趙春生, 袁 鵬, 陳文建

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 概 述

映秀至汶川高速公路是“5.12”汶川特大地震后在重災(zāi)區(qū)建設(shè)的第一條高速公路。板橋山隧道位于映秀至汶川高速公路 K41+915～K44+940段,為左右分修特長(zhǎng)隧道,左線長(zhǎng) 3025m,右線長(zhǎng) 2996m,隧道單洞凈寬 10.25m。板橋山隧道出口段位于一巨厚堆積體上,最大埋深 34m,長(zhǎng) 40m。隧道出口斜坡坡度為 30°～45°,斜坡下部覆蓋厚度不等的新生界第四系全新統(tǒng)崩坡積層塊、碎石,斜坡上部基巖大面積裸露,斜坡植被不發(fā)育。坡體巖石呈松軟-松散結(jié)構(gòu),極易垮塌。現(xiàn)場(chǎng)開挖情況顯示:堆積體為片石-碎石-夾砂,自穩(wěn)性極差。為增加進(jìn)洞安全性,設(shè)計(jì)采用 40m長(zhǎng)大管棚,對(duì)洞口段進(jìn)行超前支護(hù)。

2 大管棚超前支護(hù)的必要性及相關(guān)工作原理

由于隧道出口堆積體較厚且形成年代較短,洞口處巖體呈松軟-松散結(jié)構(gòu),自穩(wěn)性極差,洞口開挖面極易垮塌,施工進(jìn)洞困難。采用長(zhǎng)大管棚結(jié)合 φ70無縫鋼管對(duì)洞口段堆積體進(jìn)行注漿固結(jié)后再開挖,可以有效保證洞口邊仰坡的安全,而且可以使開挖部位形成棚幕和一層殼體,從而大大增加了進(jìn)洞施工的安全性,確保順利進(jìn)洞(圖 1)。

圖 1 管棚鋼花管示意圖

超前支護(hù)的基本工作原理是在待開挖洞頂輪廓線以外一定角度范圍內(nèi),環(huán)向按照一定的間距超前打入鋼管,并在鋼管內(nèi)進(jìn)行壓力注漿。環(huán)向鋼管形成棚架,為開挖及初期支護(hù)作業(yè)提供了安全保障;漿液固結(jié)后鋼管和圍巖之間組成了一個(gè)共同的固結(jié)圈,從而在隧道的縱向和橫向分別形成一個(gè)剛度較大的梁結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)能有效提高圍巖的承載力及自穩(wěn)能力,從而減小圍巖的變形;同時(shí),隧道開挖后,與鋼架一起共同組成剛度較大的支護(hù)結(jié)構(gòu),以抵擋隧道開挖后產(chǎn)生的圍巖壓力和變形。

3 大管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 大管棚設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)導(dǎo)管規(guī)格:采用 φ108、壁厚 6mm的熱軋無縫鋼管,長(zhǎng) 40m。鋼花管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠,鋼筋籠主筋為 4φ16,采用 φ6.5鋼筋作固定環(huán),固定環(huán)內(nèi)徑 R=36.5mm,固定環(huán)間距 20cm,與鋼筋籠主筋焊接。在導(dǎo)管上鉆注漿孔,孔徑 12mm,孔間距 15cm,呈梅花型布置,導(dǎo)管尾部 3m范圍內(nèi)不鉆孔作為止?jié){段,如圖 2、3所示。

圖 2 管棚導(dǎo)管構(gòu)造圖

圖 3 A-A剖面圖

(2)管距:環(huán)向間距為 40cm,大管棚每環(huán) 35根 ,外插角:1°～2°;

(3)同一環(huán)管棚中接頭的位置相互錯(cuò)開不小于 1m,單號(hào)管棚節(jié)長(zhǎng)度為:6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m;雙號(hào)管棚節(jié)長(zhǎng)度為:4 m+6m+6m+6m+6m+6m+6m;

(4)大管棚鋼花管管心與初期支護(hù)設(shè)計(jì)外廓線徑向間距為 30cm;

(5)預(yù)埋導(dǎo)向管為 φ152無縫鋼管,壁厚 6 mm,節(jié)長(zhǎng) 2m,環(huán)向間距 40cm,拱部 120°范圍布置;

(6)鋼花管和鋼筋籠前端均焊成錐形,以便于鋼花管入孔以及鋼筋籠的安裝。

3.2 管棚漿液參數(shù)

(1)注漿材料及配合比:注漿漿液采用純水泥漿,水灰比為 1∶1,注漿水泥的強(qiáng)度等級(jí)為 42.5;

(2)注漿壓力:1～2MPa;

