1 工程概况
红岩隧道位于重庆市巫溪县红岩村场口, 是奉溪高速公路众多隧道中其中一条, 该隧道左洞长1215m, 右洞长1225m, 双向4车道, 隧道设计为净宽10.79m, 净高7.00m的三心圆曲墙半圆拱。
隧道进口端洞口基岩出露为灰岩, 局部夹泥岩、粘土岩, 质极软。红岩隧道进口段下穿S203公路, 洞口段埋深6~7m, 隧道拱顶距S203公路路面6m, 约0.47D (D:隧道开挖跨径, 为12.78m) , 隧道施工对既有S203公路影响严重。
2 大管棚超前支护的必要性及相关的工作原理
由于隧道开挖断面大, 洞口处岩体风化十分严重, 土体松散, 加之上方S203公路行车的影响, 洞口开挖面极易发生坍塌, 施工进洞困难。采用大管棚超前支护施工技术对洞口段堆积体进行注浆固结, 然后再开挖 (开挖方式采用环形开挖预留核心土法逐榀开挖进洞, 及时开挖及时支护) , 可以有效保证洞口边仰坡稳定, 而且使开挖轮廓线外圈形成棚幕和一层壳体, 从而大大增加了进洞施工的安全性, 确保顺利进洞及S203公路的安全。
超前支护的基本工作原理是在待开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内 (本项目外插角1~3°) , 环向按照一定的间距 (本项目设计间距40cm) 超前打入钢管, 并在钢管内进行压力注浆。环向钢管形成棚架, 为开挖及初期支护作业提供了安全保障;浆液固结后钢管和围岩之间组成了一个共同的固结圈, 从而在隧道的纵向和横向分别形成一个刚度较大的梁结构和拱结构。这个结构能有效提高围岩的承载力及自稳能力, 减小围岩的变形;同时, 隧道开挖后与钢架一起共同组成刚度较大的支护结构, 以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形。
3 大管棚超前支护设计参数
1) 钢管规格:采用φ108mm壁厚4.5mm的热轧无缝钢管, 钢管前端呈锥形, 尾部焊接φ10加劲箍筋, 管壁四周钻2排φ20mm压浆孔, 管长30m, 钢管内设置钢筋笼, 钢筋笼主筋4φ20, 采用φ50壁厚4.5mm的钢环作固定环, 固定环节长4cm, 与钢筋笼主筋焊接, 如图1所示。
2) 管距:环向间距为40cm, 共布置36根, 从拱顶向两侧拱腰对称布置。钢管外插角:1°。
3) 管棚注浆采用M30水泥净浆, 水灰比为1:1, 稠度120~160S, 地下水丰富时可采用水泥玻璃双液浆。
4) 同一环管棚中接头的位置应相互错开不小于1m, 管棚节长度为3m+6m+6m+6m+6m+3m或6m+6m+6m+6m+6m。
5) 施工时应先打编号为单号的钢花管, 注浆后再打编号为双号的钢花管。编号为双号的钢花管可作为注浆质量的检查管, 若单号钢花管注浆有不密实之处, 应在双号钢花管中注浆填实。
4 大管棚施工及相关技术要求
大管棚施工工艺流程如图2。
4.1 施工前的准备工作
4.1.1 疏排水源, 洞顶截水
疏导洞身附近的水源, 设环型截水沟, 拦截地表水;建立排水系统, 使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围。
4.1.2 导向墙施作
待明暗洞口边仰坡加固稳定后, 开挖导向墙基础, 施作导向墙, 导向墙开挖不得再随意切坡, 只有在管棚施作完毕后, 才能扩挖。在管棚施工中, 必须保持套拱的稳定, 不偏移, 不沉降, 必要时对导向墙基础进行处理和增加一些临时支撑, 以确保管棚施工安全和孔口管就位准确。
C25混凝土60cm厚长度2m的导向墙作为管棚的固定端, 拱内设三榀Ⅰ20A工字钢, 并在其中用φ20螺纹钢筋焊接布置36个φ127孔口管, 孔口管与Ⅰ20工字钢焊为整体。
4.1.3 钢管制作
钢管按照设计图纸要求制作, 管前端加工成锥形以便送入, 为确保接头质量, 以长15cm的丝扣连接, 起连接和导向的作用。为防止浆液倒流, 每根钢花管尾部均焊接有止浆板和止浆阀, 止浆板采用1cm厚钢板制作, 中间焊有15cm长φ25钢管以便安装止浆阀, 以备注浆时用。
4.2 管棚的施作
4.2.1 测量放样、钻机定位
测量放样出隧道设计轮廓线并按40cm的间距标出管棚的位置。搭设支架和操作台, 将液压潜孔钻机移动并定位至标定位置。
4.2.2 钻孔
