中铁十七局第一工程有限公司成兰项目山西太原030000
摘要：本文结合成兰铁路茂县隧道进口三线大跨段大管棚施工实例，分析了三线大跨隧道段处于在富水浅埋卵石土层时，如何合理科学地进行大管棚施工，提高施工质量。
关键词：三线大跨；富水；卵石土
引言
目前，在大跨、浅埋等施工条件下，大管棚施工技术已经相当的成熟。大管棚施工是防止围岩坍塌及地表沉降的主要手段，管棚施工已成为浅埋暗挖三线大跨隧道控制地面下沉和加强隧道围岩施工的主要方法，但对于同时存在富水和卵石土等软弱地质的施工条件，大管棚施工技术的研究和开发仍然是隧道前方围岩预加固技术研究的主流。
1工程概况
茂县隧道穿越茂汶断裂，该断裂带受汶川地震影响，仍处于活跃状态，其高地壳应力、高地震烈度、高地灾风险特点极为显著，属极高风险隧道，隧道进口段穿越卵石土层厚1.89～33.23m，含少量大漂石，具有渗透性较强、遇水地基承载力降低、自稳性差等特点。正线进口浅埋段洞身采用φ76mm钢管桩加固；隧道进口洞顶采用大管棚超前支护加固，加固里程范围为D8K125+250～+285，棚管采用φ108mm热轧无缝钢花管，单根长35m，共63根。大管棚布置图如图1-1、图1-2和图1-3所示。
图1-1大管棚立面布置图
图1-2大管棚纵向布置图
图1-3大管棚纵断面布置图
隧道进口段浅埋，最浅处靠近洞口，只有1.89m，如图3所示。洞身位于第四系全新统堆积卵石土层内，地表水流量及地下水水位受季节影响较大（正洞正常涌水量为291m³/d，雨季最大涌水量为437m³/d），且本段位于车站内为三线隧道，开挖断面大（开挖尺寸宽×高为21.07m×13.99m，开挖断面面积为239.85㎡），围岩自稳性差，大管棚施工应充分考虑到这些因素的影响。
在富水、卵石土层、大跨、浅埋等复杂条件下进行大管棚施工，不利条件相互之间容易发生连锁反应，施工难度相当大。
2施工机具的确定
2.1大管棚设计参数
（1）导向墙：C20混凝土，厚度100cm，宽度100cm。
（2）导管规格：热扎无缝钢花管，外径108mm，壁厚6mm；单根长度35m，共63根。
（3）导管施作范围及管距：环向间距40cm，施作范围为拱部120°。
（4）倾角：外插角以1°～3°为宜。
（5）注浆材料：水泥-水玻璃双液浆。
（6）孔口管规格：热扎无缝钢管，外径180mm，壁厚6.5mm。
2.2施工机具的选择
根据大管棚设计参数选择合适的机械。现有的机械类型及相关参数见表2-1。
表2-1现有机械及相关参数对照表
表2-1现有机械及相关参数对照表型号KG930B型
露天潜孔钻车
KQD-100型电动潜孔钻机
ZSL-70全液压履带式工程钻机
ZSL-100全液压履带式工程钻机
钻孔直径80～115m80～100m90～180m90～250m钻孔深度25m25m20～60m30～100m钻孔角度0～185°0～±90°0～360°0～360°爬坡能力30°/≤20°30°试钻结果富水卵石土造成容易塌孔富水卵石土造成塌孔，卡钻，钻头拔不出来没有配套的跟管和偏心钻头跟管施工，具有可行性综合比选xxx√综合比选：
①钻孔直径：导管采用Φ108mm钢花管，跟管采用Φ146mm专用钢管，只有ZSL-70、ZSL-100合适；
②钻孔深度：导管每根长35m，只有ZSL-70、ZSL-100合适；
③方法选择：由于处在富水卵石土层，裸钻施工容易造成塌孔、卡钻和导管送不到位等现象，跟管施工比较合适。而ZSL-70没有配套的跟管和偏心钻头，只有ZSL-100合适。
通过综合比选，ZSL-100全液压履带式工程钻机各项性能均能满足施工需要。最终选择ZSL-100全液压履带式工程钻机作为大管棚的施工机械。
2.3施工机具配件的合理准备
考虑到施工质量和工期的影响，应提前做好施工机具配件的准备工作。考虑因素如下：
①大管棚每根导管需要采用Φ146mm套管24节（24x1.5m=36m＞35m）；正常情况下，钻孔完成一根需要7.5h，送管需要1h，拔管需要1.5h，注浆需要0.7h。正常情况下，一天24h可以完成钻孔3根；
②设计注浆压力要求达到1.5～2Mpa并稳压10min以上，需要封锚的快硬水泥砂浆初凝之后，才能进行注浆工艺，时间为4h；
③设计导管是按曲线布设在拱部120°范围内，同时钻孔施工时要求隔桩钻孔，造成一个作业平台做好之后，只能够完成导管钻孔4～5根；
④正线进口浅埋段洞身采用Φ76mm钢管桩加固，钢管桩间距1.0m*1.0m（横*纵），在钻进的过程中，存在钻头钻到钢管桩的情况；
⑤隧道进口段穿越厚卵石土层，有大孤石，在钻进的过程中，存在钻头钻到孤石的情况；