(3)漿液擴(kuò)散半徑:不小于 0.5m。

3.3 大管棚超前支護(hù)與地表注漿的結(jié)合

為了使大管棚超前支護(hù)更好的發(fā)揮作用,減輕圍巖變形作用在管棚上的荷載,在管棚支護(hù)的同時(shí),結(jié)合 φ70無縫鋼管進(jìn)行地表注漿。具體為:在洞頂堆積體中,采用 φ70無縫鋼管進(jìn)行地表注漿,注漿橫向加固范圍大于破裂面與地面的交線(45°)之間的距離,注漿深度為由地表至洞身開挖邊界外側(cè) 50cm,注漿段長(zhǎng)度為距洞口 32 m處。地表注漿采用套管注漿法,豎向套管采用φ70無縫鋼管,注漿孔按梅花型布置,間距為 1.5 m×1.5m。注漿材料為 1∶1純水泥漿,注漿壓力為 0.5～1.0MPa,注漿量為 0.3～0.6m3/m。

4 大管棚鉆機(jī)選型

根據(jù)板橋山隧道洞口堆積體土層的特點(diǎn)、管棚深度、管棚的角度、施工進(jìn)度及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況等要求,選用的管棚鉆孔機(jī)具必須具有:動(dòng)力頭及孔口板調(diào)轉(zhuǎn)方向,可直接鉆鑿仰孔;鉆機(jī)結(jié)構(gòu)為分體式,可拆性好,搬遷、安裝迅速方便,并可遠(yuǎn)距離操縱,一次搬遷完成多孔施工;操作員工工作環(huán)境好,勞動(dòng)強(qiáng)度低;鉆機(jī)可以直接通過扣件安裝在腳手架上,移機(jī)快捷方便;鉆機(jī)可適用跟管鉆進(jìn)工藝方法等特點(diǎn)。

經(jīng)過比選,YG-50型工程鉆機(jī)符合上述要求,故選用 YG-50型工程鉆機(jī)作為板橋山隧道出口大管棚鉆孔鉆機(jī)。

5 大管棚的施工及相關(guān)技術(shù)要求

大管棚施工工藝流程見圖 4:

圖 4 大管棚施工工藝流程圖

5.1 施工前的準(zhǔn)備工作

隧道位于高烈度地震區(qū),施工時(shí)首先清除坡面及坡頂危石、落石和地表松散地震渣體,并在坡面上鋪掛主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)和被動(dòng)防護(hù)網(wǎng),同時(shí)增設(shè)環(huán)型截水溝,以攔截地表水;建立枝狀排水系統(tǒng),使地表水盡快順暢地排出洞口不穩(wěn)定范圍,以防積水下滲。

洞頂堆積體 φ70無縫鋼管地表注漿先于大管棚施工,從而使隧道頂部堆積體預(yù)先形成一層殼體,以穩(wěn)定隧道洞口上方堆積體,也利于大管棚的成孔。

5.2 大管棚導(dǎo)向墻的施作

當(dāng)明洞開挖至洞口 10m左右時(shí)預(yù)留開挖土,以做導(dǎo)向墻及大管棚施工工作平臺(tái),且在導(dǎo)向墻范圍內(nèi)刷垂直坡,避免 2m長(zhǎng)導(dǎo)向墻侵占洞身,影響洞身初期支護(hù)。對(duì)仰坡及時(shí)進(jìn)行錨桿、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù),并在導(dǎo)向墻兩端墻腳及頂部預(yù)埋 φ25錨固筋,三處共 12根。

導(dǎo)向墻對(duì)于控制大管棚鋼管的鉆孔方向至關(guān)重要 ,同時(shí)也兼作止?jié){墻。洞口前端采用 2m長(zhǎng)套拱作為大管棚導(dǎo)向墻,套拱拱腳基礎(chǔ)采用M10漿砌片石砌筑。套拱的厚度為 50cm,材料采用 C25混凝土,套拱內(nèi)埋設(shè) 4榀 I18型鋼,按大管棚鋼管設(shè)計(jì)位置,沿 I18型鋼拱圈環(huán)向準(zhǔn)確布置 φ152鋼管,并與型鋼焊接牢固,作為管棚鉆孔時(shí)的導(dǎo)向管,并將孔口預(yù)埋一定的上抬坡度(1°～2°)。在仰坡中部、拱腳處將預(yù)埋錨固筋與型鋼拱架焊接,以避免在澆筑混凝土?xí)r移位。具體施工見圖 5。

圖 5 大管棚施工示意圖

5.3 鋼花管的制作

鋼花管按照設(shè)計(jì)要求制作,管頭加工成錐形以便送入。為確保接頭質(zhì)量,以長(zhǎng) 15cm的絲扣連接。為防止?jié){液倒流,每根管棚尾部均焊接有止?jié){板,止?jié){板采用 2cm厚鋼板制作,中間鉆有φ20帶內(nèi)螺紋的孔,以備注漿時(shí)用。

