湿陷性黄土隧道大管棚施工

湿陷性黄土隧道大管棚施工

郑西客运专线阌乡隧道为湿陷性黄土隧道，一次穿越连霍高速公路，穿越长度和难度目前在国内同类工程中尚属首例。

阌乡隧道在DK298+784～DK299+040穿越连霍高速公路，穿越长度256m，高速公路为挖方路堑，与公路交角仅16。，公路宽度24.5m，埋深22m，洞顶覆盖层厚度仅有11m。

根据本隧道的具体情况，决定选用孔口设密封装置，“一次性导向跟管钻进法”施作管棚，大管棚超前支护是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道拱顶区域钻设水平孔，埋设超前支护钢管，并进行注浆固结土层，使隧道拱顶预先形成一伞状保护环的大管棚。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷载，适时提供隧道开挖后，而支护尚未施作或发挥作用前这一空档所需的支撑力，使隧道开挖面得以稳定安全并同之后的支护和结构等形成一系统，达到三度空间支撑功此结构可减少隧道开挖引起的地面沉降。

一、工程概况

阌乡隧道起讫里程DK298+440～DK299+210，隧道全长770m。隧道主要穿越黄土及松软土，结构松散，空隙比大，具有高压缩性，遇水易崩解或湿陷，属于中等～很严重自重湿陷性黄土场地。

隧道在DK298+784～DK299+040穿越连霍高速公路，穿越长度256m，高速公路为挖方路堑，与公路交角仅16。，公路宽度24.5m，轨面埋深22m。

二、设计参数及工程措施：

1、初期支护

设计图为全环工25a型钢钢架，纵向间距0.5m；Φ42mm锁脚锚管拱脚及墙脚每处2根；环向系统支护采用Φ42mm注浆锚管；方案中采用全环工25a型钢钢架，纵向间距0.5m，锁脚锚管每处增加至4根，注浆锚管保持原设计。

2、超前支护

超前支护原设计为Φ159大管棚，长度50m+30m*6, 环向间距0.4m，搭接5m；调整为80m+70m*3大管棚，环向间距0.4m，纵向搭接10m。

3、调整施工步序，严格执行双侧壁导坑法施工。

进入穿越高速公路段前将CRD法转换为双侧壁导坑法，各洞室施工顺序调整为先开挖上部各洞室，即先开挖1、3号洞室， 2、4、5、6、7号洞室开挖紧跟。

4、加强临时支护。

原设计临时横撑及竖撑为工18钢架。调整为工25a钢架，6号与7号洞室之间加设工25a横撑，同时临时横撑和竖撑均采用喷砼25cm进行封闭，

横撑与竖撑及初期支护连接处上下加设局部牛腿斜撑，并保证喷砼圆顺连接。见“双侧壁导坑法施工横断面”图。

5、该段施工预留变形量按20cm预留，但实际施工中的沉降量要求严格控制在3cm以内。

6、每部开挖后均采用喷砼封闭掌子面，喷砼厚度8cm。对上部两洞室掌子面采用5m长纤维锚杆加固，纤维锚杆随开挖切除。

7、该段施工前应安排专人对地表进行布网监测，加强洞内和地表监测人员的联系，严防沉降过大。通过施工中严格控制初期支护的收敛变形量，来控制地表下沉。

三、大管棚施工的特点

大管棚工法就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道拱顶区域钻设水平孔，埋设超前支护钢管，并进行注浆固结土层，使隧道拱顶预先形成一伞状保护环的大管棚。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷载，适时提供隧道开挖后，而支护尚未施作或发挥作用前这一空档所需的支撑力，使隧道开挖面得以稳定安全并同之后的支护和结构等形成一系统，达到三度空间支撑功此结构可减少隧道开挖引起的地面沉降。

1、施作超长管棚的优点

从技术上讲，目前国内采用超长管棚定向技术，已经能够施作一次性打设超过100米的管棚。在超长大管棚施工方面，目前我国最大的大管棚施工记录，是北京地铁五号线蒲黄榆车站的长达146.6m的超长大管棚，该工程采用非开挖技术进行施工，取得了良好的施工效果。

