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压浆钢管式管棚法在隧道塌方处理中的相对适应性研究

摘 要：目前管棚工法在我国隧道施工中已被广泛采用，尤其在隧道塌方处理中更是起到举足轻重的作用，并且随着我国经济的快速发展，高速铁路、地铁、城市地下空间等都有了很大的发展，管棚法将面临越来越多的工程应用。但由于各方对该工法定义不同、未系统阐明其适应性等原因，施工单位对管棚法仍局限于教条，凭经验办事，无法使其发挥应有的作用。本文以压浆钢管式管棚法为例，简单从其加固机理及作用效用分析其原理，并运用大量工程实例论证，从而大致确定其在隧道塌方处理中的相对适应性。为有志于系统研究管棚法相对适应性者搭梯铺路。
关键词：隧道；塌方；压浆钢管式管棚法；适应性

1.引言
塌方是在不良地质地段施工隧道时最常见的一种灾害性事故，当预防措施不理想，不可避免的发生后，使用合理的处理措施不但能降低延误工期、节省资金还可以防止塌方继续发展，减少工程质量隐患。近年来随着我国经济的飞速发展，管棚法施工已被广泛采用，使其预支护技术日趋成熟。但将其用于隧道塌方后的处理中仍局限于教条，无法从加固机理及作用效用上对其深刻认识，故有必要对管棚工法进一步研究，归纳其相对适应性原理，以便更好的指导现场，服务于施工。
2.管棚工法的应用及发展
2.1概念界定
管棚工法是一种在隧道开挖之前沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚和围岩构成棚架体系的新的超前支护辅助施工技术［1］。在《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）中要求管棚长度一般10～40m，钢管直径一般70～180mm，中心间距宜为管径2～3倍，管棚外插角一般0°～3°，如图1。

图1 隧道管棚超前支护示意图
目前工程中管棚法大致可分为四种方式：1、充填钢管式，2、压浆钢管式，3、喷射式，4、喷射钢管式。其中压浆钢管式管棚法在我们施工中较为常用。
2.2工程应用
管棚法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。自其诞生初便得到了大量的工程应用。不论是现在还是将来都将在地下施工中扮演越来越重要的角色。
2.2.1管棚法的历史发展
管棚法最早是作为隧道施工的一种辅助工法使用在不良地质地段。该技术首先诞生于20世纪70年代的比利时，当时在修建安特卫普（Antwerp）地铁站时受既有铁路车站影响，首次采用了管棚工法。随后在日本、美国和西欧等国被广泛采用。日本在八户市一段长180m的公路隧道中使用直径406.4mm，t=9.5m的长大口径管棚获得成功，我国铁道部第十六工程局在北京地铁西单车站施工中使用管棚法同样取得很好的效果，见图2。

图2 西单车站施工示意图
2.2.2管棚法的现状分析
目前管棚工法因其安全可靠，针对性强，已被广泛应用于各种地下工程。包括在建筑物密集，交通繁忙的城市中心处进行地铁的暗挖施工，其预支护技术日趋成熟，尤其随着近年来国内外专家学者对其进行了大量研究，均大大推进了管棚法各方面的迅速发展。目前在日本，管棚法已被公认为隧道施工中解决塌方冒顶的最合理、最有效的方法。
2.2.3管棚法的未来发展
随着我国高速铁路、城市地铁的快速发展，越江隧道、跨海隧道的修建以城市地下空间综合利用的飞速发展，管棚工法将会得到越来越广泛的工程应用
3.本研究的价值及内容
在我国管棚法飞速发展的现在，为更好的指导现场施工，本文对四大超前管棚施工法之一的压浆钢管式管棚法从其加固机理、作用效用两方面进行简单分析并使用大量工程实例论证，从而大致确定其在隧道塌方处理中的相对适应性。为有志于系统研究管棚法相对适应性者搭梯铺路。
4.管棚法的施工方法
根据成孔时钻杆是否跟进，管棚法可分为2种：管棚引孔顶入法和管棚跟管钻进法［2］。其具体施工工艺流程图如下

图3 管棚引孔顶入法

图4 管棚跟管钻进法
5.加固机理
发生塌方事故后的隧道岩体非常的破碎其力学性能与无粘结力的松散地层相似，此时的围岩压力主要表现为松动压力。其代表性理论主要有1.岩土自重理论；2.岩柱理论；3.普氏理论。
岩土自重理论适用于隧道埋深极浅，认为隧道洞顶土压力即为上部岩土自重。此时可以不考虑土壤内的抗剪摩擦作用，故计算出的压力较为保守，偏于安全。

