大管棚在穿越湿陷性黄土隧道塌方段的研究和应用

来源:用户上传      作者: 崔伟

　　随着我国基础设施建设步伐的快速发展，隧道的施工方案及相关支护技术得到了更为广泛的发展和应用。由于在施工的过程中地质复杂多变，因此在修建的公路、铁路隧道过程中，不可避免的会发生隧道塌方的现象。特别是关于穿越湿陷性黄土隧道塌方段的研究和应用，已经越来越引起人们的重视。目前在国内，对于大管棚的施工技术在穿越隧道塌方段已经得到了广泛的发展和应用，但是就其设计、施工的合理性等方面还存在着诸多的不确定因素，本文将以老龙山隧道坍塌段的大管棚支护方案为例，对此问题进行更为深入的研究和探讨，以期在以后类似情况下能起到借鉴和启示作用。
　　
　　1　大管棚技术概述
　　
　　在黄土隧道塌方段，可以应用大管棚技术来进行施工，解决隧道的穿越问题。大管棚技术就是沿开挖轮廓周线进行钻设与隧道轴线平行的钻孔，随后插入大直径(一般为中108mm)的钢管材料，同时还要向管内注浆固结管周边的围岩。其施工的目的就是在预定范围内形成棚架的支护体系。
　　施工顺序通常是先施作好超前管棚，然后借助管棚的超前支护，以上半断面法的施工技术进行掘进。当上部开挖后，要进行拱部钢拱架和锚、网、喷等初期支护的安设。钢架的贺设方法有两种，一种是采用型钢拱架或格栅拱架，待完全作好拱部支护后，再开始开挖下部。在进行下部左右两侧的交错施工过程中，需要等一侧的钢架和初期支护施作结束之后，才具备开挖另一侧的条件。老龙山隧道坍塌段采用大管棚法施工，取得了良好效果。根据大管棚施工实践的活动，对大管棚施工技术进行简要分析，并将部分经验进行了归纳性的总结，希望有助于此项技术的进一步推广和应用。
　　
　　2　老龙山隧道坍塌段施工工程及地质概况
　　
　　2.1老龙山隧道坍塌段工程概况
　　2009年7月5日中午，老龙山隧道进口左线ZK54+070～ZK54+102段出现隧道坍塌的状况。坍塌段初期支护已经全部被压垮，隧道顶部相应的地表位置出现一个直径为25米左右深度约10米的沉陷状大坑。
　　
　　2.2地质概况
　　老龙山隧道坍塌段围岩V级围岩，岩性为黄土(粉土)、卵石、强风化灰岩、岩体极其破碎，围岩无自稳能力，易坍塌，黄土具有湿陷性。雨季或强降雨时洞内地下水出水状态为淋雨或涌流状出水。
　　
　　2.3坍塌的原因分析
　　据观察发现，老龙山隧道围岩自稳能力差，开挖后情况不太理想，极易发生坍塌的现象另外，其掌子面难以稳定，掌子面前方沉降更是难以进行控制。同时由于经补勘测定老龙山隧道进口左线ZK54+070～ZK54+102段洞围岩为黄土，具有湿陷性，围岩无自稳能力，隧道一经开挖扰动后极易发生坍塌。
　　
　　3　确定大管棚方案
　　为确保隧道的安全，迅速恢复施工生产，快速安全的通过坍塌隧道，设计采用大管棚进行支护。先设置工作室，再施作导向墙，工作室里程D2K197+993～D2K198+000，长7.0m，开挖轮廓尺寸比标准断面加大70，采用格栅钢架喷钢纤维支护，导向墙为环形模注混凝土，厚70，长2.0m，作为管棚施工时固定钻机，控制钻孔方向和角度，注意减小钻孔误差；防止钻孔偏斜和作注浆的止浆墙。其中导向管的安装保证30的外插角，防止管棚进入到开挖范围以内。然后采用钻孔施工，之后安放钢管，先用高压风进行清孔，再把事先加工好的钢花管以焊接连接逐根顶入孔内，接头处加套管补强，从而达到保证管棚顺直的目的。相邻两根管棚接头位置错开距离不小于1.2m，而且每个断面上接头数量不大于总量的50％。