黄土隧道施工超长管棚的有利条件：土体均匀，容易定向。

目前采用非开挖技术施工超长管棚主要有以下3种方法。

（1）水平导向钻进 采用水平导向钻进技术进行导向孔钻进，导向孔成孔后进行回扩孔及回拖钢管施工，最后进行注浆，注浆一般采用回拖法注浆，或从一端往另一端一次性压浆。

(2)夯管锤铺管夯管锤铺管是利用气动冲击器直接将需铺设的钢管夯入地层，排净管中的土芯即实现铺管。

特 点：对地层适应性强，可在卵砾石层、回填层、流砂层中顺利夯入管道。铺管速度快，最快可达25m/h。铺管直径范围宽，直径200-1500m均可。

设备体积小，洞内容易施工。

（3）导向跟管钻进采用水平导向钻机，利用钢管本身刚度从一端往另一端边钻孔边跟管。目前郑西线大断面黄土隧道大多采用”导向风动跟管钻进法”施工。

对上述3种施工方案分析，其中水平导向钻进技术导向钻孔过程中可进行导向控制，能保证钻进轨迹的准确性，该方法适用于两端有操作空间，对管棚长度、孔径和轨迹变化适应性强。夯管法钻进过程中偏差控制难度大，随着施工长度的增加，顶进轨迹偏向控制难度逐步加大，一般实用于长度较短的管棚施工。跟管钻进也是采用水平导向钻机钻进，但该方法导向控制难度也大，钻进过程中偏差调整困难，导向控制仅能在钢管顶端内置发射棒，但探棒发射信号受钢管影响大，导向进度难保证。

2、阌乡隧道下穿连霍高速采用的管棚

由于阌乡隧道下穿路段长，若采用普通的大管棚施工，则公路下大管棚势必要设管棚工作室，增大隧道断面开挖量，围岩扰动较大，也不太安全，对控制地表沉降不利。

因此阌乡隧道施作超长管棚对超前支护的参数进行调整，超前支护设计为Φ159大管棚， 80m+70m*3大管棚，环向间距0.4m，搭接10m，每环38根。隧道与高速公路的位置关系见下图：

四、管棚施工

根据本隧道的具体情况，决定选用孔口设密封装置，“一次性导向跟管钻进法”，即成孔和打设支护管一次完成。一次性导向跟管钻进法主要程序如下：

A、预埋ｄ172 mm的孔口管，安装密封装置，封闭掌子面，并用纤维锚杆进行加固。

B、用ｄ159mm×6 mm管做钻具，前端装有导向探头（含回取装置）、固定单向阀的导向专用钻头，采用泥浆护壁，利用有线导向仪监控（方位、角度发生变化时，随时进行修正），随钻进，随调整，将支护管依次打入，同时将支护管接口焊接严密，直至达到设计长度。

C、管棚施工参数

管棚材料：φ159mm ，厚度δ＝8mm热轧无缝钢管。

环向间距：400mm。

管棚长度：分三次完成第一次80m，第二、三、四次各70m，纵向搭接长度10m。

管棚数量：38根。

管棚连接：钢管采用丝扣连接，每段长度6m。

施工方法：导向跟管钻进法一次打设。

施工精度：100m±35cm（100m长度上下左右偏差不超过35cm）。

D、管棚制作：管棚采用φ159mm热轧无缝钢管分节制成，丝扣联接。钢管周身梅花型钻出浆孔，前端做成锥体以便安装。管长按设计要求制作，管尾焊接法兰盘与注浆管尾端联接。

E、钻孔：钻孔选用比管棚直径大20～30mm合金钻头，在钢管一端管口焊接。钻机采用管棚钻机，隔孔施钻。开孔时，低速低压，待成孔1.0m后，适当加压，在土质层中钻孔采用低压钻进。钻进采用一次成孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，钢管前端安装有线导向仪，钢管随进度连续接长，直到设计位置。

F、管棚注浆施工工艺框图

管棚注浆施工工艺框图

⑴注浆材料：注浆材料根据设计要求采用1:1水泥浆，水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥。

⑵注浆采用后退式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备有出气管与进浆管，由阀门来控制开关。然后安装20mm塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆。

⑶关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆压力。

⑷注浆时，采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升至注浆终压时，继续压注10min，结束注浆。

⑸注浆结束标准及效果检查

a、注浆管预埋后，应做好记录，画出草图并编号。

b、注浆过程中，逐管填写注浆记录，表明注浆压力、注浆量、注浆时间、异常情况及处理过程。

c、每3m注浆总量不应小于设计注浆量的80％，单孔注浆量不能小于设计注浆量的60％。超过偏差时应补管注浆。

1．导向跟管钻进的特点

导向跟管钻进是由水平定向钻进发展而来的。水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头（一般软土层中用楔型钻头）改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成各种管线的铺设。

2.注浆

管棚适用于特殊固难地段，如极破碎岩体、塌方体、岩堆、黄土等地段。灌浆使得管棚与周围土体形成整体共同受力，并有固结松散破碎土体的作用，管棚与围岩预注浆相结合，是发挥管棚超前支护作用的有效手段，也是施工中的控制重点。

五、结术语

湿陷性黄土隧道，φ159mm超前管棚对对黄土的固结稳定起到了很好的作用，保证开挖过程中掌子面土体的稳定，保证了下部施工人员的安全。从经济效

果来看管棚的施工虽然周期长，但节省了施作超前小导管的时间和可能的塌方处理时间，总体来讲是可行和合算的。而随着技术的进步，施工机械现代化程度的提高，施作管棚的时间将会越来越短，经济效果也会越来越好。因此，对长大管棚施工进行立项研究非常必要和迫切！