Q=
式中Q-洞顶荷载（kn/m2）; -洞顶岩土比重（kn/m3）；H-隧道埋深（m）；q-地面荷载（kn/m2）
岩柱理论适用于浅埋隧道，当顶部土体松动下沉时，由于土体内的摩擦将带动两侧三棱体，由于埋深较浅无法形成自然平衡拱，塌陷将扩展至地表，形成冒顶。

Q=
普氏理论适用于埋深较深，能形成自然平衡拱的隧道，此时作用在洞顶的围岩压力仅为平衡拱内的岩体自重。

式中Q-洞顶荷载（kn/m2）; -洞顶岩土比重（kn/m3）；b1-自然平衡拱高度（m）；a1-自然平衡拱的跨度（m）；f-坚固系数（普氏认为f=0.1Rc,其中Rc为单轴抗压强度（Mpa））
6.作用效用
目前我们对管棚预支护的作用效用还不是很清楚，通常的认识是将其工作效用归纳为钢管本身、浆液本身和二者共同作用下的棚架原理
6.1钢管的作用
因钢管式先行设置的，在掘进时，钢管在格栅与掌子面后方的支撑支持下，形成梁式结构，起到防止围岩的松弛、崩塌的重要作用，有效的提高了掌子面和拱顶的稳定性。
采用锚固体理论，钢管的打入从连接原理、组合原理和整体加固原理三方面加强了岩体的结构力学参数，起到了提高围岩整体受力性能的改良作用
6.2浆液的作用
根据填充注浆理论、渗透性注浆理论、劈裂注浆理论和挤密注浆理论，在化学胶结作用、惰性填充作用和离子交换作用下，浆液可以改良岩土的现有的性质或从根本上改变岩土的物理化学性质，从而在被注范围内产生一种新的物质，形成刚度较大的加固圈。
6.3棚架的作用
管棚格栅和注浆加固后的围岩构成一个棚架支护体系，它起到了三方面作用：1、控制围岩变形；2、扩散围岩压力；3、适当减少围岩开挖释放应力
总之，钢管与注浆的共同作用在围岩中构成环绕洞顶的厚筒状加固圈，形成强大的预支护加固体系，从而通过提高岩体自身特性增强其稳定性，有效的抑制了围岩的松动垮塌。
7.工程实例
7.1海南省环岛高速公路青岭隧道
7.1.1工程概况
该高速公路设计为双线双车道，其中青岭隧道右洞长1140m，开挖高度9.8m，开挖宽度13m。
7.1.2塌方情况
里程YK304+038～065处爆破时发生塌方，塌方长度27m，隧道拱顶以上塌方高度大约40m，塌方量约15000m3。塌方地段埋深75m，岩石为弱风化的英安岩和少量的砂岩和泥岩，洞内地下水不发育，存在几条断层破碎带。
7.1.3塌方处理措施
塌方后，经研究采用超前小导管注浆加固拱部，然后逐步清渣，并采用喷锚网的支护手段。结果费时1个月，开挖掘进3m，出渣3500m3时，再次发生塌方，新的塌方渣体又掩埋作业地段，施工完全无法进行。
根据地震CT层析成像法测出的断层破碎带构造情况分析和计算，决定采用长30m，Ф127mm的管棚，一次跨过27m长的塌体。
1) 打设管棚前，在拱顶范围内共布置11个注浆孔，注单液水泥浆1199m3，最大注浆压力为5.0Mpa。
2) 注浆完成后第八天开始施工管棚。管棚布设在拱顶148°圆心角范围的外轮廓线以上35cm处，管棚中心间距为35cm，管内设钢筋笼并灌注M30水泥砂浆，共布设45根，总长1350m。
3) 由于塌体成细颗粒的土状，故管棚完成后采用半断面开挖自上而下进行，下半断面采用大型机械作业，安全快速。
4) 上部开挖后随即进行喷锚支护，使用格栅钢架，间距1.0m，并配以钢筋网。
5) 二次衬砌采用简易衬砌台车进行，每一循环长度4.0～6.0m
7.1.4塌方处理效果
由于采用跟管钻进技术安装的长大管棚，具有钢管顺直、管径大，可承受巨大的塌体压力，使整个处理过程在安全可靠的条件下有序进行，从开挖到支护及二次衬砌都没发生任何意外的安全质量事故。整个塌方处理耗时4个月（其中注浆20d，管棚施工38d，开挖、支护、衬砌63d）
7.2红岩隧道
7.2.1工程概况
红岩隧道为云寿公路改建工程泰顺至景宁间的双车道隧道，是该段改建公路的控制工程。
7.2.2塌方情况
