欧洲隧道施工中超前管棚的应用

欧洲隧道施工中超前管棚的应用

代祥中

中国水利水电第七工程局成都610041

摘要：本文主要是针对欧洲隧道工程中采用新奥法进行超前管棚施工的工法，结合马其顿KO高速公路项目中隧道工程详细介绍了超前管棚的施工工艺和特点，采用该方法不仅机械化程度高、施工简单以及施工效率高，而且有效的抑制了开挖后软弱围岩的变形，有效的防止了围岩坍塌，增加了施工的安全性；体现了新奥法与其其他的联合支护方法的成功之处。为中国隧道工程施工提供了有效的借鉴和具有很高的推广价值。

关键词：超前管棚；效率高；安全性；软弱围岩；新奥法

Abstract：ThispaperismainlyaimedatconstructionmethodoftheNewAustrianTunneling

Methodfore-canopyinEuropetunnelproject,andisdescribedindetailintheconstructionprocessandcharacteristicsoffore-canopyundertheKOhighwayprojectinMacedonia.Thismethodnotonlyhashighmechanization,simpleconstructionandgreatefficiency,butalsoeffectivelypreventssoftandweakrockmassfromdeformationafterexcavationandcollapsingaswellasincreasethesafetyofconstruction.ThismethodalsoexplainsthesuccessofjointsupportingwaysbetweenNATMandothers.ItprovideseffectiveexperiencesforChinesetunnelconstructionandhasahighvalueofpopularization.

Keywords:Fore-canopyhighefficiencysafetysoftandweakrockmassNATM

一、前言

欧洲工程采用的超前管棚支护作为隧道软弱地质条件的主要支护工法，与中国采用的超前管棚施工工艺有实质上的区别，工艺和材料均不同，其机械化程度、安全性、施工效率均比中国采用的管棚施工高，目前在欧洲地下工程项目中使用非常普遍。本文结合马其顿KO高速公路项目隧道工程的具体施工过程，对欧洲超前管棚施工的材料、施工工艺、设计参数、施工功效及施工成果等方面，进行了详细的研究，也希望通过其工艺方法可以应用到国内大中型隧道项目的施工中。

二、工程简介

马其顿KO高速公路项目是中国政府“一带一路”政策下的落地项目，属于泛欧8号走廊的一部分。该项目中的Preseka隧道工程是一条浅埋长隧道大断面的隧道，为一条双向分离式隧道，单向隧道长度分别为2016m（左洞起止桩号为Km18+294.5~Km20+310.5）和1995m（右洞起止桩号为Km18+279.5~Km20+274.5），总长4011m。隧道开挖半径为5.25m，开挖高度为8.05m，成型净空为9.9m×6.7（宽×高）m，开挖最大断面为89m2，坡度为2.5%的隧道，隧道洞口部分埋深20米~30米，最大埋深为180米~200米，每条隧道采用双向掘进开挖施工。本项目隧道开挖由2014年11月1日开始施工，由于复杂的地质条件，截止2016年10月31日，实际开挖1925.4m，V级围岩开挖807.8m，占隧道实际开挖长度的42%，实际管棚施工42705m。

三、地质情况介绍

隧道Preseka穿越山体覆盖层及全风化岩体厚度较大，隧道穿越石墨片岩，绢云母片岩，石灰岩及石灰岩溶洞，隧道穿越4个断层带，断层带位于18+560，18+920，19+740，20+000，断层倾角与隧道轴线夹角约35°，走向与隧道夹角50°，断层带内为全风化片岩及泥质材料，受断层影响，接触部围岩强烈破碎，张裂隙发育，在雨季可见明显渗水，偶见石英岩脉。

由于变形带围岩稳定性较差，经与设计、监理现场勘查原设计IV级围岩变更为V级围岩支护施工。

四、设计参数

①管棚安装在设计开挖轮廓线外20cm处。

②管棚采用直径114.3mm无缝钢管，壁厚6.3mm。

③管棚单节长度为3米，单根长度L=15m，每节连接采用套丝连接，内外套丝长度均为6cm，每根管棚均为5节，头部一节称为钻进管，后部4节称为跟管。

④管棚采用高强材料制成，钻杆管头部带有合金钻头，管棚管壁间隔50cm开有对称2个直径12mm注浆孔，管壁注浆孔采用黑胶垫圈封堵保护。

⑤开挖每个循环11米，则管棚施工每循环搭接长度4m。

⑥每个循环安装39根管棚，外插角2°~4°，环向范围155.4°，环向间距40cm。

⑦格栅拱架采用主筋四根直径25mm钢筋组成，箍筋采用直径12mm钢筋组成，格栅拱架的安装间距为75cm。

五、施工工艺

5.1适用范围

Ⅴ类围岩或Ⅳ类较差破碎带有渗水的围岩部位，以及塌方体、粉质岩、黄土、沙质土、断层带等软弱围岩的隧道支护施工。

5.2工艺特点

管棚采用高强材质的钢管作为纵向围岩的支撑，格栅拱架作为环向支撑，完成后形成棚装支护结构。由于管棚材质本身刚度大，强度高，能限制围岩的进一步变形沉降。本项目采用多臂钻一次钻进而成，无须先成孔再进行管棚安装的施工。不仅机械化程度高、施工效率高，而且在开挖过程中起到超前支护的作用，保证后续开挖施工的安全。

5.3施工工艺流程

管棚施工工序：测量放样→多臂钻就位→钻进钻进管→连接跟管并钻进→注浆→封孔。

5.4主要设备

六、管棚施工

6.1掌子面平台开挖.

