长大管棚超前支护穿越软流塑地层施工技术

2022-09-12

1 大管棚概述

大管棚超前支护技术, 是沿开挖轮廓周线钻设与隧道轴线平行的钻孔, 而后插入大直径 (一般为Φ108mm) 的钢管, 并向管内注浆固结管周边的围岩, 从而在预定范围内形成棚架的支护体系。先施作好超前管棚, 在管棚的超前支护下, 采用上半断面法掘进, 上部开挖后及时安设拱部钢拱架和锚、网、喷等初期支护, 钢架采用型钢拱架或格栅拱架, 待完全作好拱部支护后, 开挖下部, 下部左右两侧交错施工, 待一侧的钢架和初期支护施作完毕后, 再开挖另一侧。清水隧道出口段软—流塑地层采用大管棚法施工, 取得良好效果。根据大管棚施工实践, 对大管棚施工技术进行简要分析, 并总结部分经验, 希望有助于此项技术的进一步推广和应用。

2 工程及地质概况

2.1 工程概况

清水隧道位于新建洛阳至湛江铁路永州至岑溪段安平-糯垌区间, 进口里程D K 4 3 9+3 4 6, 出口里程D K 4 4 2+7 8 2, 全长3 4 3 6 m, 线路纵坡4.8‰、-4.8‰, 全隧位于直线段内, 是洛湛铁路永岑段的控制性工程之一。该隧道出口段D K 4 4 2+7 8 2~+5 1 0段围岩级别设计为Ⅴ级。

2.2 地质概况

清水隧道穿越低山缓坡地貌, 地表呈波状起伏, 山脊、丘陵多呈长条状、圆形等。沟槽多为缓坡谷, 下切较浅。地表覆土较厚, 未见基岩出露。自然横坡10°~30°, 山顶及山坡均为森林覆盖, 植被发育, 交通条件差。隧道上覆盖第四系全新统冲积 (Q4dl) 粉质粘土及卵石层;坡洪积 (Q4dl+el) 粉质粘土, 下伏奥陶系中统缩尾岭群 (O2sw) 砂岩。该隧道出口段通过一山脊连续的山嘴, 地形为单面斜坡, 最大埋深3 0 m, 具浅埋偏压特点。其中DK442+782~+510段土层压缩性高, 灵敏性高, 强度低, 容易产生收缩变形, 地下水主要为孔隙潜水, 赋存于软-流塑粉质粘土层, 水量较丰富, 受大气降水影响较大。

2.3 问题的提出

(1) 该隧道出口段DK442+782~+510段围岩级别设计为Ⅴ级, 但是该隧道在施工期间揭示DK442+782~+660段地质、水文条件较施工图有较大出入, 主要地质情况为:全风化带表现明显, 地质条件极差, 节理发育, 围岩破碎, 呈粉砂土状。全风化砂岩夹杂的全风化页岩呈软塑状~可塑状, 围岩整体稳定型差。孔隙、裂隙水发育, 砂层呈饱和水状。

(2) 围岩自稳能力差, 开挖后极易坍塌。

(3) 掌子面难以稳定, 掌子面前方沉降难以控制。

(4) 经补勘测定D K 4 4 2+6 6 0~+5 2 0段洞身位于砂、页岩及花岗岩全风化带内, 岩体呈粉砂土及粘土状, 地下水发育, 围岩稳定性极差, 极易发生坍塌变形。由于开挖隧道形成地下临空面和地下水的排泄通道, 引起围岩多次发生塌方, 诱发斜坡地表开裂变形, 导致隧道初期支护变形、局部地段衬砌产生水平裂纹。

3 确定大管棚方案

为确保安全, 顺利通过复杂地段, 设计采用大管棚进行超前预支护, 管棚支护具有刚度大、结构强度高, 所形成的承载拱承载能力强的优点, 其一次支护长度大, 可以减少超前支护的次数, 缩短施工时间。单循环设计管棚23根, 环向间距40cm, 沿拱顶150°范围布设单循环管棚长40m, 循环搭接2m。管棚钢管规格:Φ108mm热扎无缝钢管, 壁厚6mm;管壁加工梅花状透浆孔。注浆采用水泥—水玻璃双液浆, 有关注浆参数如表1所示。

4 大管棚施工

4.1 挖管棚工作室, 安装导向管

在管棚施工前, 隧道要扩挖至少60cm, 长10m, 作为管棚工作室。在掌子面开挖轮廓线上方架设一榀拱架, 用锚杆锁定, 将Φ127mm×2m的管棚导向钢管焊在拱架背部。然后挂网喷浆封闭掌子面, 只露出导向管端头。考虑到下一循环管棚工作室的开挖及钻具下垂等因素, 导向管要加大外插角3° (不包括线路纵坡) 安装。安装时用经纬仪测量定位。

4.2 钻孔

钻孔是管棚施工的关键工艺环节, 钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。根据地质条件及场地条件, 选用2台Y J 7 0电动钻机。钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺, 对于难成孔的地层则采用跟管法。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。用方木逐层搭建钻机平台。

4.3 安装钢管

由于该地层容易发生塌孔、缩径等现象, 因此成孔后要及时顶进钢管。为便于顶进, 第一根钢管前端加工成锥形。管棚钢管利用钻机动力头顶进, 钢管间为丝扣连接, 安装时用自由钳人工旋紧。为了增强管棚的整体结构性能, 相邻两孔钢管接头错开至少1m, 同一断面钢管接头数≤50%。

4.4 注浆

为了避免围岩内孔隙水通过钻孔流出而引起地面沉降, 必须及时注浆。采用G Z J D型双液注浆泵, 前进式注浆, 钻一孔注一孔。注浆工艺流程如图1所示。

注浆压力和注浆量是注浆施工中的两个重要技术参数, 二者至少有一个达到设计标准方可结束注浆。

5 长大管棚施工中遇到的主要问题及处理措施

软—流塑地层长大管棚施工遇到的主要问题是钻孔循环介质对地层的扰动。钻孔循环介质一般用风或水, 主要起排渣和冷却钻头的作用。不论用风还是用水, 都或多或少对围岩有一定扰动。本次施工在第一循环采用风作钻孔循环介质, 排渣效果较好, 但由于风压高, 使孔壁受到破坏顶管困难;同时掌子面及边墙出现大面积开裂。改用水作循环介质后, 上述矛盾得以解决, 但必须控制水压和水量, 水压和水量过大, 孔壁和周围地层会受到破坏。适量的水不仅可以排渣和冷却钻头, 还能使孔壁粘土形成泥浆, 起到护壁作用。