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摘要：介绍30m长大管棚超前支护的施工技术，并在隧道施工参数、钻孔机具选择、施工进度、质量控制四个方面作了具体介绍。
关键词：隧道 大管棚 超前支护 施工技术 质量控制
1 工程概况
国家高速公路网长春至深圳线青州至临沭段高速公路，穆陵关隧道位于山东省沂水县境内，为双线分离式隧道。隧道东线起讫里程为K75＋620～K76＋370，全长750米，西线起讫里程为K75＋615～K76＋390，全长775米，隧址位于构造剥蚀低山地貌区，地表植被较发育，齐长城穆陵关遗址位于山坡上，隧道洞身地形中部高，两出口地段地形低，地形起伏较大，局部呈陡崖状，隧道最大埋深约32m。
根据新奥法原理开展隧道施工，上、下行线临沭端洞口浅埋段最薄覆盖层分别是2.67m和4.05m，强风化、弱风化花岗岩主要分布于洞口35m范围以内，顶板是残坡积层，风化裂隙，发育具块状镶嵌结构，局部为散体结构，围岩容易坍塌，稳定较差。用长30m的大管棚作为洞口段的超前支护。沿隧道衬砌外缘一定距离纵向打入一排钢管，而且为了固结软弱围岩，还要向钢管内注浆来填充钢管与孔壁之间的空隙，从而提高钢管的强度。开挖后安装拱形钢架支撑，构成棚状支护结构。
2 施工工艺
2.1 长管棚设计参数
①管棚长度为30m；
②钢管规格：热轧无缝钢管Φ108mm，壁厚6mm，节长3m、6m；管臂四周钻2排Φ12mm压浆孔，梅花形。
③管距:钢管环向之间保持40cm的距离；钢花管心和二次衬砌设计外廓线之间保持31.6cm的距离；
④倾角：仰角1°(不包括路线纵坡)，方向：与路线中线平行；
⑤用长15cm的丝扣连接钢管接头。为使钢管接头错开，钢管的编号是奇数，则将第一节钢管的长度设置为3m，偶数编号的第一节钢管长6m，之后每节钢管的长度都为6m；
⑥套拱孔口管为Φ133mm无缝钢管，壁厚6mm，节长2m；
⑦管棚内安装Φ42×4mm钢管，外侧焊接φ20钢筋4根。
2.2 施工机具选择
机具选择如表1所示。
表1 机具选择表
■
2.3 施工工艺流程
■
管棚施工工艺流程图
2.4 操作流程
管棚施工工序主要是：喷锚防护明洞边坡和仰坡的开挖；施作套拱；制备钢花管，搭建钻孔平台，装设钻机；钻孔、清孔、验孔；装设管棚钢管；注浆。因为工序复杂，为避免操作失误，必须严格按照操作规范施工。
2.4.1 明洞边坡仰坡开挖支护
①结束洞顶截水沟施工后再开始明洞段的开挖。
②同时进行边坡防护和明洞开挖：明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。
2.4.2 施作套拱
①混凝土套拱是长管棚的导向墙，要在明洞外廓线外施作，套拱内埋设4榀I20b工字型钢拱架，在其中布设51个Ф133孔口管，孔口管通过Ф16钢筋固定在I20b工字上。
②孔口管作为管棚的导向管，要确保管棚的质量，必须准确安装孔口管。利用坐标法通过全站仪在工字钢架上确定其平面位置；采用水准尺与坡度板相互配合以确定孔口管的倾角；通过前后差距法来确定孔口管的外插角。利用φ16钢筋在Ⅰ20b工字钢上焊接孔口管，避免混凝土浇筑过程中发生位移，确保孔口管位置准备。
2.4.3 搭钻孔平台安装钻机
①钻机平台用开挖碎石碴整平然后垫枕木，采用2台型号为KQG165的钻机对称着从孔位较高的一端向孔位低的一端对钻孔，这样有利于确定钻机的方位，尽量节省搭建平台、移动钻机的时间。
②平台支撑必须着地，且要牢固连接，以免在钻进过程中钻机摆动、发生位移和不均匀下沉，破坏钻孔质量。
③钻机定位：钻机必须平行于已设好的孔口管的方向，钻机位置一定要准确无误。通过全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方式，对钻机钻杆的位置进行调整，保证孔口管轴线和钻机钻杆轴线相吻合。
2.4.4 钻孔
①采用直径为Φ125mm的钻头，以便顺利进行钢管的安装工作。
②优质岩石的钻孔可一次成孔；钻进过程中，若出现卡钻和坍孔事故，应该在二次注浆后再继续钻进施工。
③钻孔施工初期，钻机要低速低压的运行，成孔1.0m后再按照地质情况逐步提高钻速和风压。
