管棚超前支护在堆积体偏压双连拱隧道施工中的应用.pdf

增刊2(总第176期)2005年11月山西交通科技SHANXI SCIENCE&TECHNOLOGY OF COMMUNICATIONSNov.桥隧工程收稿日期:2005208217;修回日期:2005210209作者简介:汤海岩(1975),男,山西大同人,副总工,主任,工程师,1998年毕业于西安公路交通大学。管棚超前支护在堆积体偏压双连拱隧道施工中的应用汤海岩(山西太长高速公路有限责任公司,山西 武乡 046300)摘要:太(原)长(治)高速公路范家岭3号双连拱公路隧道北口堆积体段应用超前大管棚进行支护,通过对监控、量测结果的分析,总结了大管棚支护技术在通过软弱围岩时的作用。关键词:管棚;超前支护;双连拱隧道;施工中图分类号:U455.49 文献标识码:A 文章编号:100623528(2005)S2200502031 工程概况范家岭3号隧道位于太岳山脉北端之构造剥蚀山区,海拔高程1 132.96 m1 309.15 m,相对高差176.19 m,地 貌 为 山 梁、陡 坎、冲 沟,隧 道 全 长245 m,隧道设计为双连拱四车道,隧道衬砌内轮廓净宽24.0 m,最大开挖断面积为216.2 m2,洞内纵坡为2.95%,隧道最大埋深66.5 m,地质构造和地层岩性复杂。隧道北口段洞口29 m范围,位于浅埋偏压地段,属 类围岩,为三叠系中统二马营组(T2e)坡积层与强风化基岩接触地带。该段岩体破碎松散,风化严重,自承能力与层间结合差,岩堆内部为较大的块石错乱叠置而成,夹有细颗粒的泥砂,碎屑物之间没有胶结,围岩稳定性极差。2 施工中的问题及施工方案选择对于本隧道北口段29 m浅埋偏压堆积地段,设计单位提供的设计方案为:右洞缩短10 m,进行明挖做支撑梁和棚洞施工的方法,采用直径42 mm小导管超前预支护。但考虑到:a)棚洞回填相比左洞较陡,山体造成的偏压较大,而偏压对双连拱隧道的整体结构较为不利;b)洞口明挖工程数量大,对山体扰动影响围岩的稳定,对左洞及边仰坡的安全无保障;c)该隧道合同要求工期仅为10个月,若洞口不能及早成洞将影响后续工程的实施,工期无法保证。因此,采用明挖及棚洞方式对通过堆积体存在诸多弊端。结合其他隧道施工经验,认为较为合适的施工方法是采用大管棚超前预注浆,先对洞口段堆积体进行固结处理再进行开挖,可以有效地保证洞口边坡安全和满足工期等各方面要求,采用大管棚支护还有以下优点:a)管棚内注浆,其支护刚度大、强度高,所形成的拱形结构承载能力强。b)一次支护长度大,可以减少超前支护的次数,缩短施工时间。c)管棚超前支护的方法,对松散岩体有固结作用,加强围岩,可以有效地预防洞口仰坡面失稳。d)洞口端堆积体方量较大,且存在偏压现象,大管棚注浆后加强围岩,可以控制堆积体岩体滑移,减小岩体偏压对隧道的影响,且减少挖方量。e)采用大管棚支护可根据实际情况,以超前小导管或超前锚杆支护相配合,施工灵活方便。3 大管棚施工设计3.1 大管棚设计大管棚采用直径108 mm(壁厚5 mm)的热轧无缝钢管,长度为22 m,钢管上钻注浆孔,孔径10 mm,孔间距50 cm,梅花形布置,尾部2 m范围内不钻孔作为止浆段。布置:在堆积体中,隧道拱顶180 范围内布置3环大管棚,见图1所示,环向间距30 cm,距开挖轮廓线30 cm,外插角3 5。3.2 注浆施工方法及参数根据堆积体结构松散、破碎的实际情况,施工中采用渗透注浆、压密注浆的方法。a)注浆材料及配合比:注浆浆液采用水泥 水玻璃双液浆,水泥采用32.5(R)普通盐水泥,水玻璃采用 型水玻璃,体积质量为1.25 g/cm3,水玻璃浓度为35 Beo,水泥浆液水灰比为0.7111,水泥与图1 大管棚布置示意图水玻璃浆体比为10.5。b)注浆压力:0.6 MPa1.2 MPa。c)浆液扩散半径:R=0.70.3=0.21 m,取0.3 m。d)单根钢管注浆量:Q=r2L+R2L a,式中:r 钢管半径,0.108/2=0.054 m;L 钢管长度,考虑与钻机连接,取24 m;R 为浆液扩散半径,取0.3 m;地层孔 隙 率,堆 积 体 经 测 试 为11%;a 浆液有效充填率,取0.9;浆液损耗系数,取1.15;单根钢管注浆量:Q=0.992 m3。4 大管棚施工4.1 坡面处理a)根据现场实际情况,以坡面能达到自稳,尽量不刷坡,避免影响山体稳定性为原则,进行刷坡。b)施钻前人工将坡面灌木、杂草、松散土、危石清除干净。c)根据设计,采用锚杆挂网喷射砼护坡形式。