⑥导管之间的间距为0.4m，在钻进的过程中，存在钻头钻到相邻导管的情况。
综合考虑，要合理高效地施工，需要准备套管4套、钻杆30节（30*1.5m=45m）、钻头3个（偏心钻头）、冲击器2个等。
3施工方法的确定
3.1现场试验
在富水卵石土层中，进行了以下三组试验，结果及原因分析如下：
（1）KQD-100型电动潜孔钻机现场试验结果失败。原因：①钻孔直径不满足要求；②钻孔深度不满足要求；③钻孔角度准确定位困难；④由于卵石土层富水，钻进缓慢、同时也容易卡钻，成孔后塌孔也比较严重；⑤导管送不进去的现象频频发生。
（2）ZSL-100全液压履带式工程钻机现场试验裸钻失败。原因：①由于卵石土层富水，钻进的过程中高压风将砂和石粉吹不出来，造成卡钻；②卵石土层成孔后，塌孔现象屡见不鲜；③导管不能完全送进孔内。
（3）ZSL-100全液压履带式工程钻机现场试验跟管成功。成功经验总结：采用Φ146mm套管先跟钻头打进去，再退内杆将偏心钻头拔出来，然后将导管顶进去，最后拔出套管的钻孔方法，过程复杂，但具有可操作性。
经过现场试验比选，大管棚施工决定选用ZSL-100全液压履带式工程钻机进行跟管施工。
3.2工法确定
（1）工法选择。由现场试验比选确定：富水卵石土层大管棚施工时，采用跟管施工方法，套管为Φ146mm，每节1.5m，钻头采用偏心钻头。
（2）施工工艺。大管棚跟管施工工艺流程图如图3-1所示。
4大管棚施工工艺卡控要点
4.1工作平台开挖
首先根据钻机自身高度确定台阶的开挖高度，由原地面自上而下挖台阶，仰坡面需竖直开挖，以便大管棚导向墙施作。考虑钻机平台高度不能满足导向墙施作高度，需将开挖平台两侧以外的位置进行加深。
4.2测量放样
首先考虑预留16cm的沉降量，再根椐线路中心线控制桩及高程控制点在坡面上标识出隧道中心线及外拱顶标高，并根据隧道的开挖轮廓线在坡面上画出内外拱弧，作为导向墙立模的依据，根据导向墙的里程和具体尺寸来控制导向墙内外模的高度。
图3-1大管棚跟管施工工艺流程图
4.3施作导向墙
（1）工字钢安装：为保证大管棚施工刚度，在导向墙内设2榀I18定位钢架（如图4-1和图4-2所示），拱部工字钢半径为11.9m（内弧半径），间距0.6米。钢架安装时应严格按照设计中线及水平位置架设，定位钢架大里程侧比小里程侧高2.1cm。钢架的下端设在稳固的地层上，拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。
（2）导向管埋设：钢架架设完成后，进行导向管的埋设，导向管应焊牢在定位钢架上，布置如图5所示。为满足设计要求，先在工字钢架顶面标定出导向管的位置，并按间距、方向角要求布置导向管，导向管纵向与线路方向需一致，外插角角度控制为2°，即一端高3cm，安设时用1m水平管检查。为避免混凝土浇注时堵塞导向管，则在导向管两端采取密封措施。
（3）模板安装：导向墙钢模板之间通过钢钉连接。为确保导向墙内模圆顺，导向墙端头模板采用5cm厚木板安装，木板间连接采用加背撑方式进行加固；下部内模用两榀I16工字钢加固，下部用工字钢斜向三角支撑加固，外侧用脚手架钢管支撑加固。模板安装需牢固可靠，模板与混凝土接触面需涂刷脱模剂。
图4-1大管棚导向墙内导管布置图
图4-2I-I大样图
（4）混凝土浇注：混凝土浇注前，需再次对模板加固情况和导向墙的结构尺寸进行检查，并作必要的较正；浇注顺序为自拱脚两侧对称浇注，直至拱顶。
（5）混凝土拆模及养护：混凝土浇注完毕后，需及时进行养护，养护龄期不得少于7天。混凝土强度达到设计强度的70%后可拆除非承重模板（外模）及端模板，强度达到设计强度的100%后可拆除内模及支架；拆除模板后，将孔口管进行编号。
（6）施工过程中，加强导向墙的沉降观测。混凝土浇筑前、混凝土浇筑过程中、混凝土拆模后都必须量测，确保导向墙的沉降量在可控范围内。
4.4封闭开挖面
开挖面封闭采用湿喷混凝土，形成止浆墙，防止浆液回流影响注浆效果和边坡垮塌。
4.5钻机就位
（1）钻机平台用钢管和扣件搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由1台ZSL-100全液压履带式工程钻机由高孔位向低孔位进行。
（2）平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。
（3）钻机定位：钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确确定钻机位置。
4.6钻孔
