談高速公路隧道管棚施工技術(shù)
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摘要：文中分析了在隧道高速公路中使用高強(qiáng)度管棚施工的工藝特點(diǎn)和原理，闡述其施工工藝流程及操作要點(diǎn)，得出此技術(shù)成功解決了圍巖塌方、山體冒頂、洞身結(jié)構(gòu)裂縫、變形沉降等施工難題，提供了適應(yīng)在歐洲地區(qū)軟弱圍巖隧道超前支護(hù)施工的先例。
關(guān)鍵詞：公路隧道；管棚；施工技術(shù)
1前言
北馬其頓Kicevo-Ohrid高速公路項(xiàng)目是“中國-中東歐援助100億美元計(jì)劃”中的首批落地項(xiàng)目，同時(shí)也是“一帶一路”建設(shè)在巴爾干地區(qū)的重要項(xiàng)目。另外，北馬其頓Kicevo-Ohrid高速公路項(xiàng)目作為泛歐8號走廊的一部分，乃是中馬合作共贏的成果，是中馬友誼的見證，體現(xiàn)了中馬兩國的戰(zhàn)略合作，為進(jìn)一步開拓北馬其頓市場乃至歐洲市場奠定了良好的基礎(chǔ)。項(xiàng)目建成將有助于增強(qiáng)國家經(jīng)濟(jì)競爭力，增加投資吸引力，并促進(jìn)區(qū)域均衡發(fā)展。不僅改善北馬其頓境內(nèi)交通狀況，更重要的是，將縮短同鄰國和歐盟成員國之間的交通時(shí)間，提高交通安全與質(zhì)量水平，更好地與歐盟緊密相連。本項(xiàng)目中的“Presrka”隧道穿越山體覆蓋層及全風(fēng)化巖體厚度較大，穿越石墨片巖，絹云母片巖，石灰?guī)r及石灰?guī)r溶洞，穿越4個(gè)斷層帶。同時(shí)，山體強(qiáng)風(fēng)化石墨片巖為IV類長3585.5m，占比重89.3%，薄層碎片、遇水化泥，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD均小于25%，巖石強(qiáng)度小于4MPa，粘聚力低，節(jié)理和裂隙產(chǎn)狀與隧洞軸線0夾角在30~45°之間屬非常不利條件，地下水洞內(nèi)在雨季一般呈滴狀，部分位置形成連續(xù)水流，對初支施工質(zhì)量及安全要求高，施工難度大，防塌方及巖體冒頂之險(xiǎn)，控制變形沉降，縮短初期支護(hù)與二襯之間施工時(shí)間，在以往類似工程中，可以借鑒的成熟施工經(jīng)驗(yàn)較少，并且是在歐洲地區(qū)遇上復(fù)雜地形的隧道工程特少。中國水利水電第七工程局有限公司通過對北馬其頓Kicevo-Ohrid高速公路項(xiàng)目“Presrka”隧道工程使用高強(qiáng)度的管棚、鋼拱架、型鋼支護(hù)、控制變形量、盡早封閉的施工實(shí)踐，成功解決了圍巖塌方、山體冒頂、洞身結(jié)構(gòu)裂縫、變形沉降等施工安全難題。研究實(shí)施了“Presrka”隧道工程管棚施工的新工藝，建立了規(guī)范化程序施工方法，其施工簡便、快捷，容易控制，提高了工作效率，有效地加快了施工進(jìn)度，提高了施工質(zhì)量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
2施工工藝特點(diǎn)
“Presrka”隧道工程施工方法與國內(nèi)類似的隧道施工方法相比，其基本要點(diǎn)納點(diǎn)可歸納以下幾點(diǎn)：（1）采用Akula9000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，對巖層進(jìn)行監(jiān)控，掌握巖層結(jié)構(gòu)情況指導(dǎo)施工。（2）由于地質(zhì)條件惡劣，超前小導(dǎo)管無法起到穩(wěn)定隧道開挖面的效果，必須在開挖過程中采用Φ114.3mm壁厚σ=6.3mm管棚對開挖結(jié)構(gòu)面進(jìn)行超前支護(hù)和灌漿固壁，提高圍巖土體強(qiáng)度，提高開挖線拱部巖體承載力，加固隧道圍巖，減少巖層掉塊、塌方及巖體裂縫等情況，確保隧道施工安全；同時(shí)，在進(jìn)行隧道防水工程施工前，前對管棚傘狀空間進(jìn)行處理。（3）進(jìn)行了合理的擴(kuò)挖，形成“管棚室”。（4）采用跟管鉆進(jìn)，成孔和安裝鋼管同步進(jìn)行，包括采用拋棄式鉆頭和管桿一體的管棚管具。