掌子面开挖采用三台阶开挖法，上台阶为5.5m,下台阶为2.3m,仰拱为2.2m,为了满足管棚施工条件首先需要完成上台阶开挖，为管棚施工提供可操作空间。开挖工作采用挖掘机带液压破碎锤进行，装载机配合自卸汽车出渣，洞渣运输至弃渣场堆存。

6.2掌子面封闭开挖面

开挖面封闭采用湿喷混凝土方式，形成止浆墙，防止浆液回流影响注浆效果。喷射砼的强度为MB30，根据隧道围岩RMR值决定封闭厚度，RMR值低于25时，封闭厚度10cm,RMR值大于25时，封闭厚度5cm。

6.3测量放样

测量工程师首先复核线路中线、水平，根据线路中心线控制桩及高程控制点在开挖封闭面标识出隧道中心线及外拱顶标高，并根据开挖轮廓线采用红油漆根据测量工程师的放样进行编号标识并且做好记录。封闭撑子面开挖根据围岩情况需提前预留相应的沉降量。

6.4钻进管及跟管施工

①多臂钻调试检查完好、运行正常后，就位施工工作面。

②在多臂钻臂上安装3m长的钻进管，根据放样标识点位的编号进行钻进。

③开钻的管棚钻进管的外插角度为2°~4°。

④当钻进管钻进掌子面约2.6m后，多臂钻钻头退出钻进管，安装跟管，多臂钻进行套丝紧固连接钻进管与跟管，跟管钻进施工。

⑤重复第（4）步骤钻进余下的3根跟管，即完成单根管棚的施工。

⑥重复（2）~（5）步骤施工余下的38根管棚，即完成该部位的掌子面的管棚施工。

⑦管棚施工顺序为：首先单臂施工顶部5根管棚；完成顶部管棚时，启动双臂同时施作，以中轴线为中心，分别以两侧从高位孔向低位孔逐步推进。

⑧钻机开钻时，保持低速低压，待成孔10cm后可根据地质情况逐渐调整钻速，同时根据钻机仪表的变化调整施工角度，及时纠偏。

⑨钻进过程中经常测定其位置，确保动力器、扶正器、合金钻头按管棚钻头同心圆推进。

6.5工艺要求

①钻机就位时用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机杆

轴线和导向轴线相吻合。

②钻孔时经常测量孔的斜度，发现误差超限应及时纠正，至终孔仍然超限者应封

孔，原位重钻。

③钻孔时，若出现卡钻、塌孔时应注浆后再钻。钻孔时，应认真填好钻孔记录，

除记录钻孔深度、方向角外，还应根据孔出屑或取芯情况记录不同孔时的围岩情况，达

到超前探测围岩的目的。

6.6注浆及封孔

①完成管棚施工后，焊接管棚尾部的注浆管。

②向开挖掌子面及孔口管周围喷射10cmMB30混凝土进行封闭，以防注浆时岩面漏浆。

③连接注浆机进行注浆，注浆材料采用1:1~0.5：1水泥浆液，注浆压力0.5~2Mpa。

④注浆浆液由稀到浓，在注浆过程中若注浆量超过钻孔圆柱体的1.5倍时，未达到压力要求，将调整浆液浓度继续注浆。注浆压力初压0.5~1.0Mpa，终压2Mpa。

⑤注浆时，发现支护变形或损坏，应立即停止注浆，并及时清洗注浆管路，当出现窜浆时，要及时堵塞窜浆孔。

⑥完成管棚注浆后，对管棚尾部的注浆管进行封堵。

6.7注浆时要求

①注浆前将管棚钢管口用2mm钢板做出6cm变径口，与管棚钢管口焊接，6cm变径口焊接堵浆塞与注浆管丝扣连接。

②在钢花管中沿管壁安设φ15mm的塑料硬管至孔底，在管口（外端）处与堵浆塞排气孔相连接，作为排气孔（安设注浆阀门）。

③注浆采用从孔口一次注入，为使管内浆液饱满密实，注浆时等排气孔有浆液流出，进行终压注浆，直至达到设计注浆压力或设计注浆量时终止。后闭其阀门。

④注浆前先进行注浆现场试验，争取通过试验按实际情况确定，以利施工注浆结束后及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆紧密充填，增强管棚的刚度和强度。

七、监测

为了及时掌握管棚施工的稳定性和安全性，完成管棚段的初支施工以后，及时进行监测，根据本设计的规范要求对断面进行水平收敛、顶拱收敛进行监测。本文选择左洞K18+435的断面监测结果绘制水平收敛-时间关系曲线、顶拱下沉-时间关系曲线，分析其变化规律，见图6.1~图6.2。

从图中可以看出，水平收敛以及顶拱收敛均可以看出在一个月内变形量最大，一个月以后变形量已经趋于稳定，总变形量满足设计规范要求的100mm内。以上说明围岩变形已经趋于稳定，超前管棚施工对防止围岩恶化、控制隧道变形取了显著的作用。

八、结语

采用欧洲工程的超前管棚施工，不仅施工机械化程度高、施工简单以及施工效率高，而且对软弱围岩的变形取了相当大的抑制作用，有效的防止了围岩坍塌，增加了施工的安全性。也说明了采用该方法，是体现了新奥法与其其他的联合支护方法的成功之处。为中国隧道工程施工提供了有效的借鉴和具有很高的推广价值。

参考文献：

[1]苑俊廷，林丽芳，席继红，骆文学.超前管棚支护在浅埋偏压黄土隧道施工中的应用.2016,1009-6582（2011）06-0137-04

[2]杨会军.复杂条件下隧道围岩变形特征[J].铁道工程学报,2006,(2):57-59

[3]齐占国,高崇林.围岩量测技术在隧道新奥法施工中的应用[J].东北公路,1997,(12):36-37