锚杆长度3.5 m,间距1.2 m1.2 m,梅花形布置;直径8 mm钢筋网满铺坡面,网格间距20 cm20 cm;喷混凝土厚度16 cm。4.2 大管棚施工大管棚施工工艺见图2所示。图2 管棚施工工艺流程4.2.1 孔位放样及钻孔施工4.2.1.1 孔位放样首先按开挖轮廓线测量放样,放大30 cm后,画出管棚位置轮廓线,按孔间距定出孔位,如其位置在软弱带时,可适当移动孔位,但范围不能超过30 cm。4.2.1.2 钻孔a)钻孔前先检修钻孔机具,确保其正常运转,并检查水压能否达到施工要求,钻孔时严格按放样位置开钻。b)开钻上挑角度控制在3 5 之间,并随时检查角度值和钻进方向,以避免因钻杆太长,钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象。c)钻孔速度应保持匀速,特别是钻头遇到夹砂土层、孤石时,控制钻进速度,避免发生夹钻现象或钻偏。d)钻孔过程中应根据实际情况采取各种措施确保成孔质量。4.2.2 安装管棚及钢筋笼a)钢管提前预制加工,合理分段,并运到施工现场。b)成孔后及时检查并安装管棚钢管,防止坍孔。钢管逐节顶入,采用丝扣连接。钢管安装困难时,可用卷扬机反压顶入的方式将钢管顶至设计位置,如图3所示。图3 管棚施工工艺流程c)钢管顶入后,将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实,并在外露端焊上法兰盘,严格检查焊接强度和密实度。4.3 管棚注浆4.3.1 工序及方法4.3.1.1 施工准备首先检查机械是否正常运转,管路是否通畅。确认正常后先做压浆试验,确定合理的注浆参数,以指导正式压浆。4.3.1.2 注浆水泥 水玻璃利用三通管同时注入。水泥浆拌制均匀,并按比例注入水玻璃浆液。注浆过程中要随时检查孔口、邻孔、其他坡面处有无串浆现象,如有串浆,立即停止注浆,采用棉絮及木楔、速凝水泥砂浆等进行封堵,也可采用间歇式152005年增刊2 汤海岩:管棚超前支护在堆积体偏压双连拱隧道施工中的应用注浆封堵串浆口,直至不再串浆后继续注浆。双液注水泥与水玻璃浆如压力突然升高,则关停水玻璃泵,进行单液注浆或注清水,待泵压正常时,再进行双液注浆;单液注水泥浆压力突然升高,可能发生堵管,应停机检查;水泥浆单液和水泥与水玻璃双液注浆量很大,如压力长时间不升高,则须调整浆液浓度及配合比,缩短凝胶时间,进行少量低压力注浆或间歇式注浆,使浆液在裂隙中有相对停留时间,以便凝结,但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间,避免注浆不饱满。注浆压力达到1.2 MPa,并持续稳定5 min以上,可停止注浆,并及时封堵注浆口。4.3.2 注浆效果检查利用铁锤敲击钢管,如响声清脆,则表明浆液未充满钢管,采取补注;如响声低哑,则浆液已填满钢管,认为合格。开挖后观察围岩,岩隙应被基本充填密实,认为效果较好。5 堆积体段洞身开挖中导洞及中隔墙完工后,该段洞身开挖采用正台阶法,以超前小导管结合大管棚,防护效果明显。超前小导管采用直径42 mm(壁厚3.5 mm)的无缝钢管,每根长3 m,均为花管,钻眼间隔18 cm,眼径为8 mm,梅花形布置;超前小导管间距为:纵向2.0 m,搭接长度1.0 m,环向0.3 m,钢管外插角约5。初期支护为 20工字钢架,间距75 cm,直径22 mm锚杆间距为1.0 m0.75 m,8钢筋网尺寸为20 cm20 cm,喷射C25混凝土厚度25 cm。该段从2002年5月18日开始施工,2002年6月15日开挖完毕,无塌方等任何安全、质量事故,开挖轮廓较好,施工顺利。6 监控量测为了保证施工质量,检查大管棚的实施效果,对该段隧道特别进行了监控量测:包括净空收敛量测、围岩压力监测、喷混凝土应力监测、钢架应力监测、锚杆受力监测、地表位移量测共6个项目。净空收敛变形量测的情况如下:堆积体段施工过程中,埋设了3条收敛基线,见表1及图4图6所示。量测情况:3条曲线初期收敛增长较缓,下台阶开挖时收敛变形急剧增长,然后趋于稳定,均满足设计要求。较好地说明了大管棚预注浆超前支护对该段围岩防护效果显著。表1 净空收敛监测变形分析编 号缓慢增长阶段速率急剧增长阶段速率基本稳定速率0.231.350.030.351.660.040.822.130.09图4 第一断面净空收敛曲线图5 第二断面净空收敛曲线图6 第三断面净空收敛曲线7 总结及体会一般情况下,根据不同的地质条件,在围岩不能获得稳定的情况下,开挖要采用分割断面或缩短一次开挖进尺。