3適用范圍
適用于各種地質(zhì)條件下的隧道初支工作，在圍巖條件特別差的情況下優(yōu)勢尤為明顯。
4施工工藝原理
在隧道開挖過程中，遇到軟弱圍巖時(shí)往往需要進(jìn)行超前支護(hù)，在圍巖應(yīng)力來得快，來得強(qiáng)的情況下還需要進(jìn)行大管棚支護(hù)。而此時(shí)圍巖呈現(xiàn)出自穩(wěn)能力差，粘聚力小的特點(diǎn)，在遇到地下水時(shí)情況更為惡劣，在這樣的圍巖中安裝大管棚，最大的困難在于成孔后，避免塌孔、縮孔，成功將管棚管具安裝到完成的鉆孔中。本施工工藝采用的跟管鉆進(jìn)技術(shù)，采用了剛度合適的管材作為管棚管具使之能夠作為鉆進(jìn)工作的鉆桿使用，剛度足夠抵抗鉆進(jìn)過程中扭矩帶來的剪應(yīng)力；在管具端頭是可拋式鉆頭，鉆頭在管具傳遞來的鉆進(jìn)驅(qū)動力下切削巖層。在初支作業(yè)完成后，防水工程實(shí)施之前，對管棚室進(jìn)行處理，達(dá)到防水工程要求的平整度。
5施工工藝流程及操作要點(diǎn)
5.1施工工藝流程
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)→擴(kuò)挖形成管棚室→管棚室支護(hù)→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→反轉(zhuǎn)鉆鋌并倒車退出→管棚注漿→完成全部管棚注漿→管棚室回填處理
5.2操作要點(diǎn)
5.2.1地質(zhì)雷達(dá)儀地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)探測屬于電磁波反射法，通常是采用38-75-150MHz的變頻天線地質(zhì)雷達(dá)和配件軟件。選用SIR3000型地質(zhì)雷達(dá)，100MHz的低頻天線，通過無線電波檢測隧道前方和周邊介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置。根據(jù)探測信號判斷前方是否存在：破碎帶，含水層，溶洞等等。
5.2.2管棚施工（1）管棚室開挖支護(hù)根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)，開挖管棚室，并按照相應(yīng)的初支設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)。一般開挖采用三臺階開挖法，上臺階為5.5m，下臺階為2.3m，仰拱為2.2m，為了滿足管棚施工條件首先需要完成上臺階開挖，為管棚施工提供可操作空間。開挖工作采用挖掘機(jī)帶液壓破碎錘進(jìn)行，裝載機(jī)配合自卸汽車出渣，洞渣運(yùn)輸至棄渣場堆存。（2）測量放樣采用全站儀等按設(shè)計(jì)施工圖對管棚孔孔位及方位進(jìn)行測量放樣，并用紅油漆做好標(biāo)識，放樣完成后測量工程師根據(jù)測量數(shù)據(jù)對現(xiàn)場人員進(jìn)行交底，并做好記錄。（3）鉆孔和管棚安裝①多臂鉆調(diào)試檢查完好、運(yùn)行正常后，就位施工工作面。②在多臂鉆臂上安裝3m長的鉆進(jìn)管，根據(jù)放樣標(biāo)識點(diǎn)位的編號進(jìn)行鉆進(jìn)。③開鉆的管棚鉆進(jìn)管的外插角度為2~4°。④當(dāng)鉆進(jìn)管鉆進(jìn)掌子面約2.6m后，多臂鉆鉆頭退出鉆進(jìn)管，安裝跟管，多臂鉆進(jìn)行套絲緊固連接鉆進(jìn)管與跟管，跟管鉆進(jìn)施工。⑤重復(fù)第④步驟鉆進(jìn)余下的3根跟管，即完成單根管棚的施工。⑥重復(fù)②~⑤步驟施工余下的38根管棚，即完成該部位的掌子面的管棚施工。⑦管棚施工順序?yàn)椋菏紫葐伪凼┕ろ敳?