当隧道开挖至K11+645遇到长达87m的大断层时，原施工单位采取下侧壁导坑掘进，导坑断面约5m*4m，采用加强喷砼和抬棚架强行通过的临时支护体系。但在随后的扩大断面施工中，施工至K11+666．6时，原来由抬棚支撑的岩体发生大坍方。后采取不连续的清碴办法，但每次清碴至工作面后，又发生塌方，恢复原状，并且岩碴由原先的粉末状变为间杂1m～3m的巨大岩石，坍空区已延至断层外基岩影响带，预计坍方高度在50m左右，长共计18m。断层带岩性由灰色砂砾岩、断层泥及断层角砾岩组成，岩石呈角砾状松散结构，岩体整体性差，局部有渗水，易失稳，开挖后坍方频发。
7.2.3塌方处理措施
根据坍方体的工程地质特点，确定了在拱部施作仰角1°～3°，Ф89mm（厚5mm）长26m的管棚，管棚间距30cm，共计52根。管棚结合超前预注浆技术在开挖轮廓线外形成约4m厚的加固圈，并在开挖时以小导管补强注浆加固。开挖采用上下台阶法，上台阶高度约4m，采取预留核心土环形开法，上下台阶间距长度5m，以人工开挖为主，对局部未坍方部位可采用松动爆破。在开挖后立即施作格栅拱架及锚网喷支护体系。
注浆分三序孔注入，注入顺序依次为C-S浆、水泥浆、水泥砂浆。注浆应在钻孔下管完成后立即进行，以便在钻相邻孔时可做为当前注浆孔的检查孔。所有管棚钢管均以3O号水泥砂浆充填，以加强钢管的刚度。
注浆参数如下：
双液浆：水泥浆W ：C=O．8：1～1．5：1，水玻璃浆35Be"，C：S=1：1～1：0．3，注浆终压2MPa，注浆速度30～60L／min，凝结时间3～5min，缓凝剂加入1%～3%,扩散半径1m。
单液水泥浆：W ：C=O．8：1～1．5：1，注浆终压2MPa，注浆速度30～60L／min，凝结时间lO～15h，速凝剂加入3%～6%。扩散半径在管棚注浆时为1m，而在工作面预注浆时为1.5m(工作面主要为坍方松散体)。
水泥砂浆：3O号水泥砂浆，充填钢管和充填较大的坍方空间
7.2.4塌方处理效果
1）.管棚施工完成后，仅用了不足2O天时间即完成了26m坍方段开挖施工，整个开挖过程安全顺利，最大变形量仅有43mm。这进一步验证了大管棚在长大坍方处理中的重要作用。
2）.根据开挖中揭示的情况，注浆固结体与管棚的共同棚架护拱作用是确保开挖顺利，防止坍方继续发展的重要因素，在管棚施工中必须重视注浆对地层的改良作用。
7.3苦竹岭隧道
7.3.1工程概况
苦竹岭隧道是湖北省横路线柏墩至田铺段改建工程中唯一一座公路山岭隧道，位于湖北省成宁市与崇阳县交界处，是通城县、崇阳县、通山县北上成宁与武汉的必经之地，是该项目的控制工程。隧道为双车道，全长585m。
7.3.2塌方情况
由于地质条件复杂和施工方法不当， 开挖至BK34+500时发生坍方，在已完成初期支护的BK34+540里程处封堵隧道。该段埋深97m，地表发生大面积沉降。
7.3.3塌方处理措施
原施工单位喷浆封堵坍体小导管超前注浆、轨排等方案强行清碴，清走多少，补充多少，一个多月未有一点进展，始终徘徊在里BK34+540处。预计坍方长16～18m，高大于60m，为了治理坍方，早日形成开挖能力，决定采用超前长管棚预注浆方案。
由于受洞内场地的限制，长管棚只能在坍方体上开孔，管棚设计长20m，管棚的间距40cm、钻孔仰角6°(包括线路坡度)采用Ф108(厚6mm)热扎无缝钢管。全都采用钢花管，成孔下管后，再插入3根Ф22螺纹钢，以增强管棚刚度，如图5。管棚的注浆为水泥水玻璃浆液，注浆参数为：C：W=1.2：l～1.5：l， C：s=l：0．5，水玻璃35Be，模数2．4，注浆终压1．0～1．5Mpa，可适量加入速凝剂3％～ 6％，扩散半径0．5m，注浆顺序按管棚施钻顺序进行。单孔注浆量采用公式：Q=
式中r：钢管半径；L：钢管长度；R：浆液扩散半径；g：地层孔隙率；a：浆液有效充填率；B：浆液损耗系数

