高速公路软弱围岩隧道施工技术浅议

摘要:文章通过雷家坡隧道管棚施工实例,对长管棚超前预支护技术在浅埋软弱隧道中的施工技术、施工工艺和质量控制标准进行了总结,可为类似工程超前预支护提供参考。

关键词:隧道施工;大管棚超前预注浆;施工技术

一、工程概况

上海至成都高速公路的湖北省宜昌至巴东第25合同段的雷家坡隧道,位于湖北省西端巴东县溪丘湾大土坪村镜内,设计为四车道上、下行分离式高速公路中隧道,设计车速80km/h。左线长962米,右线长980米,净宽为2*10.25m,隧道净高5.0m,两隧道间距30m-24m。隧址位于构造侵蚀剥蚀中低山区,为一座馒头状型山,洞身顶部呈较开阔的平台状,进出口两端为斜坡,进口端东南坡及出口端北东坡较陡,山体侵蚀现象严重。

雷家坡隧道埋深较浅,拱顶最小埋深5米,最大埋深17m,地质条件复杂,围岩极差,大部分Ⅴ级围岩,其余为Ⅳ级围岩。进洞口段主要为碎石土、含碎石亚粘土;洞身围岩主要为强、弱风化泥质粉砂岩;后半段浅层分布的地层为强风化泥质粉砂岩,节理裂隙很发育,充填泥质;出洞口岩石为弱风化泥灰岩及灰岩,为较软岩,岩体破碎。隧址于ZK148+870m处发育一断层,断层带内岩体破碎,产状杂乱,断层角砾岩发育。隧址岩层整体为单斜、褶皱岩层,影响岩体完整性的因素主要是断层破碎带,断层破碎带围岩极易坍塌,地下水发育。总体分析隧道地质:浅埋、软弱、破碎、开挖后易坍塌、地下水较发育。施工中采用长40m(进口左、右洞)、28m(出口左、右洞)的大管棚超前支护,并采用合理的施工工艺,确保进洞时地面管线、建筑物、道路的安全及隧道开挖过程中的洞内施工安全。

二、施工方案

根据现场实际情况及工期要求,雷家坡隧道施工分两个施工处,进口端左右洞同时交错平行掘进施工,出口端先从左洞掘进施工;明洞采用明挖施工,暗洞按新奥法原理进行施工。隧道掘进施工,Ⅴ级围岩地段采用三台阶七步法开挖法,Ⅳ级围岩地段采用上下台阶法开挖。

洞口处为Ⅴ类围岩浅埋段,且存在偏压,各洞口端采用长40m(进口左、右洞)或28m(出口左、右洞)的大管棚进行超前预注浆,在洞口衬砌轮廓线处立模浇筑厚0.60m、长2m的砼拱圈,在拱圈内立三榀18号工字钢拱架。然后在监控量测技术的指导下采用短台阶七步开挖法顺利进洞。

通过管棚超前注浆,在拱部开挖线外周边形成加固的保护环,发生拱环效应、调整了围岩应力、提高了围岩强度,有效地防止地表坍方、下沉外,采用套拱法以抵抗偏压和松散体水平推力,是软弱围岩能安全进洞的好措施。

三、超前钢管(大管棚)预加固施工工艺

(一)工艺原理

管棚施工是在软弱地层或破碎岩层中钻孔并打入钢管,利用注浆机具向管内注入具有一定压力且有一定胶凝时间的浆液,浆液在钢管周围一定区域内扩散,通过浆液的胶结作用,对管棚周围的软弱、松散岩体进行固结,使土层或岩层的力学性质得以改善,与管棚钢管共同形成一个整体棚架式的加固拱圈,从而起到超前支护作用。

(二)施工工艺流程图

管棚的施工工艺流程如图1所示。

(三)管棚设计参数

1、管棚采用Φ108×6mm的热轧无缝钢管,每节长度为3m、6m,环向间距40cm呈梅花形分布。总长40m(进口左洞)、40m(进口右洞)或28m(出口左洞)、28m(出口右洞),采用长30cm的丝扣Φ108×6mm热轧无缝钢管连接。