根管棚；完成頂部管棚時(shí)，啟動雙臂同時(shí)施作，以中軸線為中心，分別以兩側(cè)從高位孔向低位孔逐步推進(jìn)。⑧鉆機(jī)開鉆時(shí)，保持低速低壓，待成孔10cm后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速，同時(shí)根據(jù)鉆機(jī)儀表的變化調(diào)整施工角度，及時(shí)糾偏。⑨鉆進(jìn)過程中經(jīng)常測定其位置，確保動力器、扶正器、合金鉆頭按管棚鉆頭同心圓推進(jìn)。由于采用了擴(kuò)孔器，所以能夠?qū)嵤r石中的跟管鉆進(jìn)，解決了破碎巖層水平鉆孔塌孔等成孔難的問題。另外，發(fā)明了鏈鎖式管棚絲扣緊固工具（專利號ZL201620699078.1），大大減少了跟管作業(yè)用時(shí)。（4）掌子面封閉開挖面開挖面封閉采用濕噴混凝土方式，形成止?jié){墻，防止?jié){液回流影響注漿效果。噴射砼的強(qiáng)度為MB30，根據(jù)隧道圍巖RMR值決定封閉厚度，RMR值低于25時(shí)，封閉厚度10cm，RMR值＞25時(shí)，封閉厚度5cm。（5）注漿及封孔①完成管棚施工后，焊接管棚尾部的注漿管。②向開挖掌子面及孔口管周圍噴射10cmMB30混凝土進(jìn)行封閉，以防注漿時(shí)巖面漏漿。③連接注漿機(jī)進(jìn)行注漿，注漿材料采用1:1~0.5：1水泥漿液，注漿壓力0.5~2MPa。④注漿漿液由稀到濃，在注漿過程中若注漿量超過鉆孔圓柱體的1.5倍時(shí)，未達(dá)到壓力要求，將調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿。注漿壓力初壓0.5~1.0MPa，終壓2MPa。⑤注漿時(shí)，發(fā)現(xiàn)支護(hù)變形或損壞，應(yīng)立即停止注漿，并及時(shí)清洗注漿管路，當(dāng)出現(xiàn)竄漿時(shí)，要及時(shí)堵塞竄漿孔。⑥完成管棚注漿后，對管棚尾部的注漿管進(jìn)行封堵。（6）管棚室處理根據(jù)防水工程要求的平整度，對管棚室進(jìn)行處理，根據(jù)現(xiàn)場情況，掛不同層數(shù)金屬網(wǎng)片，噴同標(biāo)號混凝土。
6效益分析
本施工方法是應(yīng)對軟弱圍巖的一種超前支護(hù)施工措施，解決了變形來得快，成孔困難的條件下大管棚的施工。由于歷史，社會等因素，造成歐洲現(xiàn)代隧道在設(shè)計(jì)和施工措施上與我國略有不同，為適應(yīng)歐洲市場，必須采取本施工工藝。為提高功效，保證施工質(zhì)量，發(fā)明了“管棚施工中用于管棚絲口連接的施工工具”、“鋼筋網(wǎng)片彎曲裝置”，以及管棚跟管鉆進(jìn)用的擴(kuò)孔器。
6.1經(jīng)濟(jì)效益
本施工技術(shù)理論及工藝在北馬其頓KO項(xiàng)目的隧道工程中進(jìn)行了運(yùn)用，在超前管棚施工作業(yè)中，由于采用了更先進(jìn)的工器具，提高了作業(yè)效率，節(jié)約工時(shí)1548臺班（管棚施工2835.3延米，作業(yè)258次，每次節(jié)約6個(gè)臺班，每個(gè)臺班配置4名工人，一臺多臂鉆），加快了施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值，直接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約一百萬歐元。
6.2社會效益
以本施工方法實(shí)施隧道工程，提供了一種適應(yīng)在歐洲地區(qū)軟弱圍巖中的隧道管棚施工，切合歐洲隧道設(shè)計(jì)理念，符合歐洲隧道施工標(biāo)準(zhǔn)和要求的工藝及其施工流程，是一種經(jīng)濟(jì)合理，而且安全的施工工藝，可廣泛應(yīng)用于歐洲交通隧洞工程，具有廣泛的推廣運(yùn)用價(jià)值。
作者：王勇 單位：中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司