摘要：本文通过综合处理隧道现场施工的工程实例，在广东潮惠高速公路采用自进式管棚有效解决了软弱围岩塌方冒顶问题。自进式管棚集钻进、注浆、锚固功能一体化，克服了传统管棚在施工中遇到的卡钻、坍孔及安装管棚等制约因素，并从安全、经济、技术等指标上完善施工工艺，进而可借鉴指导相类似的隧道施工。
关键词：隧道；自进式管棚；坍塌；应用
一、工程概况
广东省潮州至惠州高速公路是《广东省高速公路网规划（2004~2030年）》规划的“九纵五横两环”中“四横”的重要组成部分。银山隧道作为关键线路之一，属中隧道，隧址区处于地质构造相对较弱的地带，多为Ⅴ级围岩，局部富水、破碎带，进、出口洞口段地形较陡，坡度10～45度，处于浅埋破碎围岩中，节理裂隙发育，岩体较破碎，稳定性差，开挖后围岩易坍塌，地下水主要为基岩裂隙水，含水量较大，受大气降水影响，因隧道开挖会改变天然地下水的径流及排泄等自然条件，容易产生局部渗水和涌水现象。隧道出口段右线K98+405--98+465段落正好位于山体垭口部位，在进行到该段施工时，掌子面K98+445发生了突泥、渗水、坍塌冒顶，塌陷范围以隧道中线位置起至左侧3米段，地表下陷基本成不规则圆形，横向宽度为13m，纵向长度为12.6m，平均深度5.0m，掌子面掉块以砂质黄土为主，掌子面自稳能力差，施工过程中曾发生拱架变形，造成换拱等影响。
二、塌方原因分析
（1）地质原因是造成本次塌方的主要原因，隧道处于全强风化花岗岩断层地质中，全风化花岗岩在拱顶以上，强风化花岗岩位于洞身范围，节理裂隙发育，两岩层交界面在拱顶较薄弱处，岩体破碎稳定性差，隧道顶地表沟谷发育，埋深23～35米，为浅埋段，该段围岩自稳能力差，如支护不及时则极易引起掉块，坍塌和冒顶。
（2）地表及地下水的渗入，对隧道施工影响较大。由于洞顶地表沟谷发育，隧道埋深较浅，围岩节理裂隙发育，全风化花岗岩遇水软化，易形成流沙。
（3）隧道未按双侧壁导坑法施工而变更采用了三台阶法施工，开挖断面过大，降低了拱顶的稳定性。
三、坍塌综合处置
3.1总体说明
银山隧道K98+465～K98+405段最大埋深23.6m，地表出现塌陷，洞内喷射混凝土开裂脱落，钢架变形出现裂缝，遇此情况，为确保安全施工及工程质量提出如下处理方案：
首先对掌子面K98+445塌腔空洞处抛挤洞渣石块，稳住围岩，并立即喷射C20砼，喷层厚度4cm，以稳定洞内掌子面。洞外地表处理，平整区域为纵向62m，横向32m，总面积为62*32＝1984平方米，塌陷孔洞用碎石土回填并夯实，回填高度高于原地表50cm，为防止地表水渗漏到隧洞，可采用C25喷射混凝土封面，并在四周做好截排水沟。
洞内加固处理：已进行初期支护的隧道冒顶后方，进行补强即在拱部至拱腰范围内采用Ф50超前小导管注浆支护加固（在原有超前钢花管外插角上方加密一层），L-4.5m，平均环向间距30cm，α-12°，每2.0米施工一环，注浆材料采用水泥单液浆，地下水较大时采用水泥-水玻璃浆，水灰比W/C=0.6~1.1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.5。对于局部钢架喷砼表面出现裂缝的，须进行加固，采取径向钢花管注浆，钢花管纵向间距1m、环向间距1m梅花形布置。目前尚未施工的中台阶和下台阶开挖支护严格按规范要求实施。分部开挖左右步距错开，确保初支及时成环，仰拱和填充砼紧跟浇筑，二次衬砌适时施作以确保结构安全。
坍体后方加固处理完毕，在确保安全的条件下，对掌子面塌方和软弱围岩（小里程掘进方向）采用自进式管棚超前支护措施。
自进式管棚使用于复杂破碎不成孔岩层的范围（隧道超前），相对于传统管棚法施工，自进式管棚集钻进、注浆、锚固功能一体化，具有施工安全、可靠、高效、简便的特点，克服了传统管棚在施工中遇到的卡钻和坍孔及安装管棚困难等问题。其棚加效应和锚固效应及注浆效应明显，有效地控制了隧道的应力释放，稳定隧道结构，防止隧道坍方，变形，保证工程质量，并且工序简单，快捷，加快了工程进度，降低了工程成本，下面作为专项施工工艺论述。
3.2自进式管棚施工工艺
3.2.1地勘资料分析
首先需进行隧道超前地质预报：一是地质雷达法进行超前地质预报，分析该区段隧道开挖轮廓线以内的围岩岩性主要为全强风化花岗岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎呈镶嵌碎裂状结构，稳定性较差，开挖后易发生掉块、坍塌、甚至大面积塌方等地质灾害；围岩地下水稍发育，主要受大气降水影响较大，局部或沿裂隙呈渗滴状出水。围岩级别判断为Ⅴ级，支护型式建议采用S-Ⅴa。
