大管棚超前支护技术在北溪引水大人庙隧洞洞口浅埋段施工中的应用
关键词：隧洞；大管棚超前支护；施工；效果评价。
一、工程简介
本工程为福建省九龙江北溪引水左干渠改造二期工程下穿铁路隧洞工程，新挖两条平行引水隧洞与原一期箱涵工程衔接，单洞洞长6.8公里，洞宽4.2米，洞高3.8米，隧洞供水设计流量16.0m3/s。新挖输水隧洞沿线有两处穿越鹰厦铁路，有一处穿越拟建厦深铁路线。
二、沿线地形地貌及不良地质现象
大人庙段洞身位于全风化岩石或残积砂质粘性土中，全风化岩石或残积砂质粘性土局部含有孤石。隧洞位于地下水位以下，全风化岩石或残积砂质粘性土在饱水状态下易软化，应采取相应的排、疏水措施。本段围岩等级为Ⅴ级，需采用地表锚杆、地表注浆等预防加固措施，洞口段采用超前大管棚支护。大人庙下穿铁路段地下水类型以第四系土层中的孔隙水，基岩风化裂隙水为主，富水性较弱。受大气降水补给，埋深较大，地下水无侵蚀。
三、大管棚超前支护设计
1、设计方案参数：
（1）钢管规格：管棚长10m，用每节长4～6m的热轧无缝钢管（Φ108mm壁厚6mm）以丝扣连接而成，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%。钢花管内设置钢筋笼，钢筋笼主筋4Φ22，采用Φ42钢环（壁厚3.5mm）作固定环，固定环节长5cm，与钢筋笼主筋焊接，如下图所示。
（2）钢管编号单双号，双号者采用钢管，施工时限打设钢管注浆，然后打设钢花管，以便检查钢花管的注浆质量。
（3）倾角：外插角≯12º，具体可根据实际情况作调整。
（4）管距：环向间距中至中40cm。
（5）钢管施工误差：径向不大于20cm，相邻钢管间环向间距不大于10cm。
（6）钢管上钻孔注浆，孔径10∽16mm间距15×15cm呈梅花型布置。尾部不钻孔的止浆段150cm。
2、管棚注浆采用水泥浆液，只讲参数如下：
（1）水泥浆液水灰比：1：1（重量比）。
（2）注浆压力：0.5∽2Mpa.
注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得管棚注浆施工经验。注浆结束后用M7.5水泥砂浆填充钢管，以增强管棚强度。
3、单根钢管的注浆量按下式计算：Q=πRLη。
式中R为浆液扩散半径，取R=0.6r，r为注浆钢管中至中的距离，L为钢管长，η为围岩空隙率，各种地层条件下围岩空隙率参考值：粘土40%，全风化12%，弱风化5%。
4、施工注意事项
（1）管棚为超前预支护，应在隧洞开挖前完成。
（2）管棚需按设计位置施工，注意运用测斜仪进行钻孔偏斜度测量，严格控制管棚打设方向，并作好每个钻孔地质记录。
（3）为保证管棚支护效果，尽量减小滚碰的外插角，可在型钢钢架腹板开孔以穿管棚。
（4）管棚施工时，应对钢管主要材料进行材质检验。
（5）选用钻机首先应适合钻孔深度及孔径要求，钻机要求平稳灵活，能在水平方向360º范围内钻孔，施钻时应有导向架。
（6）施工期间应遵守施工技术安全规则和钻眼注浆作业操作规则。
（7）管棚施工地段，应根据有关规定，加强控制测量，以保证施工安全。
四、大管棚的施工及相关的技术要求
大管棚简要的施工工艺流程如图：
1施工前的准备工作
(1)疏排水源
疏导洞身附近的水源，建立枝状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围。
(2)导向墙施作