5.4 大管棚施工

(1)搭設(shè)鉆孔平臺(tái)、安裝鉆機(jī)及鉆機(jī)定位。①對(duì)大管棚孔位編號(hào),從一側(cè)順次編號(hào);

②利用預(yù)留的開挖土,在其上用枕木和鋼管腳手架搭設(shè)鉆機(jī)工作平臺(tái),并隨鉆機(jī)位置進(jìn)行搭建或拆除;

③鉆機(jī)平臺(tái)要著實(shí)地,與鉆機(jī)平臺(tái)鉆機(jī)要用扣件連接成整體,以確保鉆機(jī)穩(wěn)定,防止在施鉆時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生不均勻下沉、擺動(dòng)、位移等影響鉆孔質(zhì)量;

④鉆機(jī)定位:按照預(yù)埋的鋼套管位置,將鉆機(jī)移動(dòng)至 1#管棚位置,依管棚編號(hào)順序鉆孔。要求鉆機(jī)與已設(shè)定好的預(yù)埋導(dǎo)向管方向平行,必須精確核定鉆機(jī)位置。用掛線、鉆桿導(dǎo)向相結(jié)合的方法反復(fù)調(diào)整,以確保鉆機(jī)鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

(2)鉆 孔

為了便于鋼管頂進(jìn)以及注漿擴(kuò)散,鉆頭直徑采用 130mm。使用頂驅(qū)液動(dòng)錘按套拱中預(yù)埋的鋼套管角度,把套管與鉆桿同時(shí)同步放入鋼套管內(nèi)沖擊回轉(zhuǎn)鉆入巖土層內(nèi)至設(shè)計(jì)深度。鉆機(jī)開鉆時(shí),先低速鉆進(jìn),待成孔 10m后可加快鉆進(jìn)速度,但要根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)鉆進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整,避免成孔卡鉆現(xiàn)象并保證成孔質(zhì)量;套管與鉆具要同時(shí)跟進(jìn),使其產(chǎn)生護(hù)孔功能,避免內(nèi)鉆桿在提出孔后出現(xiàn)塌孔,提供臨時(shí)護(hù)孔,方便往孔內(nèi)插管注漿。鉆孔時(shí)要經(jīng)常使用測(cè)斜儀量測(cè)鋼管鉆進(jìn)的偏斜度,當(dāng)偏斜超過設(shè)計(jì)要求時(shí)必須及時(shí)更正。要求鉆孔精度高,終孔位置準(zhǔn)確,各開孔的孔眼必須與終孔的孔眼落在同一周界面上,避免產(chǎn)生較大的偏差和變形。同時(shí)要確保鉆孔的同軸度,以避免管棚送入時(shí)受卡。

因大管棚施鉆范圍為堆積體,巖體呈松軟-松散結(jié)構(gòu),自穩(wěn)性差,極易垮塌,大管棚孔的施鉆主要存在卡鉆、掉鉆頭、坍孔、退鉆等問題。我們?cè)谶x擇鉆孔工藝時(shí)考慮到了這些問題,采用了套管跟進(jìn)法施鉆,即用偏心鉆頭及套管靴使鋼管跟進(jìn)鉆頭進(jìn)尺。

認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄,及時(shí)對(duì)孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述,以作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)探預(yù)報(bào)、作為指導(dǎo)洞身開挖的依據(jù)。

(3)清 孔。

鉆孔完成后,用高壓氣通過鉆桿從孔底逐漸向孔口清理鉆渣;取出鉆桿后,套管仍保留在孔內(nèi)供護(hù)孔用。

(4)安裝管棚鋼花管及鋼筋籠。

①用鉆機(jī)分節(jié)安裝鋼花管和鋼筋籠,即鉆機(jī)鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng),鉆機(jī)機(jī)身往前推進(jìn),通過連接卡使鋼花管和鋼筋籠受力。當(dāng)鉆機(jī)機(jī)身移動(dòng)到最大位置后松動(dòng)連接卡,鉆機(jī)機(jī)身退回來,然后重新固定連接卡,鉆機(jī)向前推進(jìn),如此反復(fù),將鋼花管和鋼筋籠分節(jié)安裝就位,見圖 6、7。

②鋼花管采用 15cm長(zhǎng)的內(nèi)車絲扣,每節(jié)鋼花管在安裝好鋼筋籠后一同安裝。

③對(duì)于編號(hào)為單號(hào)的孔位,鋼花管按 6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m進(jìn)行分節(jié);對(duì)于編號(hào)為雙號(hào)的孔位,鋼花管按 4m+6m+6m+6m+6m+6m+6m進(jìn)行分節(jié)。鋼筋籠同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于 50%。