图5 管棚布置图
7.3.4塌方处理效果
清方工作较为顺利，长管棚效果良好，达到了设计目的。再次证明了在隧道大坍方治理中，使用长管棚方案，其明显的优越性。
7.4天井关隧道
7.4.1工程概况
晋济高速公路天井关隧道全长2148 km，其中地质情况复杂，在进口K11+745～K11+980段处于浅埋偏压段，围岩十分恶劣，裂隙极度发育，地下水丰富，围岩为砂黏土夹碎石。设汁为V级围岩。
7.4.2塌方情况
隧道采用短台阶法施工，衬砌紧跟工作而，当进口上导开挖至K11+900后，退至下导开挖K11+870时，发生塌方，致使K11+900～K11+870段的全部上导初期支护被破坏，究其原因是，围岩裂隙极度发育，地下水流量大，在隧道拱顶是土夹碎石，在下导开挖中，由于围岩压力变大而导致塌方。
7.4.3塌方处理措施
根据现场塌方特点，决定采用管棚法施工方案。管棚采用Ф89厚5的无缝钢管，每节长5 m；其打设仰角1°～2°，钢管每25 cm按梅花形钻8 mm的小孔。每根Ф89的钢管间距为50 cm，其间每环为21～22根交错布量，每节与节之问的搭接不小于1．5 m，其布设形式，见图6。在钢管中压水泥-水玻璃浆(其水灰比为1：1)，水泥浆：水玻璃体积比为1：0．5；水玻璃模数为2．4-2．8，浓度为3O～45波美度。压浆结束后，用lO号水泥砂浆填充钢管形成钢管砼。