④钻进时，一般都通过测斜仪测定钻机的位置，然后按照钻机钻进的具体情况对成孔质量做出判断，如存在偏孔现象，要及时采取纠偏措施。
⑤钻进时，合金钻头、扶正器和动力器必须按照同心圆运作。
⑥及时记录钻进过程，并描述和判断孔口岩屑的地质状况。记录的资料将成为洞身开挖的地质预测，对洞身开挖施工起到指导作用。
2.4.5 清孔验孔
①地质岩芯钻杆与钻头(Φ125mm)相配合来回扫孔，将浮渣清理干净，保证钻孔的直径和深度满足施工要求，以免堵孔。
②通过高压气清理孔底到孔口的钻渣。
③通过测斜仪、全站仪等仪器对外插角、倾角和孔深进行测定。
2.4.6 装设管棚钢管
①通过专用管床对钢花管丝扣进行加工，在棚管附近钻出Φ12、梅花型的出浆孔；另外，为顺利入孔，应将管头焊成圆锥形。
②结合大孔引导以及棚管机钻进的方法进行棚管顶进施工，首先钻出比棚管直径较大的引导孔(Φ125mm)，再通过钻机的推力及冲击力使钢管低速顶进。
③接长钢管要符合受力要求，同一横断面内的接头数不超过50%，前后错开安排相邻钢管的接头，且错位距离应在1m以上。
2.4.7 注浆
①完成有孔钢花管的安装后，在管棚注浆前插入钢筋笼，以增强管棚的刚度和强度，然后开始对孔内注浆。
②注浆参数：水泥浆水灰比1∶1。
③通过KBY50/70液压注浆机，在管棚钢管内注浆，初压和终压分别为0.5MPa～1.0MPa和2MPa，经过15min的持压后结束注浆。注浆量往往是钻孔圆柱体的1.5倍，如果注浆量大于规定的数值，无法满足压力要求，则重新设定浆液浓度后继续注浆，直到达到注浆要求，当浆液填满钻钢管附近的孔隙和钻孔附近的岩体时停止注浆。
④完成注浆后管内浆液要尽快清理掉，然后用型号为M30的水泥砂浆填充，以提高管棚的强度及其刚度。
2.5 劳动力组织
管棚施工的操作流程较为复杂，且工种较多，技术要求严格，操作人员必须独立操作，同时能及时解决管棚施工时的常见性问题。一般情况下，钻孔及注浆施工的质量决定管棚施工的质量。本次管棚施工采用了一台钻机三班作业的施工模式，安排了24名施工人员，其中包括8名注浆工和12名钻工，机长、技术工人、电焊工和电工各1人。
3 进度情况
3.1 本次管棚施工共用时20天，钻孔51个。
3.2 钻机就位、加固：钢管3.5h/t。
3.3 钻进：钢管11h/t。
3.4 扫孔、顶管：钢管12h/t。
3.5 注浆：钢管6h/t。
4 质量控制
4.1 开始钻孔时，首先对孔的平面位置、外插角、高程和倾角进行准确测定，然后逐孔编号。
4.2 根据钻孔深度及钻杆强度确定钻孔仰角。正常情况下的钻孔仰角为1°～15°，钻机的左右偏移量和最大下沉量一般是钢管长度的1%，本次钻孔施工中不应该超过20cm～30cm。
4.3 必须精确测定钻孔的平面位置，尽量避免管棚侵入隧道开挖线内，防止相邻钢管之间发生碰撞及立交。
4.4 实时检测孔的斜度，如存在误差要及时采取纠偏措施，如果到终孔还是超限，就必须封孔，原位重钻。
4.5 准确把握开钻和钻进的速度、压力，注意避免断杆问题的出现。
5 结语
5.1 实践表明，将长大管棚作为该隧道洞口的软弱破碎围岩地段及浅埋地段的支护，运用注浆加固地基，预先起到超前支护的作用，提高了施工的安全系数以及隧道的长期稳定性，取得的经济效益较为显著。
5.2 在管棚支护下开挖，有效避免了圍岩坍塌、地表下沉等事故。
5.3 可将管棚钻孔作为一种地质预探预报的途径，为进一步探明前方地质情况，及时变更施工方法提供了依据。
5.4 管棚施工工艺的引用，为浅埋、弱地质、大断面隧道开挖提供安全保证。
参考文献:
[1]长深高速青州至临沭段两阶段施工图纸.山东交通规划设计院设计.
[2]《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004).人民交通出版社.2004年7月9日.
[3]《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009).人民交通出版社.2009年8月25日.
[4]李德武.《隧道》.主编.中国铁道出版社.2004年4月.