（1）钻孔采用ZSL-100全液压履带式工程钻机进行，钻机平台的高度根据钻机的可调控范围以及钻孔顺序进行确定，由于钻机钻孔顺序按高孔位向低孔位进行，平台位置相应自上而下进行逐步降低，以满足钻孔需要。
（2）为了便于棚管安装，钻孔采用跟管施工，并隔孔开钻。
（3）钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
（4）钻进过程中经常校正位置，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的事故。
（5）钻进过程中确保冲击器、偏心钻头按同心钻进，减少自重对钻孔造成影响。
（6）认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的超前地质预报参考资料，从而指导洞身开挖。
4.7管棚加工
大管棚导管为Φ108mm，壁厚为6mm的无缝钢管。钢管在专用的管床上加工好丝扣，四周钻设孔径15mm，孔环向间距10cm，径向间距20cm，呈梅花型布置，尾部留不小于100cm的不打孔段作为止浆段，管头15cm割成圆锥形，便于入孔。示意图如图4-3所示。
图4-3大管棚导管加工示意图
4.8清孔验孔
退内杆时，用高压风从孔底向孔口清理钻渣；开始退内杆时，技术员如实记录钻杆的节数，计算出钻孔深度。
4.9装设管棚钢管
（1）大管棚导管之间采用丝扣连接，连接钢管丝扣长度至少为30cm。
（2）棚管顶进是在挖机、钻机和人工相互配合下进行。
（3）钢管连接应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头错开3m。
（4）在管棚钻孔时检查前方地质情况并做好记录，作为进洞施工的超前地质预报参考。导管内设置钢筋笼，如图4-4所示。
图4-4大管棚导管和钢筋笼构造图
4.10注浆
（1）注浆配合比：由于处于卵石土层、地下水发育区域，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃浆比为1：0.8，水泥浆水灰比1：1，水玻璃浓度30～35Be’，水玻璃模数2.4。
（2）注浆压力：注浆压力根据岩层性质、地下水情况和注浆材料的不同而定，一般情况下注浆初始压力取0.5～1.0Mpa，注浆终压取1.5～2.0Mpa。达到设计终压并稳定10min以上。
（3）注浆量：实际的注浆量与设计注浆量进行对比，确保单孔注浆量达到设计注浆量的80%以上。注浆量的计算公式如（1）所示：
Q=Anα（1+β）..............................（1）
式中：Q---总注浆量（m³）；
A---加固围岩体积（m³）；
n---地层填充率；
α---浆液填充系数，一般在0.7～0.9之间；
β---注浆材料损耗系数，一般取0.1，填充率根据具体所处地层来选取；
（4）注浆效果检查
①分析法：即分析钻孔注浆记录，看每个孔的深度、注浆压力、注浆量是否达到设计要求；在注浆过程中，漏浆、跑浆是否严重；以浆液注入量估算浆液扩散半径，分析是否与设计相符。
②检查孔法：用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔，取岩芯进行鉴定。
经过两种方法检查了已完成大管棚的注浆效果，全部合格。
5效益分析
大管棚施工比计划工期提前了15天完成，合计节约费用约为17.7万元。培养出了一批能专门进行富水、软弱地质、大跨、浅埋等复杂条件下大管棚施工的架子队伍，熟练地掌握了ZSL-100全液压履带式工程钻机的机械性能，为后续的隧道注浆施工提供了专业人员和机械准备。为下一里程段的中管棚施工提供了技术保障。中管棚加固里程D8K125+280～D8K125+380，单根长8m，共1220根。预计比工人不熟悉施工的情况下，计划工期将会提前完成，同样会创造一定的经济价值。
6结束语
大管棚超前支护加固是浅埋暗挖隧道施工的一项重要的辅助工法，可以有效地解决隧道地下水活动较强、软弱地层等特殊地段的隧道施工问题。通过大管棚施工在成兰铁路三线大跨富水卵石土层隧道施工中的应用可以看出，管棚支护对控制地表下沉、稳定洞顶土体和稳定掌子面开挖等方面起到了重要的作用，保证了大管棚施工质量的同时，也创造了一定的经济价值，还有更深的研究意义。
参考文献：
[1]中铁二局集团公司.高速铁路隧道工程施工技术指南.北京：中国铁道出版社，2010.
[2]姚先成，潘树杰.管棚支护技术在超浅埋隧道施工中的应用[J].施工技术，2004.
[3]郭陕云．隧道施工技术方案及方法遴选要点[M]．隧道建设，2006
作者简介：
李金林，（1981.9.30），男，工程师，本科，目前从事成兰铁路隧道施工工作。