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摘 要:本文介绍了隧道在进出口浅埋及偏压情况下,采用管棚及注浆的施工方法,有效地阻止了开挖时因软弱围岩的坍塌,为隧道的施工安全提供了保障,超前管棚支护是隧道施工中穿越覆盖层薄、软弱、破碎围岩的一种有效的加固施工方法,并结合实例 ,论证了该技术在施工中的应用价值。
关键词:隧道施工;超前管棚支护;施工工艺
Abstract: This paper introduces the tunnel in the import and export of shallow buried and bias conditions, the construction method of pipe shed and grouting, effectively preventing the excavation for weak surrounding rock collapse, has provided the safeguard for the tunnel construction safety, shed-pipe advanced support in tunnel construction is through the thin covering layer, soft, broken the surrounding rock of an effective reinforcement method, and combining with the example, proves the application value of this technology in the construction.
Key words: tunnel construction; shed-pipe advanced support; construction technology
中图分类号:TU74文献标识码: 文章编号
前 言:随着工程建设的飞速发展,隧道在工程中所占比例越来越大。而部分隧道洞口所处地段或地质情况差 ,如隧道偏压、浅埋 、围岩松散等,这都给施工带来了极大的难度和安全隐患。经过实践表明 ,超前管棚技术是克服上述情况的最为有效的辅助施工方法之一,目前在各隧道施工中广泛使用,取得了明显的施工效果,近年来提倡“零进洞、零开挖、零扰动”的环保安全模式,使得超前管棚成为目前施工行之有效的施工措施。
本文对洞口地段采用超前管棚支护注浆技术,对管棚的受力原理、计算模型、设计参数及施工工艺等方面进行了综合的探讨。
一、工程实例
施工概况;福建省龙浦高速公路白龙岩隧道,进口段上部为农田淤积土,出口段严重偏压。其中进口浅埋段处拱部设一环φ108mm管棚,导向管长2.0m,孔徑φ127mm,管棚长50m,环向间距0.5m,外插角2.5°。出口段严重偏压,拱部设一环φ108管棚进行超前预支护,导向管2.0m,管棚长30m,环向间距0.5m,外插角2.0°。
白龙岩隧道采用超前管棚支护注浆施工 ,顺利通过隧道进洞顶浅埋段及出口严重偏压地段。现场情况表明 ,超前管棚支护结合注浆技术很好地改善了松软破碎岩层的物理力学性质 ,水泥浆液在压力的作用下向四周扩散 ,充满了钢管周围地质的缝隙 ,起到了固结围岩的作用。管棚支护和后期施工的初期支护形成一个统一整体 ,纵横交错 ,共同受力 ,使整个开挖工作面处在管棚的“保护”之中。龙浦高速公路,总长13.45公里,隧道四座总长4.1公里,隧道比例占全线30.5%,四座隧道进出洞口地段均采用了管棚注浆施工进洞,达到了“零进洞、零开挖、 零扰动”的目的,且均顺利进洞,实际施工效果证明 ,采用管棚支护和预注浆加固技术对于偏压、浅埋隧道进出洞口段安全进洞开挖是安全、可靠的。
二、管棚受力原理、计算模型
1.受力原理
