管棚施工技术在铁路隧道预支护中的应用

摘要：大同至西安铁路客运专线2标段磨盘山隧道出口为湿陷性黄土浅埋段，洞中部存在多处浅埋段和断层破碎带，跨度跨度较大，施工时根据实际地形、地质构造，浅埋、偏压、破碎带的长度及厚度、含水等情况进行分析，采用超前大管棚或搭接管棚等措施进行超前支护。

关键词：隧道浅埋偏压 预支护管棚注浆 施工技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

一、工程简介

大同至西安铁路客运专线2标段，隧道占线路长度的50%，其中磨盘山隧道位于忻州市忻州区境内，全长5456m。本隧道为单洞双线隧道，线距为5m，采用CRTSⅡ型板式无碴轨道，隧洞径宽14.5m,径高12.38m。隧道最大埋深222m。磨盘山隧道以Ⅱ~Ⅴ级围岩，其中Ⅳ级、Ⅴ级围岩占隧洞线路长度的53%，隧洞进出口段均为Ⅴb黄土，共计780 m，包括隧道出口共计4处浅埋，其中最小埋深2.0m，四处跨冲沟，埋深较大处富水，土岩交界处本断层破碎带发肓，磨盘山隧道为大断面长隧道，穿越浅埋和冲沟、破碎带、局部偏压是本工程的重点、难点。

二、支护方案选择

本隧道进、出口为浅埋段，其中出口埋深不足8.0m，均为湿陷性黄土，洞中部存在3处浅埋段和断层破碎带，对于双线隧洞超大断面，面积大于140m2，要顺利进洞并通过浅埋和冲沟、破碎带，预支护是保证，合理的支护方案是确保工程安全和进度的充要条件，如何进洞及穿越冲沟群方案是隧洞开挖成败的关键。

预支护有多种形式，如超前锚杆，超前小导管，预注浆锚固，但以上仅适用于局部、小范围、小面积区域的预支护，对于隧洞的浅埋段、断层破碎带，大跨度连续冲沟群，采用超前大管棚或搭接管棚进行预支护对于提高隧洞的稳定性及施工安全有不可替代的优势，结合其作用机理进行分析：

( 1)梁拱效应 ：管棚均匀分布在开挖边线以外，因前端嵌入围岩内、后端一般与钢性支撑相连，在设计开挖线以外纵向形成支撑梁；环向形成应力拱，通过注浆充分加固围岩，提高岩体弹模和强度，可有效抑制围岩松动和垮塌。

(2) 减震效应：因沿隧道轮廓钻环形密集孔，可反射、吸收掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体，大大降低拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围。

超前管棚预支护工法是在隧道洞口或隧道较大范围内浅埋、偏压、断层或软弱地基等地层以及发生塌方，无法以正常开挖方法通过时较为有效的预支护措施之一。

三、管棚预支护分类

3.1 按布置形式分类

根据设计体形的不同及预支护范围不同，结合地形地质情况，通常管棚可按扇形、门形、一字形、全周或局部进行布置。

3.2 按管径大小分类

根据承受的荷载情况不同，选择不同管径的管棚，φ160、φ140、φ120、φ108、φ89等，最小的可称为小导管，如φ42小导管。

3.3按设置部位分类

根据需要支护的工程部位不同，一般设明线段管棚和洞内管棚，明线管棚一般规格较大，管径大，孔深长，洞内管棚一般管径小，孔深浅，搭接长度不小于管体长度1/3。

四、管棚支护方法

高速铁路隧道由于线路调直要求严格，洞口浅埋、偏压，洞内断层或软弱带、冲沟群的情况较多，大同至西安铁路客运专线2标段磨盘山隧道较为典型，洞口明线采用超前大管棚（管棚外径φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，管棚设计长度30米），洞内多处采用超前中管棚（φ89mm，壁厚4mm，洞身部分拱部140度范围，每排长10米，纵向水平搭接不小于3米，环向间距30cm），超前管棚的预支护，有效地预防了浅埋、偏压、断层或软弱带等安全隐患，确保了工期。

4.1 洞口段超前大管棚施工方法

4.1.1 核心土

施作管棚的洞口一般为黄土或较为破碎的浅埋岩体，可直接采用挖掘设备按设计隧洞轮廓线剥离表层覆盖，开挖成弧形断面，即预留核心土，便于支模浇筑导向墙混凝土，导向混凝土砼强度达设计强度的50%，可将核心土降1.2~1.5m，为管棚钻孔作业提供条件。

4.1.2 导向墙及护拱

为确保管棚的孔位、孔向及偏角参数精准，明线管棚施工需设置导向墙及护拱，导向墙长度一般设为1~2m，管棚越长，导向墙选择取大值，本次选2m，护拱采用型钢，本次选I25钢共4排，在护拱外侧安装φ140×6的孔口管做为管棚的导向管，定好位后，支模浇筑厚度可取80cm~100 cm的C25砼，本次厚度选100cm，在导向墙两侧拱脚处立模浇筑2.0m（长）×1.0m（宽）×1.0m（高）C25混凝土基础，按设计在混凝土面上测量放样，各预埋两块30cm×30cm钢板，用于架设导向墙内钢拱架时的支座。

