談高速公路隧道管棚施工技術
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摘要：文中分析了在隧道高速公路中使用高強度管棚施工的工藝特點和原理，闡述其施工工藝流程及操作要點，得出此技術成功解決了圍巖塌方、山體冒頂、洞身結構裂縫、變形沉降等施工難題，提供了適應在歐洲地區(qū)軟弱圍巖隧道超前支護施工的先例。
關鍵詞：公路隧道；管棚；施工技術
1前言
北馬其頓Kicevo-Ohrid高速公路項目是“中國-中東歐援助100億美元計劃”中的首批落地項目，同時也是“一帶一路”建設在巴爾干地區(qū)的重要項目。另外，北馬其頓Kicevo-Ohrid高速公路項目作為泛歐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，體現了中馬兩國的戰(zhàn)略合作，為進一步開拓北馬其頓市場乃至歐洲市場奠定了良好的基礎。項目建成將有助于增強國家經濟競爭力，增加投資吸引力，并促進區(qū)域均衡發(fā)展。不僅改善北馬其頓境內交通狀況，更重要的是，將縮短同鄰國和歐盟成員國之間的交通時間，提高交通安全與質量水平，更好地與歐盟緊密相連。本項目中的“Presrka”隧道穿越山體覆蓋層及全風化巖體厚度較大，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個斷層帶。同時，山體強風化石墨片巖為IV類長3585.5m，占比重89.3%，薄層碎片、遇水化泥，巖石質量指標RQD均小于25%，巖石強度小于4MPa，粘聚力低，節(jié)理和裂隙產狀與隧洞軸線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，對初支施工質量及安全要求高，施工難度大，防塌方及巖體冒頂之險，控制變形沉降，縮短初期支護與二襯之間施工時間，在以往類似工程中，可以借鑒的成熟施工經驗較少，并且是在歐洲地區(qū)遇上復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高速公路項目“Presrka”隧道工程使用高強度的管棚、鋼拱架、型鋼支護、控制變形量、盡早封閉的施工實踐，成功解決了圍巖塌方、山體冒頂、洞身結構裂縫、變形沉降等施工安全難題。研究實施了“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度，提高了施工質量，取得了明顯的經濟效益和社會效益。
2施工工藝特點
“Presrka”隧道工程施工方法與國內類似的隧道施工方法相比，其基本要點納點可歸納以下幾點：（1）采用Akula9000地質超前預報，對巖層進行監(jiān)控，掌握巖層結構情況指導施工。（2）由于地質條件惡劣，超前小導管無法起到穩(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管棚對開挖結構面進行超前支護和灌漿固壁，提高圍巖土體強度，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，在進行隧道防水工程施工前，前對管棚傘狀空間進行處理。（3）進行了合理的擴挖，形成“管棚室”。（4）采用跟管鉆進，成孔和安裝鋼管同步進行，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，遇到軟弱圍巖時往往需要進行超前支護，在圍巖應力來得快，來得強的情況下還需要進行大管棚支護。而此時圍巖呈現出自穩(wěn)能力差，粘聚力小的特點，在遇到地下水時情況更為惡劣，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技術，采用了剛度合適的管材作為管棚管具使之能夠作為鉆進工作的鉆桿使用，剛度足夠抵抗鉆進過程中扭矩帶來的剪應力；在管具端頭是可拋式鉆頭，鉆頭在管具傳遞來的鉆進驅動力下切削巖層。在初支作業(yè)完成后，防水工程實施之前，對管棚室進行處理，達到防水工程要求的平整度。
5施工工藝流程及操作要點
5.1施工工藝流程
超前地質預報→擴挖形成管棚室→管棚室支護→鉆機就位→鉆進成孔→反轉鉆鋌并倒車退出→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