超前管棚支护是在拟开挖的隧道外轮廓周边上 ,间隔一定的间距,沿洞轴以一定的外插角钻孔 ,安装超前钢管形成加固环 ,然后进行注浆固结的一种预支护措施。其工作原理为 : ①通过管棚注浆 ,使拱顶预先形成加固的保护环,使得破碎的岩体固结成一个整体受力的结构形式。而加固环发挥“承载拱”的作用 ,承受拱上部的荷载和岩层重量 ,使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力 ,从而创造了安全的开挖条件。②当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布时 ,加固环的变形变小 ,传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小 ,同时通过环形固结层与管棚 ,将拱部围岩连接 ,形成整体支护 ,有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。
2.计算模型
管棚的支护原理;随着下部土体的开挖 ,管棚端部悬空。由于管棚钢管的绝大部分长度位于已预加固地层内 ,受到地层固定约束 ,使得悬空段相当于一段弹性支撑上的短悬臂梁 ,起到支撑洞口上部荷载 q1的作用 (见图 1),保证了下部施工安全。
三、管棚设计
1.管棚设计参数
(1)管棚棚管采用热轧无缝钢管,钢管导向端做成尖形 ,承压端焊上钢箍 ,管口预留止浆段 ,注浆孔沿孔壁呈梅花形布置,可根据实际地质情况控制注浆孔的间距,原则上越少越好,这样可以增加管棚的支护力度,但是要保证注浆的扩散半径满足要求,孔壁打孔钢管与不打孔钢管必须隔开布置。
(2)两根相邻管棚接缝应在垂直面上错开一定距离 ,全部管棚的接缝应交错布置。
(3)钢管直径选用大于φ108 mm,钢管中心间距为 40~50 cm。
(4)管棚长度一般为 15~50 m (不宜超过60m),当采用分段连接时采用 4~6 m ,钢管采用丝扣连接方式 ,丝扣长度不小于15cm。
(5)钢管沿隧道开挖轮廓线纵向近水平外插设置 ,外插角为 1°~5°。
(6)钢管施工径向误差不大于15 cm ,沿相邻钢管方向不大于5 cm。
2.管棚注浆及注意事项
(1)注浆多采用水灰比 1∶1 单液水泥浆或双液浆。
(2)注浆压力一般控制在0.2~2.0 MPa,且注浆后在浆液未凝固前,须进行二次注浆。
(3) 隧道浅埋地段及明洞仰坡、边坡较大地段,必须设置止浆墙,一般采用15 cm厚喷混凝土封闭,防止浆液流失。
四、施工准备、管棚施工流程
1.按照设计图纸 ,进一步调查地质情况 ,如遇地下水丰富地段必须先进行降水处理,使地下水降至洞口设计标高至少1.8m以下,以保证环形固结层的稳定形成从而保证安全开挖进洞。
2.施工前根据地质条件选择试验孔(一般选择两个,洞门正中心一个、左或右一个,如洞口复杂地段可设置三个,中心一个,左右各设置一个)进行现场试验,通过试验确定或调整注浆半径、注浆压力、二次注浆时间和单管注浆量。
3.管棚施工工艺流程:施工准备→测量定位→混凝土套拱施作→搭设平台→安装钻机→钻孔(加工管棚钢管)→管棚 插入及孔口处理→注浆→进洞开挖支护。
五、套拱施工
混凝土套拱施作;一般采用C30 混凝土套拱做为管棚施工导向墙,混凝土套拱一般厚1.0m、长2.0m,套拱内埋设I20b 工字钢拱架,施工导向孔 ,套管一般取比设计管棚孔径大10mm的无缝钢管。套管的方向决定钻孔方向 ,所以套管必须严格按照设计倾斜角度调整好,并牢固固定在钢拱架上,施工时发现松动须立即停止,保证施工的准确性,施工完后逐个检查,不符合设计标准的,必须进行调整才可继续下道工序施工。
六、钻孔
钻孔前根据现场实际情况,先喷混凝土封闭仰坡面 ,以防注浆漏浆 ,而后搭建施工平台,安装钻机,钻机平台搭设应由上而下,由中间至两边,根据孔位依次搭好,钻机平台要求搭建牢固,开孔时,要低速低压,以保证开孔质量及倾斜角度,等成孔数米后,再加速加压。钻进中随时用测斜仪量测钻孔方向 ,发现偏斜超过设计要求 ,及时纠正。成孔后 ,用吹管或掏勺将孔内砂石吹出 ,以免堵塞,成孔检查合格后 ,人工配合机械推送钢管入孔 ,管口用麻丝和锚固剂封堵。