[5]关宝树.《隧道工程施工》.主编.人民交通出版社.2007年4月.
关键词：隧道 大管棚 超前支护 施工技术 质量控制
1 工程概况
国家高速公路网长春至深圳线青州至临沭段高速公路，穆陵关隧道位于山东省沂水县境内，为双线分离式隧道。隧道东线起讫里程为K75＋620～K76＋370，全长750米，西线起讫里程为K75＋615～K76＋390，全长775米，隧址位于构造剥蚀低山地貌区，地表植被较发育，齐长城穆陵关遗址位于山坡上，隧道洞身地形中部高，两出口地段地形低，地形起伏较大，局部呈陡崖状，隧道最大埋深约32m。
根据新奥法原理开展隧道施工，上、下行线临沭端洞口浅埋段最薄覆盖层分别是2.67m和4.05m，强风化、弱风化花岗岩主要分布于洞口35m范围以内，顶板是残坡积层，风化裂隙，发育具块状镶嵌结构，局部为散体结构，围岩容易坍塌，稳定较差。用长30m的大管棚作为洞口段的超前支护。沿隧道衬砌外缘一定距离纵向打入一排钢管，而且为了固结软弱围岩，还要向钢管内注浆来填充钢管与孔壁之间的空隙，从而提高钢管的强度。开挖后安装拱形钢架支撑，构成棚状支护结构。
2 施工工艺
2.1 长管棚设计参数
①管棚长度为30m；
②钢管规格：热轧无缝钢管Φ108mm，壁厚6mm，节长3m、6m；管臂四周钻2排Φ12mm压浆孔，梅花形。
③管距:钢管环向之间保持40cm的距离；钢花管心和二次衬砌设计外廓线之间保持31.6cm的距离；
④倾角：仰角1°(不包括路线纵坡)，方向：与路线中线平行；
⑤用长15cm的丝扣连接钢管接头。为使钢管接头错开，钢管的编号是奇数，则将第一节钢管的长度设置为3m，偶数编号的第一节钢管长6m，之后每节钢管的长度都为6m；
⑥套拱孔口管为Φ133mm无缝钢管，壁厚6mm，节长2m；
⑦管棚内安装Φ42×4mm钢管，外侧焊接φ20钢筋4根。
2.2 施工机具选择
机具选择如表1所示。
表1 机具选择表
■
2.3 施工工艺流程
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管棚施工工艺流程图
2.4 操作流程
管棚施工工序主要是：喷锚防护明洞边坡和仰坡的开挖；施作套拱；制备钢花管，搭建钻孔平台，装设钻机；钻孔、清孔、验孔；装设管棚钢管；注浆。因为工序复杂，为避免操作失误，必须严格按照操作规范施工。
2.4.1 明洞边坡仰坡开挖支护
①结束洞顶截水沟施工后再开始明洞段的开挖。
②同时进行边坡防护和明洞开挖：明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。
2.4.2 施作套拱
①混凝土套拱是长管棚的导向墙，要在明洞外廓线外施作，套拱内埋设4榀I20b工字型钢拱架，在其中布设51个Ф133孔口管，孔口管通过Ф16钢筋固定在I20b工字上。
②孔口管作为管棚的导向管，要确保管棚的质量，必须准确安装孔口管。利用坐标法通过全站仪在工字钢架上确定其平面位置；采用水准尺与坡度板相互配合以确定孔口管的倾角；通过前后差距法来确定孔口管的外插角。利用φ16钢筋在Ⅰ20b工字钢上焊接孔口管，避免混凝土浇筑过程中发生位移，确保孔口管位置准备。
2.4.3 搭钻孔平台安装钻机
①钻机平台用开挖碎石碴整平然后垫枕木，采用2台型号为KQG165的钻机对称着从孔位较高的一端向孔位低的一端对钻孔，这样有利于确定钻机的方位，尽量节省搭建平台、移动钻机的时间。
②平台支撑必须着地，且要牢固连接，以免在钻进过程中钻机摆动、发生位移和不均匀下沉，破坏钻孔质量。
③钻机定位：钻机必须平行于已设好的孔口管的方向，钻机位置一定要准确无误。通过全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方式，对钻机钻杆的位置进行调整，保证孔口管轴线和钻机钻杆轴线相吻合。
2.4.4 钻孔
①采用直径为Φ125mm的钻头，以便顺利进行钢管的安装工作。
②优质岩石的钻孔可一次成孔；钻进过程中，若出现卡钻和坍孔事故，应该在二次注浆后再继续钻进施工。
③钻孔施工初期，钻机要低速低压的运行，成孔1.0m后再按照地质情况逐步提高钻速和风压。