图6 管棚布置图
7.4.4塌方处理效果
拱部经双液注浆，边墙采用Ф42预注水泥浆，对围岩开挖初期支护后，隧道继续向前开挖，且在这段进行监控量测，得出拱顶没有明显下沉迹象；此段模筑砼后进行监控量测，也没有发现砼裂纹和明显的下降现象，验证了此法对处理偏压，地下水丰富的隧道塌方是可行的
7.5黑河水利枢纽工程隧洞
7.5.1工程概况
黑河水利枢纽工程是集灌溉、城市供水、防汛为一体的大型综合水利工程，总投资约20亿。溢洪洞位于大坝右岸，全长784 m，共分进口平直段、陡坡段、出口扩散段三部分组成。开挖断面为长*高=12 m *11 m的城门洞，拱高1．5 m。
7.5.2塌方情况
在溢洪洞陡坡段开挖施工中出现大面积的顶部塌方，塌方段岩石破碎，褶邹与断层交错，岩石多为云母片岩且地下水丰富。塌方渣体呈粉碎状，含大量岩粉。
7.5.3塌方处理措施
根据地质情况推断和钻孔探查，渣体与未塌落岩体之间存在较大塌穴，为了防止塌穴危及右岸山体，造成更大规模的塌方对松散体采用固结灌浆的方法进行充填、加固。固结灌浆的目的，是充填松散体的空隙，使松散渣体充分胶结，增加岩体的整体性，从而为隧洞开挖创造条件。塌落体经充填固结灌浆以后，提高了围岩自身稳定能力，开挖掌子面能保持直立，在管棚法施工过程中可以进行水平管棚钻孔，并保持孔壁光滑，使得棚管能顺利插入。
偏于安全起见管棚按简支梁计算。其跨度为一次循环开挖进尺加上钢拱架和开挖前工作面之间距离。进尺1．5 m，计算跨度为3 m。通过计算。采用Ф89 mm，壁厚5 mm的无缝钢管作为棚管，棚管间距41cm。管子安装完毕，将孔口管与岩壁之间的缝隙用速凝砂浆堵塞，将Ф15 mm的排气管插到孔底，采取纯压式灌浆，砂浆配合比为水：水泥：砂=0．5：1：1。为了增加围岩的自身稳定，充分发挥柔性支护的优势，顶拱布置了Ф25@1．5 m *1．5 m，L=4 m的径向锚杆。为了安装钢拱架时便于固定，并保持围岩不掉块，设置了Ф28mm，L=4 m间距50cm仰角25°的超前锚杆。对于两侧岩体已塌落部位，设置了2Ф28mm，L=9 m的锚杆束。对于两侧岩体未塌落部位，为了防止钢拱架失稳，在其底脚上每侧各设置了Ф25mm，L=4 m的4根锚筋，以将钢拱架固定在岩壁上。
7.5.4塌方处理效果
采用灌浆、顶部灌浆孔插入长锚杆、管棚、钢拱架和锚喷联合支护的措施，保护了塌方体处理的顺利进行。根据隧洞再开挖取样显示，灌浆固结后的岩体抗剪强度接近完好岩石，较好的固结灌浆效果结合管棚的护拱作用，是防止塌方继续发展、确保开挖顺利的重要因素
7.6内昆线侯家湾四号隧道
7.6.1工程概况
侯家湾四号隧道全长2228m，隧道纵坡19.5%，进口端位于R=500m的曲线上，这里气候恶劣，地质复杂，，溶槽溶沟发育，其中进口端长达183m为埋深20m左右的风化极严重的玄武岩破碎层，自稳能力极差，其余地段均为灰岩地质。
7.6.2塌方情况
在施工中考虑到围岩比较破碎，分上下两层台阶开挖，在按设计施做初期支护的情况下，DK346+282～DK346+299段17m拱部初期支护发生塌方，地表形成直径8m、深4m的塌穴，塌方量约3630m3。
7.6.3塌方处理措施
经现场研究后决定采用2步处理方法：1.对塌穴凹部壁施做挂网、喷锚支护，坍塌漏斗地表进行截水，必要时搭雨棚，防止地表水灌入塌体内。待洞内处理完后，采用土石夯填到高出原地面，用M5浆砌片石铺砌。2.对洞内塌体采用沿开挖面轮廓线外加设管棚和小导管注浆进行预加固，固结后再进行塌体段开挖的方法施工。其中管棚每段长6m，每段间用V形对焊。前段安装硬质钻头，采用直接撞击法将棚管撞击至设计位置。硼管前部注浆孔径10～16mm，注浆时采用1:1水泥浆液。外掺速凝剂，注浆开始时水灰比大，后逐渐变小，注浆压力逐渐升高，当达到设计终压时再注20min，注浆量大致与设计注入量相近。
7.6.4塌方处理效果
开挖情况显示，塌体玄武岩破碎体及土石松散体凝结成一个整体，相当于一个低标号混凝土整体。拱部也有自稳能力，在施做初期支护后经量测资料分析，塌体处于稳定状态，未发生变形和下沉，处理结果达到了预期的目的。
8.结论
在隧道施工中，一旦发生塌方，不但延误工期、大幅度提高工程费用，还会出现对人身的伤害；同时 处理不当，也会遗留工程后患，给维修养护工作造成极大困难。管棚超前支护法是近年发展起来的一种隧道掘进的新技术，但由于它施工快、安全性高、工期短等特点，在世界各国地下工程施工中均得到了广泛的应用。
1) 进一步验证了管棚法在隧道塌方处理中的重要作用，在隧道埋设较浅的地段，地面建筑物密集、交通繁忙的市中心等特殊地区是一种行之有效的手段。
2) 管棚法适用于地质较差、地下水活动较强等特殊困难地段，包括砂性土、砂砾、孤石、风化岩甚至于粘性土和软岩等软弱地层及涌水、涌砂层。
参考文献
[1]关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.
[2]《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）.北京：中国铁道出版社，2008

目 录
摘 要 1
1.引言 1
2.管棚工法的应用及发展 2
2.1概念界定 2
2.2工程应用 2
2.2.1管棚法的历史发展 3
2.2.2管棚法的现状分析 3
2.2.3管棚法的未来发展 4
3.本研究的价值及内容 4
4.管棚法的施工方法 4
5.加固机理 6
6.作用效用 9
6.1钢管的作用 9
6.2浆液的作用 10
6.3棚架的作用 10
7.工程实例 10
7.1海南省环岛高速公路青岭隧道 10
7.1.1工程概况 10
7.1.2塌方情况 11
7.1.3塌方处理措施 11
7.1.4塌方处理效果 11
7.2红岩隧道 12
7.2.1工程概况 12
7.2.2塌方情况 12
7.2.3塌方处理措施 12
7.2.4塌方处理效果 13
7.3苦竹岭隧道 13
7.3.1工程概况 13
7.3.2塌方情况 14
7.3.3塌方处理措施 14
7.3.4塌方处理效果 15
7.4天井关隧道 15
7.4.1工程概况 15
7.4.2塌方情况 15
7.4.3塌方处理措施 15
7.4.4塌方处理效果 16
7.5黑河水利枢纽工程隧洞 16
7.5.1工程概况 16
7.5.2塌方情况 17
7.5.3塌方处理措施 17
7.5.4塌方处理效果 18
7.6内昆线侯家湾四号隧道 18
7.6.1工程概况 18
7.6.2塌方情况 18
7.6.3塌方处理措施 18
7.6.4塌方处理效果 19
8.结论 19
参考文献 20