七、管棚顶进及孔口处理
浅孔段采用人工推进,孔深阻力大時,采用机械推进人工配合,为防止塌孔并保证孔向正确,每钻一孔即顶进一根钢管,注一孔浆,钢管就位后加以固定,钢管与导向管间隙用棉纱堵塞,M10水泥砂浆封堵。
八、注浆施工
1.注浆准备:管棚安装完成后 ,旋上孔口阀 ,连接注浆管路。利用注浆泵先压水检查管路是否漏水 ,设备状态是否正常 ,再做压水试验 ,以冲洗岩石裂隙 ,扩大浆液通路 ,增加浆液充塞的密实性 ,正式注浆时应保证注浆的连续性,这样才能更好的保证上部固结层的受力均匀。
2.浆液配制:在注浆前应由试验确定浆液配比 、注浆压力、浆液初凝时间等注浆参数。浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径 ,现场通过试验孔确定。配制浆液时 ,要注意加料顺序和速度,先加水后加水泥及外加剂,按照现场施工进度配置,防止浆液结块。
3.注浆施工:清孔后 ,按由下至上,由中心至两侧的顺序施工 ,浆液先稀后浓、注浆量先大后小 ,如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。
4.标准:采用终压和注浆量双控制 。以单管设计注浆量为标准 ,当注浆压力达到设计终压 不小于20min ,进浆量仍达不到设计标准时 ,也可结束注浆 ,如进浆量大于试验或设计量的1.5倍时,应停止注浆,查看周围是否存在漏浆或地下河流,待处理完后再行注浆。
九、结束语
超前管棚支护是目前新奥法施工最为常见的辅助措施之一。实践证明 ,超前管棚支护结构有足够的可靠性能 ,对于各种困难隧道洞口地段有较好的适用性,经过实例证明超前管棚施工方案设计合理,为隧道安全施工创造了有利条件。并且施工不需要大型机具设备、工艺简单、操作方便 ,预加固效果明显,可增加施工安全度,经济和社会效益明显。
参考文献:
[1]福建省高速公路施工标准化指南。
[2]《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94。
[3]《公路隧道设计规范》JTG D70-2004。
关键词:隧道施工;超前管棚支护;施工工艺
Abstract: This paper introduces the tunnel in the import and export of shallow buried and bias conditions, the construction method of pipe shed and grouting, effectively preventing the excavation for weak surrounding rock collapse, has provided the safeguard for the tunnel construction safety, shed-pipe advanced support in tunnel construction is through the thin covering layer, soft, broken the surrounding rock of an effective reinforcement method, and combining with the example, proves the application value of this technology in the construction.
Key words: tunnel construction; shed-pipe advanced support; construction technology
中图分类号:TU74文献标识码: 文章编号