④钻进时，一般都通过测斜仪测定钻机的位置，然后按照钻机钻进的具体情况对成孔质量做出判断，如存在偏孔现象，要及时采取纠偏措施。
⑤钻进时，合金钻头、扶正器和动力器必须按照同心圆运作。
⑥及时记录钻进过程，并描述和判断孔口岩屑的地质状况。记录的资料将成为洞身开挖的地质预测，对洞身开挖施工起到指导作用。
2.4.5 清孔验孔
①地质岩芯钻杆与钻头(Φ125mm)相配合来回扫孔，将浮渣清理干净，保证钻孔的直径和深度满足施工要求，以免堵孔。
②通过高压气清理孔底到孔口的钻渣。
③通过测斜仪、全站仪等仪器对外插角、倾角和孔深进行测定。
2.4.6 装设管棚钢管
①通过专用管床对钢花管丝扣进行加工，在棚管附近钻出Φ12、梅花型的出浆孔；另外，为顺利入孔，应将管头焊成圆锥形。
②结合大孔引导以及棚管机钻进的方法进行棚管顶进施工，首先钻出比棚管直径较大的引导孔(Φ125mm)，再通过钻机的推力及冲击力使钢管低速顶进。
③接长钢管要符合受力要求，同一横断面内的接头数不超过50%，前后错开安排相邻钢管的接头，且错位距离应在1m以上。
2.4.7 注浆
①完成有孔钢花管的安装后，在管棚注浆前插入钢筋笼，以增强管棚的刚度和强度，然后开始对孔内注浆。
②注浆参数：水泥浆水灰比1∶1。
③通过KBY50/70液压注浆机，在管棚钢管内注浆，初压和终压分别为0.5MPa～1.0MPa和2MPa，经过15min的持压后结束注浆。注浆量往往是钻孔圆柱体的1.5倍，如果注浆量大于规定的数值，无法满足压力要求，则重新设定浆液浓度后继续注浆，直到达到注浆要求，当浆液填满钻钢管附近的孔隙和钻孔附近的岩体时停止注浆。
④完成注浆后管内浆液要尽快清理掉，然后用型号为M30的水泥砂浆填充，以提高管棚的强度及其刚度。
2.5 劳动力组织
管棚施工的操作流程较为复杂，且工种较多，技术要求严格，操作人员必须独立操作，同时能及时解决管棚施工时的常见性问题。一般情况下，钻孔及注浆施工的质量决定管棚施工的质量。本次管棚施工采用了一台钻机三班作业的施工模式，安排了24名施工人员，其中包括8名注浆工和12名钻工，机长、技术工人、电焊工和电工各1人。
3 进度情况
3.1 本次管棚施工共用时20天，钻孔51个。
3.2 钻机就位、加固：钢管3.5h/t。
3.3 钻进：钢管11h/t。
3.4 扫孔、顶管：钢管12h/t。
3.5 注浆：钢管6h/t。
4 质量控制
4.1 开始钻孔时，首先对孔的平面位置、外插角、高程和倾角进行准确测定，然后逐孔编号。
4.2 根据钻孔深度及钻杆强度确定钻孔仰角。正常情况下的钻孔仰角为1°～15°，钻机的左右偏移量和最大下沉量一般是钢管长度的1%，本次钻孔施工中不应该超过20cm～30cm。
4.3 必须精确测定钻孔的平面位置，尽量避免管棚侵入隧道开挖线内，防止相邻钢管之间发生碰撞及立交。
4.4 实时检测孔的斜度，如存在误差要及时采取纠偏措施，如果到终孔还是超限，就必须封孔，原位重钻。
4.5 准确把握开钻和钻进的速度、压力，注意避免断杆问题的出现。
5 结语
5.1 实践表明，将长大管棚作为该隧道洞口的软弱破碎围岩地段及浅埋地段的支护，运用注浆加固地基，预先起到超前支护的作用，提高了施工的安全系数以及隧道的长期稳定性，取得的经济效益较为显著。
5.2 在管棚支护下开挖，有效避免了圍岩坍塌、地表下沉等事故。
5.3 可将管棚钻孔作为一种地质预探预报的途径，为进一步探明前方地质情况，及时变更施工方法提供了依据。
5.4 管棚施工工艺的引用，为浅埋、弱地质、大断面隧道开挖提供安全保证。
参考文献:
[1]长深高速青州至临沭段两阶段施工图纸.山东交通规划设计院设计.
[2]《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004).人民交通出版社.2004年7月9日.
[3]《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009).人民交通出版社.2009年8月25日.
[4]李德武.《隧道》.主编.中国铁道出版社.2004年4月.
[5]关宝树.《隧道工程施工》.主编.人民交通出版社.2007年4月.