圖 6 鋼花管與鋼筋安裝示意圖

圖 7 連接卡大樣圖

④當(dāng)管棚安裝完畢,及時(shí)在鋼管外露端焊上止?jié){板、止?jié){閥,并檢查焊接強(qiáng)度和密實(shí)度。

5.5 注 漿

利用漿液的滲透作用和壓密作用將周圍巖體預(yù)先加固并封堵圍巖的裂隙水,這樣做既能起到超前預(yù)支護(hù)的作用,同時(shí)也加強(qiáng)了管棚的強(qiáng)度和剛度。

(1)工藝流程(圖 8)。

(2)注漿的施工程序及方法。

①注漿采用 BW-250/50型注漿機(jī)注漿。注漿前先檢查管路和機(jī)械狀況,確認(rèn)正常后做壓漿試驗(yàn),確定合理的注漿參數(shù),據(jù)以施工。

②注漿時(shí)一般是先注無水孔,后注有水孔。因板橋山隧道洞口堆積體中無地下水,故從拱腳起(1#管棚)順序注漿。注漿速度根據(jù)注漿孔出水量的大小而定,一般由快到慢。注漿過程中隨時(shí)檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現(xiàn)象,如發(fā)生串漿,立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口,也可采用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵,直至不再串漿時(shí)再繼續(xù)注漿。注漿過程中壓力如突然升高,判斷可能發(fā)生堵管,必須停機(jī)檢查。

③通過焊接在鋼花管上的止?jié){閥對(duì)大管棚注漿,進(jìn)漿量按照 20～30L/min控制,注漿壓力逐步升高,達(dá)到 1～2MPa時(shí)繼續(xù)注漿 15min后結(jié)束注漿(板橋山隧道出口大管棚的注漿量一般為8.0m3/根)。注漿結(jié)束后,及時(shí)封堵注漿口并將閘閥關(guān)閉,卸下進(jìn)漿管,進(jìn)入下一循環(huán)。

圖 8 工藝流程圖

④注漿過程派專人負(fù)責(zé)填寫《注漿記錄表》,記錄注漿時(shí)間、漿液消耗量及注漿壓力等數(shù)據(jù),觀察壓力表值,監(jiān)控連通裝置,避免因壓力猛增而發(fā)生異常情況。

6 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)鉆孔前,精確測(cè)定孔的平面位置、傾角、外插角,并對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào);

(2)鉆孔仰角的確定視鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度而定,一般控制在 1°～2°,鉆機(jī)最大下沉量及左右偏移量為鋼管長(zhǎng)度的 1%左右,并控制在 15～20cm;

(3)嚴(yán)格控制鉆孔平面位置,管棚不得侵入隧道開挖線內(nèi),相鄰的鋼管不得相撞和立交;

(4)經(jīng)常量測(cè)孔的斜度,發(fā)現(xiàn)誤差超限應(yīng)及時(shí)糾正,對(duì)于至終孔仍超限者應(yīng)封孔,原位重鉆;

(5)掌握好開鉆與正常鉆進(jìn)的壓力和速度,防止斷桿;

(6)鋼花管與鋼筋籠的接頭要錯(cuò)開,同一斷面接頭數(shù)不大于 50%;

7 效果評(píng)價(jià)

為保證施工安全并檢查大管棚的實(shí)施效果,項(xiàng)目部專門組織對(duì)堆積體段的凈空收斂進(jìn)行量測(cè),在 30m堆積體處理段埋設(shè)了 3條收斂基線,對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析情況見表 1。從量測(cè)情況看,埋設(shè)初期收斂增長(zhǎng)較慢,環(huán)挖核心土?xí)r收斂變形急劇增長(zhǎng),然后趨于穩(wěn)定,均滿足設(shè)計(jì)要求,充分說明了大管棚預(yù)注漿超前支護(hù)對(duì)防止圍巖急劇控惡化、制隧道變形的作用是顯著的,見表 1。

表 1 凈空收斂監(jiān)測(cè)變形分析表 /mm?d-1

8 結(jié) 語

采用長(zhǎng)大管棚、結(jié)合 φ70無縫鋼管對(duì)洞口段堆積體進(jìn)行注漿固結(jié)然后再進(jìn)行開挖,作為穿越板橋山隧道出口巨厚堆積體的超前支護(hù)手段,其成功之處在于:通過注漿,將松散的堆積體固結(jié)起來,利用大管棚支護(hù)圍巖,將注漿體和管棚連成一個(gè)整體共同受力,在隧道開挖輪廓線外形成棚幕和一層殼體,有效地阻止了堆積體出現(xiàn)坍塌,也使圍巖的沉降在可控范圍,為隧道洞身安全、順利地施工創(chuàng)造條件,是新奧法與其他輔助施工方法的有效結(jié)合。

[1] 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范,TGF60-2009[S].