前 言:随着工程建设的飞速发展,隧道在工程中所占比例越来越大。而部分隧道洞口所处地段或地质情况差 ,如隧道偏压、浅埋 、围岩松散等,这都给施工带来了极大的难度和安全隐患。经过实践表明 ,超前管棚技术是克服上述情况的最为有效的辅助施工方法之一,目前在各隧道施工中广泛使用,取得了明显的施工效果,近年来提倡“零进洞、零开挖、零扰动”的环保安全模式,使得超前管棚成为目前施工行之有效的施工措施。
本文对洞口地段采用超前管棚支护注浆技术,对管棚的受力原理、计算模型、设计参数及施工工艺等方面进行了综合的探讨。
一、工程实例
施工概况;福建省龙浦高速公路白龙岩隧道,进口段上部为农田淤积土,出口段严重偏压。其中进口浅埋段处拱部设一环φ108mm管棚,导向管长2.0m,孔徑φ127mm,管棚长50m,环向间距0.5m,外插角2.5°。出口段严重偏压,拱部设一环φ108管棚进行超前预支护,导向管2.0m,管棚长30m,环向间距0.5m,外插角2.0°。
白龙岩隧道采用超前管棚支护注浆施工 ,顺利通过隧道进洞顶浅埋段及出口严重偏压地段。现场情况表明 ,超前管棚支护结合注浆技术很好地改善了松软破碎岩层的物理力学性质 ,水泥浆液在压力的作用下向四周扩散 ,充满了钢管周围地质的缝隙 ,起到了固结围岩的作用。管棚支护和后期施工的初期支护形成一个统一整体 ,纵横交错 ,共同受力 ,使整个开挖工作面处在管棚的“保护”之中。龙浦高速公路,总长13.45公里,隧道四座总长4.1公里,隧道比例占全线30.5%,四座隧道进出洞口地段均采用了管棚注浆施工进洞,达到了“零进洞、零开挖、 零扰动”的目的,且均顺利进洞,实际施工效果证明 ,采用管棚支护和预注浆加固技术对于偏压、浅埋隧道进出洞口段安全进洞开挖是安全、可靠的。
二、管棚受力原理、计算模型
1.受力原理
超前管棚支护是在拟开挖的隧道外轮廓周边上 ,间隔一定的间距,沿洞轴以一定的外插角钻孔 ,安装超前钢管形成加固环 ,然后进行注浆固结的一种预支护措施。其工作原理为 : ①通过管棚注浆 ,使拱顶预先形成加固的保护环,使得破碎的岩体固结成一个整体受力的结构形式。而加固环发挥“承载拱”的作用 ,承受拱上部的荷载和岩层重量 ,使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力 ,从而创造了安全的开挖条件。②当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布时 ,加固环的变形变小 ,传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小 ,同时通过环形固结层与管棚 ,将拱部围岩连接 ,形成整体支护 ,有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。
2.计算模型
管棚的支护原理;随着下部土体的开挖 ,管棚端部悬空。由于管棚钢管的绝大部分长度位于已预加固地层内 ,受到地层固定约束 ,使得悬空段相当于一段弹性支撑上的短悬臂梁 ,起到支撑洞口上部荷载 q1的作用 (见图 1),保证了下部施工安全。
三、管棚设计
1.管棚设计参数
(1)管棚棚管采用热轧无缝钢管,钢管导向端做成尖形 ,承压端焊上钢箍 ,管口预留止浆段 ,注浆孔沿孔壁呈梅花形布置,可根据实际地质情况控制注浆孔的间距,原则上越少越好,这样可以增加管棚的支护力度,但是要保证注浆的扩散半径满足要求,孔壁打孔钢管与不打孔钢管必须隔开布置。
(2)两根相邻管棚接缝应在垂直面上错开一定距离 ,全部管棚的接缝应交错布置。
(3)钢管直径选用大于φ108 mm,钢管中心间距为 40~50 cm。
(4)管棚长度一般为 15~50 m (不宜超过60m),当采用分段连接时采用 4~6 m ,钢管采用丝扣连接方式 ,丝扣长度不小于15cm。
(5)钢管沿隧道开挖轮廓线纵向近水平外插设置 ,外插角为 1°~5°。
(6)钢管施工径向误差不大于15 cm ,沿相邻钢管方向不大于5 cm。
2.管棚注浆及注意事项
(1)注浆多采用水灰比 1∶1 单液水泥浆或双液浆。
