长短大管棚法处理隧道塌方施工技术

摘要：文章介绍了隧道塌方长短大管棚法处理的施工技术，大管棚注浆对隧道掌子面、拱顶、边墙各区域的围岩都起到固结作用,确保了隧道在塌方清理施工时能顺利进行。

关键词：隧道塌方；大管棚；钢拱架

中图分类号：U45文献标识码： A

1 前言

在重庆开县龙安隧道施工过程中，2009年12月13日发生了一次大塌方，估计塌体高度约6m，宽约13m，塌方量约1000m3,为确保在清塌过程中的安全，项目部在参考了国内相关案例后经过综合考虑，决定采用长短大管棚相结合的方法加固塌体、围岩和进行超前支护，经过严格施工，项目安全通过塌方地段，达到了预期目的。

2 工程概况

龙安隧道位于重庆市开县镜内，是一条设计为单洞双车道隧道，为山岭重丘区二级公路隧道，设计行车时速为40KM/H，隧道净宽8.5m，即3.5m×2（2车道）+0.25m×2（余宽）+0.5m×2（检修道），净高5m，全隧道共设6个紧急停车带，间距为500～600m，紧急停车带净宽12m，净高5m，加宽带3.5m，隧道路面采用“人字坡”±0.2%。隧道围岩设计为Ⅳ类围岩，主要构成为泥灰岩、泥质白云岩夹灰岩、白云岩、粉砂岩构成，以岩质软-硬，中-厚层状构造为主，岩层单斜，受地质构造影响较重，不同岩性层间结合较差，节理发育，岩体以大块状砌体结构为主。

3 塌方概况及塌方原因分析

3．1坍方情况介绍

2009年12月13日11点左右，隧道施工至K3+203处时，掌子面出现塌方，为防止塌方继续扩大，及时在K3+195处增设两榀钢拱架，下午2点对分别对安放好的钢拱架进行喷锚作业时，在K3+195至 K3+203发生二次塌方，坍塌高度约6m，宽约13m，导致开挖台架与安设的两榀钢拱架被埋。

3．2塌方原因分析

经过地质雷达探查查明，在K3+195至 K3+230顶有一严重破碎带，但隧道没穿透破碎带，因而未发现，同时由于事故期间降雨量大，地下水位上升，造成结构层间结合力减小，进行爆破施工时对围岩产生振动，围岩在几种因素共同作用下造成洞顶塌落。

3．3处塌方案的选择

塌方后经过地质雷达探查查明，坍塌高度约6m，宽约13m，主要是拱顶范围坍塌，且左侧拱顶要比右侧严重。在综合考虑后，决定采用大管棚施工方案，该方法有以下四个优点：（1）在大管棚加固保护下，可以不在塌腔下锚喷作业、施作托梁等；（2）施工方大管棚施工经验丰富，对施工工艺，机械设备等都比较熟悉；（3）施工速度快，质量能得到保证；（4）运渣量相对较小。因此在此推选长短大管棚方案，短管棚在施工中主要是起在塌体中注浆的作用，长管棚是起超前支护的作用。

3．4 塌方及管棚处理有限元分析

根据实际围岩状况，用ANSYS有限元对其开挖变形进行分析，ANSYS程序具有生死功能，采用二维平面应变弹塑性非线性方法，围岩采用Drucker-Prager屈服准则，用PLANE42单元来模拟围岩，，初支厚度15 cm，采用Beam3单元。计算分析表明，在原始围岩状态下，开挖后沉降变形量达到15.8cm（见图1，图2，图3）,变形量大，加之施工期间降雨量大，且爆破对围岩产生扰动，从而发生塌方事故。

图1隧道塌方计算网格模型 图2 隧道开挖后变形状态（变形量15.8cm）

图3围岩竖向位移图矢量图（局部）

采用大管棚处理方法处理塌方时，改变围岩参数，计算得到开挖时最大沉降位移为1.6cm，能安全保证塌方施工。

4 塌方长短大管棚处置方案

长短大管棚方法处理隧道塌方在保证施工安全上效果比较显著，采用比较广泛，施工步骤可以分为：（1）注浆加固塌体；（2）施作短管棚，注浆加固围岩；（3）施作长管棚，形成超前支护；（4）清理塌渣，架钢拱架，施工锚杆，施作衬砌，穿过塌体；（5）后续观察。

4.1塌体后方加固

首先对塌腔后方进行加固，防止塌方继续扩大，同时也为作业人员提供一个安全的作业空间，二次塌方后在K3+185到K3+195安设I16工字钢进行加固，间距30cm,采用φ27自进式锚杆补强，长度为4m，间距为40×80cm,通过锚杆孔灌注水泥浆液加固围岩。采用φ6.5钢筋网，网格尺寸20 cm×20cm，补喷C20混凝土，厚度15 cm。

4.2止浆环、注浆管和溢浆管的设置

在K3+195处将塌体稍加平整，在塌体上用M10.0的的浆砌片石砌筑止浆环，厚度设为0.5m,宽为0.5m。在砌筑止浆环的同时在拱部预埋三根φ108的钢管，在塌体端头倾斜向上打入塌腔中，准备灌浆回填，以便满足开挖轮廓线外4.5 m保护厚度要求，同时预埋一根φ80的钢管作溢浆管，其顶口竖直距离开挖轮廓线4.5m，以便较为准确控制灌浆厚度。