2、同一截面接头数不能超过50%。

3、为使管棚不下沉,采用与路线纵坡1°-3°的仰角打进。

4、每根钢管前端38m(26m)钢管上间隔20cm按梅花形钻10mm的小孔,并在钢管中压注水泥浆。

(四)施工步骤

1、施工中配备两台地质钻机型地质钻机平行作业,一台由拱脚向拱顶施工,另一台采用15×15cm方木搭设的作业平台,从拱顶向另一边的拱脚施工。(1)钻孔定向。根据孔口管的倾角和方向,利用钻杆的延伸和吊锤准确确定钻孔的方向,对准测量放样点即可固定钻机。然后利用钻机的变角度油缸,参照导向管的倾角确定钻机的倾角,确保钻杆线与开孔角度一致,以达到钻进的导向作用。(2)钻机的固定。钻机就位前,可先利用M20的螺栓将钻机固定在搭设的钻机作业平台上,并在四周采用横木支撑。

2、钻孔。为保证成孔质量,防止邻孔钻进使前面的成孔坍塌,钻孔间隔进行。先钻奇数孔,后钻偶数孔,成孔直径为Ф130mm,以便顺利安装Ф108×6mm钢管。(1)钻具的连接。为了确保钻杆接头有足够的强度、刚度和韧性,钻杆连接套应与钻杆材质一致,两端加工内螺纹(配合钻杆首位端外螺扣),连接套的壁厚≥10mm。为防止钻杆在推力和振动力的双重作用下,上下颤动,导致钻孔不直,钻孔时,应把扶直器套在钻杆上,随钻杆向前钻进向前平移。(2)钻孔。为了保证孔口的成孔质量,开孔时宜用小给进力、高转速。给进力一般0.5MPa-1.0MPa,转速80转/分钟-100转/分钟,每钻进40cm时,退出扫孔,后再钻进。待成孔2m-3m时,再加压全速钻进。钻进时,如遇到岩层或孤石时,为保证钻进效率,可适时增加钻机的给进力,降低转速。给进力一般1.0MPa-2.5MPa,转速60转/分钟-80转/分钟,每钻进50cm-80cm时退出扫孔。扫孔时,给进速度应控制在1m/分钟;如遇到土层或土加石层时,应先背压,后给进,使给进与起拔的压差保证在1.0MPa以下,并控制给进速度1m/分钟,便于孔内排碴,至钻杆回转时无较大跳动为宜。钻进过程中应经常用测斜仪测量方位角,随时检查钻孔方向的准确性。(3)清孔。成孔后用2.5m长的Ф43mm岩芯管进行扫孔,将钢管孔道清理顺直并将碎碴清理干净,确保管棚钢管顺利下到孔底。

3、顶管。钻机立轴方向必须准确控制,在浇注好的套拱上标出孔位和孔号,孔号分为奇数孔和偶数孔,奇数孔采用无缝钢管,偶数孔采用梅花钢管。奇数孔成孔后及时安装钢花管或无孔钢管,压注水泥浆。偶数孔成孔后也必须立即安装钢管,防止塌孔,同时偶数孔的施工一方面可以检查奇数孔注浆质量,另一方面也可以进行补充注浆,提高注浆加固围岩的效果。另外为保证受力均匀性,钢管接头应纵向错开,偶数第一节用3m,奇数第一节用6m,以后各节均用6m。保证管棚的搭接不在同一个断面上至少错开2m,管棚接长时先将前一根钢管顶入钻好的引导孔后再行连接。第一根钢管前段要焊上合金钢片式空心钻头,以防止端部顶弯或劈裂围岩较差无法成孔时,一般采用跟管钻进:将钻孔与安装钢管同时完成。钢管安设完成后应及时将钢管孔口部分管外壁和孔壁之间的空隙用锚固剂进行封堵,注浆地段的起始处掌子面应喷射20cm厚混凝土(加单层钢筋网)。此后,每个注浆段终止处留出3米厚围岩作为止浆岩盘,防止漏浆。