而在近几年的隧道施工中,由于采用了辅助施工方法,提高了围岩拱顶的稳定性,使得开挖断面较大,这样不但安全,而且缩短了施工周期。在太长高速公路范家岭3号隧道的施工中,成功应用了大管棚和超前小导管为穿越堆积段的超前支护,一方面通过注浆将松散的堆积体固结起来,利用大管棚和小导管支护围岩,这样注浆体与管棚和小导管形成一个拱形的支撑结构,有效地防护了拱顶围岩。另一方面使明挖成暗作,有利于山体稳定,减少了开挖工程量,取得了可观的经济效益。(英文摘要下转第68页)25 山西交通科技 2005年增刊2图3 主线、匝道与叉路连接部大样图图4 武乡服务区竖向设计图(服2)位于主线与F匝道圈内,之间由一箱通道连通。在主线与C匝道圈内除服1外还有依地形而建的关河水库旅游度假区的附属部分,包括仿窑洞式的度假区宾馆、停车区、篮球场、网球场、景观小品、观景台等相应设施,此处地势较高,拾级而上,整个互通各个匝道、服务区细部一览无余,登顶西望,宽阔秀丽的关河水库尽收眼底,东边武乡民居相望,此部分注重的是景观设计,突出登高望远的功能;主线与F匝道圈内除服2还包括旅游度假区的附属宾馆、餐厅、游泳池等相应设施,这些设施也是依地形而建,更多地注重服务功能,这两部分由一跨线行人天桥连通。在F匝道有一通道,将上述部分与关河水库管理局相连,这样乘客可以很方便地登高望远,观赏到关河水库秀美的湖光山色,更有机会步行浏览美景、湖边垂钓,参与度假区的各种活动项目。3 结束语武乡互通将互通与服务区结合设计在山西省来说尚属首例,该设计方案位置设置合理,能满足地方交通需要及地方经济发展需要;设计方案符合交通量、地形、地物及收费管理的特点,各项技术指标也符合规范要求。服务区与互通设计的结合,充分地利用当地的地形、旅游资源,在设计中注重了景观的融合,突出互通、服务区的实用服务功能,并从中折射出武乡互通所在地域的人文地理自然特色,也将互通范围内的服务设施功能最大限度地发挥出来。The Design of Wuxiang Interchange PlanWU Jiang,WANGYing(Shanxi Provincial Design Institute of Communications,Taiyuan,Shanxi030012,China)Abstract:The paper mainly introduced the design idea of Wuxiang interchange plan for reference.Key words:interchange;service area;plan;design(上接第52页)The Application of Pipe and Shed Advanced Support toDouble Multi2Arch Tunnel ConstructionTANG H ai2yan(Taichang Expressway Co.,Ltd,Wuxiang,Shanxi046300,China)Abstract:By analyzing monitoring and measurement results of advanced support for double multi2arch tun2nel,the paper discussed the action of pipe and shed support technology.Key words:pipe and shed;advanced support;double multi2arch tunnel;construction(上接第65页)The Study on the KeyTechnology of Double Multi2Arch TunnelPEI Xuan2hong(The 2nd Engineering Co.,Ltd of Shanxi Road&Bridge Group,Linfen,Shanxi041051,China)Abstract:Combined with the construction experience,the paper discussed the key technology of double mul2ti2arch tunnel construction for reference.Key words:double multi2arch;tunnel;key;technology86 山西交通科技 2005年增刊2