否正确，以确保钻孔方向。钻孔偏斜过大，用特殊钻头等适合修正各种偏斜的方法进行修正。如：向下偏斜，在偏斜部分填充水泥砂浆，等水泥砂浆凝固后再从偏斜开始处继续钻进。向上偏斜，采用特殊合金钻头进行再次钻进。（4）岩质较好时，可以一次成孔。（5）钻进过程经常用测斜仪测定其位置，根据钻机钻进状态及时判断成孔质量，及时处理钻进过程出现的坍孔、卡钻事故。（6）钻进中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。（7）认真作好钻进过程原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，以此作为洞身开挖的超前地质预报。3.3.5清孔验孔钻孔完毕后先用地质岩芯钻杆配合钻头(Φ115mm)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；再用高压风从孔底向孔口清理钻渣；最后用经纬仪、测斜仪等检测验收孔深，孔倾角和外插角。3.3.6安装管棚钢管（1）下料管棚钢管前预先按设计对每个钻孔的钢管进行配管和编号，以保证同一断面上管接头数不超过50%，相邻钢管接头前后至少错开1m。为综合利用钢管整料（即长度为9m整），基本管节长度下为3m、6m，并分别予以奇偶编号，奇偶数不同的管长相差3m（若奇数管长度为3m，则偶数管长为6m）。（2）已下料好的管棚分节钢管在专用管床上加工好外丝扣，棚管四周钻Φ8出浆孔（靠暗洞口1.95m的范围棚管不钻孔）；为便于入孔，首节钢管管头焊成圆锥形。（3）大管棚钢管分节安装采用孔口管引导和反压顶管工艺，相邻孔间管节奇偶错开，前期靠人工送管，当阻力增大，人力无法送进时，用10t以上卷扬机配合滑轮组多方向反压顶进，顶进中始终保证反压合力方向与孔轴线一致。（4）地质条件较差时，安装钢管要及时、快速，以保证完全成孔后能将钢管顺利送到孔底。3.3.7安装管内钢筋笼管内钢筋笼在平整场地上分节加工好，分节长度要保证同一断面上管棚内的钢筋接头数不大于50%，为便于在孔口分节接长后能顺利下入钢筋笼，首节笼前端头还焊接钢圆锥。接长钢筋笼采用靠管心侧帮条（即靠笼内侧梆接一根同等直径的钢筋）单面焊20d（两边各10d）。为保证接长钢筋笼的顺直，施工中采用了“套筒保直法”，即选用一根3m长的钢管，其内径比钢筋笼外径略大一点，正好能套住拟接长两节钢筋笼的两端各1.5m，在套管中间破一操作口，旋转套筒操作口至拟帮焊接钢筋位置，焊接钢筋，焊接完一根，再旋转套筒操作口至另一钢筋位，焊接另一根。3.3.8孔口密封处理注浆前在每根管棚钢管尾部焊接密封钢板，钢板上焊设有套注浆管的椎头小钢管，并焊设好排气管。3.3.9注浆注浆采用两台KBY-50/70液压注浆机分段由最低孔位向最高孔位进行，注浆压力由小到大缓慢升高。初压0.5MPa～1.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，仍未达到压力要求，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均被浆液充填，方可终止注浆。注浆参数如下：（1）水泥浆与水玻璃体积比：1：0.5。（2）水泥浆水灰比：1：1。（3）水玻璃浓度：35波美度；模数：2.4。双液注浆结束后，清除部分管内浆液，再向管内充填灌注30号水泥砂浆，增强管棚的刚度和强度。3.4施工工艺流程见图4：《大管棚施工工艺流程图》。略4体会及看法4.1大管棚超前支护技术实施的针对性和特定性大管棚超前支护技术工法的成熟性，广泛运用性是无可质疑的，但是其还有很强的针对性和特定性。谭家寨隧道左线出口30m大管棚超前支护是针对隧道口属顺层滑移段，为确保安全顺利挂齿进洞而施作的，以下四个方面体现出其实施的特定性。（1）提出变更设计增加30m大管棚时，针对大管棚固定端可选择导向架（一组连起来的型钢拱架），也可选择砼套拱。最后之所以选择砼套拱，主要是针对隧道口属顺层滑移段，砼套拱可形成一段短的“假明洞”，不但能对明洞拉槽后仰坡滑移起一定支挡作用，而且能确保暗洞破口开挖安全。（2）大管棚钢管中安装钢筋笼也是针对隧道口属顺层滑移段而提出的，加设钢筋笼可以提高管棚的强度和刚度，确保这段暗洞开挖的安全。（3）大管棚套拱施工前明洞拉槽开挖中，针对隧道口属顺层滑移段，所以尽量减小明洞拉槽宽度，确保仰坡面受力结构完整。（4）选择套拱施工内模型和方法时提出了两种方案。其一是支吊法，即把明洞槽全部开挖出来后，再立工字钢拱架，内模利用已架设好的钢拱架支吊；其二是土模法，当明洞拉槽开挖到暗洞口前2m就预留土拱，对其抹面形成内模，再在其上架设钢拱架。最后之所以选择土模法，主要是因为隧道口属顺层滑移段，未拉槽完的明洞土模可对仰坡滑移起一定支挡作用，当管棚施工完毕再挖走土模时，已有砼套拱和管棚对仰坡滑移起一定支挡、锚固作用了，能充分保证施工安全。4.2大管棚超前支护技术实施的控制性任何一种技术实施都离不开控制，大管棚超前