(2)注浆压力一般控制在0.2~2.0 MPa,且注浆后在浆液未凝固前,须进行二次注浆。
(3) 隧道浅埋地段及明洞仰坡、边坡较大地段,必须设置止浆墙,一般采用15 cm厚喷混凝土封闭,防止浆液流失。
四、施工准备、管棚施工流程
1.按照设计图纸 ,进一步调查地质情况 ,如遇地下水丰富地段必须先进行降水处理,使地下水降至洞口设计标高至少1.8m以下,以保证环形固结层的稳定形成从而保证安全开挖进洞。
2.施工前根据地质条件选择试验孔(一般选择两个,洞门正中心一个、左或右一个,如洞口复杂地段可设置三个,中心一个,左右各设置一个)进行现场试验,通过试验确定或调整注浆半径、注浆压力、二次注浆时间和单管注浆量。
3.管棚施工工艺流程:施工准备→测量定位→混凝土套拱施作→搭设平台→安装钻机→钻孔(加工管棚钢管)→管棚 插入及孔口处理→注浆→进洞开挖支护。
五、套拱施工
混凝土套拱施作;一般采用C30 混凝土套拱做为管棚施工导向墙,混凝土套拱一般厚1.0m、长2.0m,套拱内埋设I20b 工字钢拱架,施工导向孔 ,套管一般取比设计管棚孔径大10mm的无缝钢管。套管的方向决定钻孔方向 ,所以套管必须严格按照设计倾斜角度调整好,并牢固固定在钢拱架上,施工时发现松动须立即停止,保证施工的准确性,施工完后逐个检查,不符合设计标准的,必须进行调整才可继续下道工序施工。
六、钻孔
钻孔前根据现场实际情况,先喷混凝土封闭仰坡面 ,以防注浆漏浆 ,而后搭建施工平台,安装钻机,钻机平台搭设应由上而下,由中间至两边,根据孔位依次搭好,钻机平台要求搭建牢固,开孔时,要低速低压,以保证开孔质量及倾斜角度,等成孔数米后,再加速加压。钻进中随时用测斜仪量测钻孔方向 ,发现偏斜超过设计要求 ,及时纠正。成孔后 ,用吹管或掏勺将孔内砂石吹出 ,以免堵塞,成孔检查合格后 ,人工配合机械推送钢管入孔 ,管口用麻丝和锚固剂封堵。
七、管棚顶进及孔口处理
浅孔段采用人工推进,孔深阻力大時,采用机械推进人工配合,为防止塌孔并保证孔向正确,每钻一孔即顶进一根钢管,注一孔浆,钢管就位后加以固定,钢管与导向管间隙用棉纱堵塞,M10水泥砂浆封堵。
八、注浆施工
1.注浆准备:管棚安装完成后 ,旋上孔口阀 ,连接注浆管路。利用注浆泵先压水检查管路是否漏水 ,设备状态是否正常 ,再做压水试验 ,以冲洗岩石裂隙 ,扩大浆液通路 ,增加浆液充塞的密实性 ,正式注浆时应保证注浆的连续性,这样才能更好的保证上部固结层的受力均匀。
2.浆液配制:在注浆前应由试验确定浆液配比 、注浆压力、浆液初凝时间等注浆参数。浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径 ,现场通过试验孔确定。配制浆液时 ,要注意加料顺序和速度,先加水后加水泥及外加剂,按照现场施工进度配置,防止浆液结块。
3.注浆施工:清孔后 ,按由下至上,由中心至两侧的顺序施工 ,浆液先稀后浓、注浆量先大后小 ,如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。
4.标准:采用终压和注浆量双控制 。以单管设计注浆量为标准 ,当注浆压力达到设计终压 不小于20min ,进浆量仍达不到设计标准时 ,也可结束注浆 ,如进浆量大于试验或设计量的1.5倍时,应停止注浆,查看周围是否存在漏浆或地下河流,待处理完后再行注浆。
九、结束语
超前管棚支护是目前新奥法施工最为常见的辅助措施之一。实践证明 ,超前管棚支护结构有足够的可靠性能 ,对于各种困难隧道洞口地段有较好的适用性,经过实例证明超前管棚施工方案设计合理,为隧道安全施工创造了有利条件。并且施工不需要大型机具设备、工艺简单、操作方便 ,预加固效果明显,可增加施工安全度,经济和社会效益明显。
参考文献:
[1]福建省高速公路施工标准化指南。
[2]《公路隧道施工技术规范》JTJ042-94。
[3]《公路隧道设计规范》JTG D70-2004。