5.2.1地質雷達儀地質預報地質雷達探測屬于電磁波反射法，通常是采用38-75-150MHz的變頻天線地質雷達和配件軟件。選用SIR3000型地質雷達，100MHz的低頻天線，通過無線電波檢測隧道前方和周邊介質分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其巖層內部結構形態(tài)或位置。根據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）管棚室開挖支護根據設備特點，開挖管棚室，并按照相應的初支設計進行支護。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帶液壓破碎錘進行，裝載機配合自卸汽車出渣，洞渣運輸至棄渣場堆存。（2）測量放樣采用全站儀等按設計施工圖對管棚孔孔位及方位進行測量放樣，并用紅油漆做好標識，放樣完成后測量工程師根據測量數據對現場人員進行交底，并做好記錄。（3）鉆孔和管棚安裝①多臂鉆調試檢查完好、運行正常后，就位施工工作面。②在多臂鉆臂上安裝3m長的鉆進管，根據放樣標識點位的編號進行鉆進。③開鉆的管棚鉆進管的外插角度為2~4°。④當鉆進管鉆進掌子面約2.6m后，多臂鉆鉆頭退出鉆進管，安裝跟管，多臂鉆進行套絲緊固連接鉆進管與跟管，跟管鉆進施工。⑤重復第④步驟鉆進余下的3根跟管，即完成單根管棚的施工。⑥重復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管棚施工順序為：首先單臂施工頂部5根管棚；完成頂部管棚時，啟動雙臂同時施作，以中軸線為中心，分別以兩側從高位孔向低位孔逐步推進。⑧鉆機開鉆時，保持低速低壓，待成孔10cm后可根據地質情況逐漸調整鉆速，同時根據鉆機儀表的變化調整施工角度，及時糾偏。⑨鉆進過程中經常測定其位置，確保動力器、扶正器、合金鉆頭按管棚鉆頭同心圓推進。由于采用了擴孔器，所以能夠實施巖石中的跟管鉆進，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。（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。噴射砼的強度為MB30，根據隧道圍巖RMR值決定封閉厚度，RMR值低于25時，封閉厚度10cm，RMR值＞25時，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混凝土進行封閉，以防注漿時巖面漏漿。③連接注漿機進行注漿，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，未達到壓力要求，將調整漿液濃度繼續(xù)注漿。注漿壓力初壓0.5~1.0MPa，終壓2MPa。⑤注漿時，發(fā)現支護變形或損壞，應立即停止注漿，并及時清洗注漿管路，當出現竄漿時，要及時堵塞竄漿孔。⑥完成管棚注漿后，對管棚尾部的注漿管進行封堵。（6）管棚室處理根據防水工程要求的平整度，對管棚室進行處理，根據現場情況，掛不同層數金屬網片，噴同標號混凝土。
6效益分析
本施工方法是應對軟弱圍巖的一種超前支護施工措施，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，造成歐洲現代隧道在設計和施工措施上與我國略有不同，為適應歐洲市場，必須采取本施工工藝。為提高功效，保證施工質量，發(fā)明了“管棚施工中用于管棚絲口連接的施工工具”、“鋼筋網片彎曲裝置”，以及管棚跟管鉆進用的擴孔器。
6.1經濟效益
本施工技術理論及工藝在北馬其頓KO項目的隧道工程中進行了運用，在超前管棚施工作業(yè)中，由于采用了更先進的工器具，提高了作業(yè)效率，節(jié)約工時1548臺班（管棚施工2835.3延米，作業(yè)258次，每次節(jié)約6個臺班，每個臺班配置4名工人，一臺多臂鉆），加快了施工進度，經濟效益顯著，具有較強的推廣價值，直接創(chuàng)造經濟效益約一百萬歐元。
6.2社會效益
以本施工方法實施隧道工程，提供了一種適應在歐洲地區(qū)軟弱圍巖中的隧道管棚施工，切合歐洲隧道設計理念，符合歐洲隧道施工標準和要求的工藝及其施工流程，是一種經濟合理，而且安全的施工工藝，可廣泛應用于歐洲交通隧洞工程，具有廣泛的推廣運用價值。
作者：王勇 單位：中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司