4、管棚注浆。管棚注浆是为了固结管棚钢管周围一定范围内的岩体,是管棚施工的一项重要工序。注浆施工由两端管棚钢管开始注浆,跳孔进行注浆施工,向隧道拱顶钢管方向推进,开始时注浆的浆液浓度要低一些,逐渐加浓至设计浓度。孔号为偶数的管棚完成后,对这部分管棚进行注浆。长管棚注浆按固结管棚周围有限范围内的土石设计,浆液扩散半径不小于0.6倍管口距,注浆采用分段注浆,注浆参数如下:(1)注浆材料及配合比:注浆浆液采用普通水泥单液浆,水泥采用32.5(R)普通硅酸盐水泥,水泥浆液水灰比为11。(2)注浆压力:注浆初压力0.5Mpa-2Mpa。(3)注浆量估算公式:Q=πRk2Lηξ,式中Rk为浆液扩散半径,取Rk=0.6Lo;Lo为钢管中心间距;L为钢管长;ξ取0.85,为注浆饱满系数;η为空隙率(%),风化岩层取2%-3%,岩石破碎带取5%-8%,溶槽溶隙地层取10%-l5%,粘土取20%-40%,砂土取40%-60%。注浆前要进行现场注浆试验,根据实际情况调整注浆参数,取得管棚注浆施工经验。(4)注浆结束标准及注浆效果检查。注浆采用单孔注浆量和注浆压力进行双控,满足下列条件中的任何一个即可结束注浆。一是单孔注浆结束标准:每段注浆都正常进行,注浆终压达到设计终压,注浆量达到设计注浆量的80%;或虽未达到设计终压,但注浆量已达到设计注浆量,即可结束本孔注浆。二是全段结束标准:设计的所有注浆孔均达到结束标准,无漏注现象。三是达不到结束标准,应补充或重新注浆直到满足要求为止。(5)注浆注意事项。注浆前应认真检修机具,对管路系统进行检查及更换;注浆所用水泥无结块、无杂物,砂子应洁净并过筛;注浆管路的连接应牢固,保证注浆管内无杂物;注浆结束,所有接头、阀门、管路等均应清洗干净;注浆作业要前后配合,统一指挥,以期达到预期的注浆目的和效果;认真做好注浆记录,对每孔注浆量、注浆压力、有无跑浆、窜浆情况等及时填写清楚;注浆时,严禁作业人员近距离正对注浆孔。

5、质量控制。(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)钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定,采用与路线纵坡1°-3°的仰角打进,钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右,并控制在20cm-30cm。(3)严格控制钻孔平面位置,管棚不得侵入隧道开挖线内,相邻的钢管不得相互立交。(4)经常量测孔的斜度,发现误差超限及时纠正,至终孔仍超限者应封孔,原位重钻。(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。

四、资源配置

(一)施工机具

管棚施工主要机具设备包括地质钻机、注浆机及其他配套设备。钻孔采用KY-300型钻机。管棚注浆机具采用YSH-3型双液注浆泵。

(二)劳力组织

管棚施工安排两台钻机同时作业,并且实行两班制。其劳动力组织如表l所示。

五、结论

雷家坡隧道洞口采用超前管棚施工,已安全顺利进洞施工。说明对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段采用长大管棚施工工艺,提前发挥超前支护作用,增加了施工安全度,提高隧道的长期稳定性,具有显著的经济效益和社会效益;在管棚支护下开挖,管棚受力明显,可减少地表下沉和防止围岩坍塌且具有较好的支护效果;管棚钻孔可作为地质预探预报,地质资料可指导洞身开挖提供依据;管栅施工可一次性成孔,质量易控制,与超前小导管支护相比,综合成本低,经济效益显著;管棚施工工艺的引用,对软弱浅埋隧道施工及其他地下工程建设具有较高的参考价值。

参考文献:

1、岩溶隧道管棚支护工法[M].人民交通出版社,1993.

2、公路隧道施工技术规范.JTG F60-2009[S].

3、公路隧道施工技术细则.JTG/T F60-2009[S].

(作者单位:中铁七局集团武汉公司)