　　最后，再进行压注水泥净浆，水灰比0.5～0.6，压力1～2MPa。施工时按照从下到上的顺序对称进行，注意监控室内地坪及地表的高程变化。出于安全的角度来考虑，分2～3次进行调压注浆，先低压后高压。
　　
　　3.1具体的大管棚施工方案
　　在老龙山隧道坍塌段先要进行临时性的洞外洞穴处理。首先在洞顶陷坑周围开挖截水沟的形式，将洞顶塌方洞穴进行临时性的防水处理。另外，还要在塌坍洞穴口采用彩条布或防水板进行覆盖且加以牢固固定，防止地表水和雨水下渗到洞穴中，进而导致隧道土体失稳，再次发生坍塌。
　　在确保稳住塌方体的蔓延为首要条件之后，其次采用灰土分层进行地表陷穴回填，并分层夯实，在施工过程中要对地表、隧道洞内坍塌体及受坍体影响范围内的初期支护加强监控量测，以便做到分析反馈可以及时进行施工的指导工作。
　　具体施工步骤可分为以下几点：
　　(1)采用坡度为1：1.5的沙袋码砌对塌方体表面进行反压回填，然后采用喷砼对表面进行封闭稳固，此举措可防止塌方继续扩大。
　　(2)对ZK54+050～ZK54+070稳定段加强支护，材料选用120b工字钢拱架进行临时护拱支护，阻止洞内塌方继续蔓延。在进行开挖塌方体施工前，在拱部120度左右采用φ76长8米环向间距为35cm的大导管进行支护，同时采用φ42长4.5米间距为40cm的小导管对于边墙进行支护，大导管搭接长度不能小于3米，小导管搭按长度不小于1.2米。采用水泥净浆液作为注浆材料，水泥浆水灰比可控制在1：1，大导管注浆压力要保持在2.5MPa，稳压时间10min；注浆前应进行现场试验，便于注浆参数进行提前确定；要求超前大导管注浆浆液扩散半径不小于60cm，小导管注浆浆液扩散半径不小于42cm。
　　(3)塌方段采用CRD工法、局部辅助施工措施可采用小导管进行。坍方段初期支护拱架工字钢型号可采用20b，间距保持50cm，两榀拱架之间采用I14工字钢在工字钢翼缘内侧进行焊接，26cm早强型C25进行砼的喷射。同时，需要注意的是，所有拱架连接处，均需要采用1组(2根)4米φ42注浆小导管锁脚；采用20b工字钢进行临时拱架的焊接，间距为50cm，临时拱架竖向支撑弧度朝向隧道外侧。另外，坍方体ZK54+070～ZK54+112段还要进行30cm预留的暂定变形量，这一数据可以在施工中根据监控量测数据进行调整。
　　(4)必须采用短跨度进行仰拱的开挖，建议最大以不超过3m为宜，忌爆破作业，宜人工开挖。采用短导管在左右线隧道在塌方附近渗水段进行注浆堵水，并在该段加密100环向Q型排水管。
　　
　　4　大管棚施工中总结与体会
　　
　　老龙山隧道坍塌段方案的工程实践证明，采用大管棚工法在隧道超前支护的应用是成功的。采用大管棚工法穿越黄土隧道坍塌层时，其优越性主要表现在：(1)大管棚支护具有刚度大、结构强度高的特点，同时其形成的承载拱承载能力较强；(2)通过注浆将松散的堆积体进行固结，然后利用大管棚和钢拱架支护围岩，这样连成一个整体而且大幅增强了初支结构的承载能力，安全度得到提高；(3)大管棚还有效地防止了后期开挖过程中松散体出现的坍塌，对于控制隧道沉降发挥了重要作用。因此，该方法可进行适时条件下的推广和应用。

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