导向墙对于控制钢管的钻孔方向至关重要,同时也可兼作止浆墙。导向墙采用C20混凝土，截面尺寸为100×100cm,为保证长管棚的施工精度，导向墙内设Ⅰ16的工字钢架,钢架外沿设Φ140mm壁厚5mm的导向钢管,钢管与钢架焊接。
(3)钢花管制作
钢花管按照设计要求制作，管头加工成锥形以便送入，为确保接头质量，以长15cm的丝扣连接，或在端头连接处采用一根长1.0m的Φ100钢管，伸入Φ108钢管中40cm，在端部用电焊将管之间焊缝焊满，剩余60cm用作送入前一根钢管的尾部，并用电焊焊满，起连接和导向的作用。为防止浆液倒流，每根管棚尾部均焊接有止浆板，止浆板采用2cm厚钢板制作，中间钻有Φ20带罗纹的眼，以备注浆时用。
2管棚的施作
(1)测量放样及钻机定位
测量放样出隧洞设计轮廓线并按40cm的间距标出管棚的位置。将钻机移动并定位至标定位置。
(2)钻孔
使用顶驱液动锤按设计角度，把套管与钻杆同时同步冲击回转钻入岩土层内至设计角度。套管与钻具同时跟进，产生护孔功能，避免内钻杆在提出孔后产生塌孔或涌水事故，提供临时护孔，方便往孔内插管注浆。钻孔要求精度高，终孔位置准确，各开孔的孔眼与终孔的孔眼落在同一周界面上，避免产生较大的偏差和变形。同时要确保钻孔的同轴度，以避免管棚送入时受卡。
(3)清孔
钻孔完结后，先把套管内孔注水清洗洁净后，才把钻杆取出。套管仍保留在孔内供护孔作用。
(4)顶进钢管棚
按设计要求把加工好的钢花管顶入套管内，接头采用15cm长的厚壁管箍，上满丝扣；并把钢管轻轻打入岩土地内，固定钢管不易滑出孔口。钢管插进完毕后，取出套管。套管取出时，冒落的岩土会于孔内压紧钢管。钢管口与孔口四周用水泥浆密封。
(5)再次清孔并插入钢筋笼
再次清孔并将钢筋笼插入钢花管内，使之与钢花管成为一体。
3注浆的技术要求
（1）注浆时一般总是先注无水孔，后注有水孔。在无水地段可从拱脚起顺序注浆。注浆速度根据注浆孔出水量大小而定，一般从快到慢。注浆结束时将闸阀关闭，卸下进浆管，进入下一循环。
（2）注浆结束的标准：①注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10min以上；②进浆量一般为20～30L/min。注浆结束后用M7.5水泥砂浆充填管棚钢管，增强钢管的强度和刚度。
（3）注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。
(4)北溪引水大人庙隧洞洞口注浆孔数共100孔(左洞50孔,右洞50孔),平均注浆压力1.5Mpa。
五、效果评价
对洞口注浆加固区进行钻芯取样，浆液的填充情况基本良好。对洞口段的收敛变形、拱顶下沉、边坡位移、拱圈位移、接触压力、锚杆受力、钢拱架及钢筋应力等方面进行了全面的监测。监测结果表明：布设监测点的断面基本处于稳定状态，能够满足设计和规范要求。
六、结语
工程实践证明，大管棚施工方法在福建省九龙江北溪引水大人庙隧洞洞口开挖过程中的应用是成功的。大管棚工法有梁效应和固结效应，既能阻止松散土体的坍塌又能有效控制沉降，为隧道洞身的安全、顺利进洞创造了条件。
参考文献：
[1]SL-2002，《水工隧洞设计规范》.
[2]TB10003.1-2005，《铁路隧道设计规范》.
[3]TZ204-2008，《铁路隧道工程施工技术指南》
[4]中国岩石力学与工程学会岩石锚固与注浆技术专业委员会编.《锚固与注浆技术手册》.中国电力出版社，1999.
[5]王毅才主编《隧道工程》.北京:交通人民出版社.