混凝土龄期达设计70%，可进行钻孔作业。

4.1.3 钻孔：

钻孔施工时，为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ127mm，由高孔位向低孔位间隔进行，钢管弯曲量随施工长度而增加，尤其是长度超过30m后，弯曲会急剧增加，通常在1／600 ～1／250 范围内，一般施工精度取1／300。

为确保钻孔孔位准确，在钻孔前，对每个孔进行编号，要严格检查调整钻机主轴、钻杆、钢管方向一致，并使每跟钢管符合设计方向，钢管净间距一般不得小于L／300，L为钢管设计长度，以防串管，施工中钢管中心距一般取（2~2.5）D，D为钢管直径，本次选30cm；

钻孔的孔的平面位置和倾角由测量进行单孔单测确定，孔口管的外插角采用前后差距法设定，一般选值为1~1.5°。

成孔保护要根据围岩情况定，对于黄土地质，成孔后采用高压风清孔即可，对于一般围岩，成孔后可采用清水洗孔，对过于破碎围岩必须配置循环液，循环液应具有冷却钻头、保护孔壁和携带泥土等作，施工中采用1：1的水泥浆做为循环，

4.1.4 管棚材料

长管棚采用外径φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，管棚设计长度30米，钢管质量应符合国家现行标准＜地质钻探用管＞（YB235）的规定。

为提高导管的抗弯能力，围岩较为破碎时可在钢管内增设钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成，主筋直径为φ18mm，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋焊接，按1.5m间距设置。

4.1.5 管棚安装

钢管在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10～16mm注浆孔，孔间距150mm，呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段150cm，编号为双号的钢管不开孔。管头焊成圆锥形，便于入孔。

接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。

4.1.6管棚注浆

大管棚安设后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，注浆材料采用水泥浆液，水灰比为1：1，制浆时在水泥浆中掺入5%~~8%的水玻璃作为速凝，水玻璃浓度由35~42Be＇稀释成18~20Be＇，模数2.4，具体浆液配合比根据现场实验调整，注浆压力0.5～1.0Mpa，终压2.0Mpa。

注浆前，应根据洞口围岩情况喷射混凝土封闭开挖工作面，防止管棚注桨时发生漏浆。注浆前应对可能漏浆的部位及时处理，发生漏浆采取嵌缝、表面封堵、加浓浆液、降低压力、间歇注浆等方法处理，如遇过于破碎岩体，成孔难度大时，可采取单孔单灌，钻完即灌。

灌浆采用全孔一次灌浆法，为保证灌浆质量，防止浆液串孔现象发生，向较高的一端推进。低处孔灌浆时高处孔可用于排气、排水，当高处孔排出浓浆（接近或等于注入浆液的水灰比）后，可将低处孔堵塞，改从高处孔灌浆，依次类推，直至结束。灌浆因故中断时，应尽早恢复灌浆，如中断时间较长，则应重新钻开进行灌注。在规定压力下，注浆量小于0.1L/min,延续灌浆10分钟，即可结束。灌浆结束后，应采用干硬性水泥浆、木楔或胶泥将钻孔封填密实，孔口压平抹齐。

4.2 洞内中管棚及小导管

磨盘山隧道跨冲沟的3处浅埋段，以Ⅵb~Ⅵa围岩为主，洞身部分拱部140度范围内设置中管棚（热扎无缝钢管，外径φ89mm，壁厚5mm，钢管节长3～6m，每排长10米，纵向水平搭接不小于3米，环向间距30cm）；在黄土Ⅴb~Ⅴa段及局部偏压段，采用了小导管（热扎无缝钢管，外径φ42mm，壁厚4mm，钢管节长3m，纵向水平搭接不小于1.0米，环向间距30cm）进行超前支护。

洞内管棚的施作方式与洞口管棚钻孔、注浆方式基本相同，不再缀述，所不同就是洞口管棚一般管径、管长规格大，导向管布置在钢拱架外侧；洞内管棚一般管径、管长规格小，管棚施工前5米范围内，型钢拱架逐步加大，渐变抬高顶拱高程，至安装位时再收回设计断面，以保证管棚施工。通过在钢拱架的型钢中间穿孔，将钢管与拱架接触处满焊，形成组合受力，小导管与中管棚的施作方式相周，但遇黄土地质时小导管不须注浆，且外插角可适当放大，控制在3~5°，搭接长度不得小于管长的1/3。

五、结束语

磨盘山隧道洞口和洞内多处施工时，根据实际地形、地质构造，浅埋、偏压、破碎带的长度及厚度、含水等情况进行综合分析，采用超前大管棚、搭接管棚及小导管进行预支护，预先对围岩进行加固处理，提高围岩整体性，有效抑止已开挖后的围岩应力和围岩变形，提高了洞室结构稳定性，为后续循环的开挖等工序的施工安全提供了保证，达到预期支护效果。