二是采用超前水平地质钻探，显示掌子面前方１４ｍ左右为黄泥沙层，呈流塑状态，覆盖拱顶左侧半断面；向后进入强风化岩层，节理裂隙发育，岩体较破碎，渗水较多，稳定性差。
3.2.2自进式管棚工作原理
管棚锚杆体左旋90角螺纹，根据岩层情况来可打孔深（25-30米），超前支护环向间距40cm，拱部120°扇型布置施工（用￠115钻头）；钻机施工可以行走30度陡坡，在施工时根据岩层控制角度，搭接不要在同一节点上，宜错开一米；用专用连接套连接杆体加长钻进到指定位置（杆体3m，4m）。成孔后（洗孔），堵孔口、灌浆完毕，封管口，施工完毕，以此工艺循环施工。
3.2.3施工方法及技术
（1）施工准备
1.施工技术资料及设计图纸、超前地质预报、S-Va型衬砌结构超前管棚支护设计图、技术交底和施工组织设计等。
2．材料储备
原材料：管棚材质、连接套件及注浆水泥等使用前送至试验室检验合格后，并经监理工程师确认。水泥：佛山海螺水泥有限公司的P.O42.5普通硅酸盐水泥；砂：安流砂场；水：地下井水。
3．机械设备、人员配置：施工人员、机械设备配备详细情况如表1和表2。
表1.劳动力配置计划
图1 自进式管棚支护设计图
根据超前地质预报（包括钻探）分析，管棚超前支护应选择在25m-30m范围。由于隧道地型复杂，围岩破碎节理裂隙发育，渗水自稳性差，为确保隧道成洞稳定，采用了T76（外径76mm，抗拉力1200KN，屈服力1000KN）自进式管棚超前支护、注浆固结。选择R51L型以上全长螺纹的迈腾自钻式锚杆体作为管棚杆体，纵向长度25m、角度15-20°、环向间距40cm，见图1所示。
T76自进式锚杆管棚采用履带式液压钻机MAI-120型工程钻机安装，定位准备牢固，可不设置导向墙及套拱。银山隧道掌子面K98+445已封闭，开挖轮廓线纵向径向均采用超前小导管注浆固结，扩孔困难且容易造成二次坍塌，所以只需沿初支面施作管棚（尾端约1m侵线部位后作换拱处理即可），把控好钻进角度，注浆设备注浆，用钻头、锚杆体、连接套、一次性进入土中构成棚架结构。工艺流程见下图2。
为确保管棚超前处理效果，自进式管棚之间采用超前单层注浆小导管与之配合，隧道衬砌采用V级浅埋偏压的S-Vp型衬砌，并采用双侧壁导坑工法施工。
图2 自进式管棚工艺流程
3.2.4自进式管棚施工过程控制
1．测量放出管棚位置，指挥钻机就位。
2．依据锚杆的中心线及高度角度，安装钻机。
3．安装锚杆及钻头，钻机定位，钻用钻头和锚杆连接好，连接好钻机上的电、水管。
4．锚杆钻进，确保锚杆的方向坡度和精度，在进行钻进前，要对锚杆位置放样，放样完成后，根据岩层调整好角度进行钻进。
5．锚杆体用连接套接长，搭接错开1米，不要在同一节点上，继续钻进到深度设计位置。
6．锚杆钻进到位后，下钻，移开钻机，继续钻进下根锚杆。
7．连接注浆设备，开始注浆，在锚杆尾部上注浆接头，连接注浆管路及注浆泵，配制浆液，开始注浆。
四、施工要点
1.锚杆超前支持须喷射5cm厚的混凝土封闭掌子面，保证注浆时浆液不向掌子面外流。
2.严格控制锚杆点位、仰角、钻深，保证间距、外插角、钻孔深度。
3.钻进中，随时观察掌子面情况，以防突然事件发生。
4.保证锚杆体连接牢固，不得有管节脱落现象。
5.工作平台搭设牢固，钻进过程中加大仰角测量频度，如超出范围及时纠正，保证施工精度。
6.控制注浆工艺，根据地层调整浆液配比，注浆压力可以达到（5.0—7.0Mp）范围。
五、质量保证措施
1．根据测量组提供的测量点进行钻机定位，定位时确保锚杆中心、高程准确，并经项目测量组检查核对。
2.确保钻机正常工作，保证锚杆按照设计的坡度和中线钻进。
3.保证注浆质量，严格要求配置水泥浆液。
4.强化施工技术管理、人员管理及措施，施工责任落实到人，防止人为因素造成质量问题。
六、处置效果
采用自进式管棚处置塌方段，有效的稳固了上层围岩，进而恢复了隧道的掘进施工，有效的控制了施工成本及工程进度。
参考文献
[1] 隧道施工标准图集
[2] 邱志雄 自进式管棚在高速公路隧道建设中的应用研究 华南理工大学学报
[3] 刘洪成 自进式管棚用于隧道塌方施工方法探讨 福建建材
论文作者:张金星
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/23
标签：隧道论文; 围岩论文; 超前论文; 注浆论文; 钻机论文; 锚杆论文; 裂隙论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;