4.3塌渣顶灌浆回填

等到注浆管，溢浆管安设完毕后，通过注浆管向塌渣顶压灌水泥砂浆，压强控制在0.3～0.5MPa,直至溢浆管内有浆液流出时停止压浆，这样即可保证开挖轮廓线外4.5 m保护厚度要求。

4.4大管棚方案

4.4．1大管棚设置参数（长短大管棚）

首先在拱部180°松散塌体范围内打设φ108的短管棚，长度设计为9m，外插角为8°，中心环向间距1m，待所有9m长大管棚施工完毕后，进行注浆固结，浆液采用纯水泥浆，水灰比控制在0.7～0.9之间，并视实际情况添加缓凝剂，注浆压力1～2MPa，根据实际注浆效果现场调整。待所有9m大管棚压注浆完毕后，进行φ108长大管棚施工。长管棚长采用15m，外插角为2°，中心间距1m，与短管棚相间布置，施工完毕后进行压注浆，其压注浆参数与短管棚一致。

短管棚在此施工中主要是起在塌体中注浆的作用，长管棚是起超前支护的作用。长短管棚均在其管身上开设φ15的小孔，呈梅花状布置，孔距20cm,尾部2m范围内不开孔。

注浆完成后在开挖轮廓线外形成一个类似拱的支护结构，厚度达到2 m，该结构以上的软土可以作为再次塌方的缓冲带，可以减小再次塌方时的冲击力，保证施工过程的安全。

4.4.2 管棚施工

4.4.2.1 管棚施工工序

封闭工作面 (采用50cm厚M10.0浆砌片石)一施工准备一施工测量一钻机就位一钻孔一扫孔一插人钢管一孔口密封处理一管棚注浆一检验一进入下道工序。

4.4.2.2 管棚加工[1]

管棚用Φ108×5mm无缝钢管，预先加工成5m和4m两种，管身钻注浆孔，孔径15mm，孔间距20cm，呈梅花状布置。每节接头处采用厚壁钢箍，上满丝扣，长度15 cm.

4.4.2.3 钻孔

①搭设钻孔平台【2】。根据设计采用能满足承载力要求的支架搭设脚手架,根据单节钢管的长度搭建拼接平台。平台要安放在实地上,各构件必须连接牢固、稳定。以防止在施工时发生沉降、左右摆动等情况产生位进而影响钻孔质量。②测量定位、架立钻机。按照设计在大管棚施工面上按2根/米的设计密度放线定出每根钢管的中心位置,以便准确就位以及在施工过程中实时进行检查和调整,进而保证管棚的施工精度，钻机与工作平台必须连接牢固，以防施工过程中震动位移而产生过大偏差。③钻孔。钻孔选用钻头比管棚直径大30mm,在钢管一端焊接钻头，采用自进式,隔孔施钻。钻孔从导向管钻进，开孔时低速低压，钻机主轴方向准确定位，确保孔向正确，不偏离或侵入隧道开挖轮廓线内，在钻孔时，定时进行钻机的方向和外插角度的检查，发现偏差应立即纠正，待孔深大于0.15m后,适当加压,钻进采用一次成孔法,用连接接头把钻杆与钢管连接起来,钢管随进度接长。

4.4.2.4 注浆

管棚安装就位后进行检查，确定安装牢固后用棉纱堵塞钢管与孔间间隙，留出进料孔和出气口。采用HFV-50注浆机进行灌注，材料用M30水泥砂浆。为避免串孔，应钻一孔注一孔，压力控制为1～2MPa，在出气口流浆后停注。

注浆控制要点:注浆的水灰比、初始压力和最终压力根据现场试验确定,并根据施工实际情况予以调整。

5 塌方的清理

压注浆完成后，采用上下微台阶留核心土的方法开挖塌体，人工与机械配合前进，每开挖30cm安设一榀I16工字钢钢架，打设φ27自进式锚杆，长度4m，间距40cm×80 cm，呈梅花型布置，挂设φ6.5钢筋网片，网格尺寸20cm×20 cm，喷射25 cm厚C20混凝土。上台阶长度控制在2m以内，及时进行下台阶的开挖和落底工作，保证初期支护及时闭合。

6结束语

隧道工程中地质情况的调查关系重大，在前期地质调查过程中，资料一定要翔实，以便为设计、施工提供前提，以避免发生类似事故。

隧道塌方处理不可盲目，应先加固未坍塌部分，然后封闭塌体，减少扰动次数，避免造成更大的塌方。

长短大管棚处塌施工中，短管棚注浆加固塌体，长管棚起超前支护作用，两者同时作用，在塌体开挖时形成加固圈，能比较有效的保护施工人员的安全，是一种比较有效的处理塌方的施工手段。在处理完后连续2个月的观测过程中，没有发现隧道有漏水及明显的变形情况，可见在此采用大管棚施工方案处理塌方效果是很显著的。

参考文献：

[1]关树宝.隧道工程施工要点集.北京: 人民交通出版社,2003年.（参考381页）

[2]李志勇. 管棚法处理隧道塌方施工技术. 内蒙古科技与经济.第14期. 2009年7月.

作者简介：李 春 ；性别：男；出生年月：1983年12月16日；职称：无；现工作单位：中铁隧道勘测设计院有限公司；