利用孔口管并按设计角度为1°的外插角把套管与钻杆同时同步冲击回转钻入岩土层内至设计深度。套管与钻具同时跟进, 产生护孔作用, 避免钻杆在提出孔后产生塌孔或涌水事故, 并提供临时护孔, 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。同时要确保钻孔的顺直度, 以避免管棚送入时卡管。
4.2.3 清孔
钻孔结束后, 先把套管内孔注水洗净后, 再把钻杆取出。套管仍保留在孔内提供护孔作用。
4.2.4 顶进钢管棚
把按设计要求加工好的钢管顶入套管内, 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层内, 以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, 坍落的岩土会于孔内压紧钢管。钢管口与孔口周壁用水泥砂浆密封。
当管棚安装完毕后, 用小木楔把钢管与围岩壁楔紧, 再用防水胶泥 (锚固剂) 将空隙封闭住。
4.2.5 插入钢筋笼
再次清孔并将钢筋笼插入钢管内, 使之与钢管成为一体。
4.3 注浆
利用浆液的渗透作用和压密作用将周围岩体预先加固并封堵围岩的裂隙水, 这样既能起到超前预支护的作用, 同时也增强了管棚的强度和刚度。
4.3.1 注浆材料
普通硅酸盐水泥P.O 42.5, 溪河水, 水灰比 (W/C) 1:1, 水泥稠度120~160S, M30水泥净浆, 随拌随注。
4.3.2 注浆的技术要求
1) 注浆时一般由两侧低位孔向中间高位孔顺序向上进行, 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) 注浆结束的条件。
单孔结束条件:初始注浆压力0.8~1.0MPa, 注浆压力达到设计终压2MPa, 浆液扩散半径不小于0.5m, 注浆压力逐步升高, 达到设计终压并继续注浆10min以上, 浆液注入量已达到计算值的80%以上。
全地段结束条件:所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注浆的情况。
3) 注浆过程中应时刻注意观察注浆管周围防水胶泥的变化情况, 防止浆液压力增加时将其冲裂。
4) 注浆过程中随时检查孔口、邻孔有无串浆现象, 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。
4.3.3 工艺流程
5 施工效果检测与评价
1) 对注浆加固区进行钻芯取样, 浆液的填充情况良好。
2) 钻爆开挖后开挖断面检测结果符合设计及规范要求。
3) S203公路路面沉降监测结果符合设计要求。
4) 对洞口段的地表沉降、周边收敛变形、拱顶下沉、边坡位移、拱圈位移、锚杆受力、钢拱架应力等进行全面的监测。监测结果表明:经过连续三个月的观测, 洞口地表累计下沉均值为18.12mm、最大为35.20mm, 拱顶累计下沉均值为8.53mm、最大为10.25mm, 布设监测点的断面都已处于稳定状态, 能够满足设计和规范要求。
6 施工辅助措施
1) 为了保证施工期间S203道路畅通, 又不影响进洞施工安全, 在红岩隧道洞顶增设钢栈桥, 使其跨越左右洞, 减少行车震动, 保证隧道的进洞安全。
2) 隧道洞口段增设临时仰拱, 并及时施作仰拱, 掘进循环进尺不宜过大, 一般按60cm进尺, 并符合型钢拱架间距。
3) 隧道洞口段原设计采取φ25中空注浆锚杆周边注浆加固, 施工中为保证进洞安全和防止拱架沉降在锁脚处每榀拱架两侧用两根小导管打入4.5m长加强锁脚, 并注浆固结。
7 结语
通过工程实践证明, 大管棚工法的梁效应和固结效应既能阻止松散围岩的坍塌又能有效控制沉降。大管棚超前支护在红岩隧道下穿S203公路的洞口浅埋段施工中的成功应用为隧道施工及S203公路的安全奠定了基础, 也为后续软弱围岩的处理及复杂地质条件下的洞身施工积累了经验。
摘要：红岩隧道进口下穿S203公路段埋深较浅, 隧道施工对既有S203公路影响较大。针对这种情况, 采用大管棚超前支护施工方法, 使隧道顺利穿越S203公路进洞。本文主要从施工技术角度阐述大管棚超前支护技术在隧道洞口浅埋段施工中的应用。
关键词：隧道,大管棚超前支护,注浆,效果
参考文献
[1] 公路隧道施工技术规范 (JTG F60-2009) .
[2] 黄成光.公路隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社, 2001.