李扬奇

出于安全考虑，隧道施工中需采取科学的方法稳固围岩，在现行的围岩加固技术中，超前大管棚注浆施工工艺颇具代表性，在稳固围岩方面有突出作用。为此，需深入研究超前大管棚注浆施工工艺，以科学的方法施工，发挥出该项施工工艺的应用价值。

一、工程概况

某四车道分离式隧道，设计速度80km/h，左线起讫里程ZK106+000～ZK108+216，长2216m；右线起讫里程K106+000～K108+174，长2174m。隧道建筑限界10.25m，净高5.0m，采用端墙式洞门。围岩开挖具有扰动性，而隧址区以堆积碎石土层居多，自稳能力有限，在开挖过程中易引发围岩坍塌事故，需加强对围岩的加固处理。

二、超前管棚注浆施工工艺的重要性及原理

（1）工艺的重要性分析。本隧道的开挖断面尺寸大，洞口埋设浅，围岩土体以泥岩和砂岩居多，均缺乏密实性与稳定性，隧洞进洞难度大，有坍塌风险。根据安全施工的基本要求，在工程初期采取安全防护措施。以超前大管棚注浆的方式对洞口段堆积体做加固处理，固结稳定后方可开挖。经过超前大管棚注浆施工后，开挖轮廓线的外圈形成棚幕和壳体结构，有利于提升洞口部位边仰坡的稳定性，给隧道进洞营造安全的施工环境，足以见得超前管棚注浆施工工艺在本隧道工程中的重要性。

（2）工艺原理。于管棚开挖部位的洞顶轮廓线周边范围内打设钢管，管内注浆，利用浆液固结岩土体。管棚的打设和浆液的注入均完成后，隧道纵向形成梁结构，横向形成拱结构，围岩与打设的钢管共同作用，形成刚度较大、稳固性较好的固结圈，经过加固施工后，围岩的自稳能力、承载性能均有显著的改善，围岩变形的可能性明显降低。

管棚由钢管以及钢格栅拱架构成，分别用作纵向支撑及横向环形支撑，围岩的变形将由于管棚的建设而受到抑制，从而保证围岩的稳定性。管棚加固的适用性较好，在某些具有特殊地质情况的隧道工程下，如强膨胀性地层、岩堆地段以及破碎岩体等，是一种可行的方法。

三、管棚支护结构的设置

（1）在距离隧道拱段开挖线10cm处的位置设置管棚孔，每环35根，间隔40cm。

（2）钢管是管棚的重要组成材料，采用的是壁厚8mm、外径φ108的无缝钢管。分段有序安装，其中第一段按奇、偶数编号，两者的钢管长度相差2m，其余部分的长度基本相同。每环的总长度是30m，两个相邻的节段通过螺钉连接，连接长度和连接稳定性均要达标。按梅花型布置的方式在钢管上布设φ10mm注浆孔，孔距50cm，尾端2m不钻孔（作为止浆段）。取适量固定短环及螺纹钢筋，构成一个坚固的钢制框架，将其置于钢管中，以增强其强度与刚性，其中固定环的长度为4cm，外径为42mm，壁厚8mm。纵向两组管棚的水平搭接长度不少于3.0m，以维持管棚整体结构的稳定性。

（3）将钢筋笼置于钢管内部，浇注浆料，采用钢筋笼及水泥浆增强钢管的刚性，维持钢管的稳定性。

（4）超前管棚注浆施工的浆液按照0.5：1的水灰比进行制备，局部的浆液扩散范围大或地下水发育时，采用水泥-水玻璃双液浆。组成浆液的原材料在质量、数量方面均要达标，而后在0.5～1MPa的压力下进行灌浆。

四、超前管棚注浆支护施工工艺的具体应用

1. 测量放样

（1）第一环大管棚

利用坐标法测定管棚的起始中心里程，确定中心线的垂直方向并沿着此方向按照每边2个的数量要求布设控制桩，进而沿着该方向设钢格栅，起到定位的作用。各导管的中心线方向也需精准测定而得，设置2根控制桩，在钢网两端焊接20cm长、φ20的短钢头，使装置起到引导作用。为了保持钢格栅的稳固，需在网架下面设置5个I18型工字钢，以此增加其支撑的稳定性。

（2）钻孔的控制

方向和倾斜度是钻孔时的重点控制指标：

①方向的控制。沿导管中心线方向钉2个方向桩，钻孔过程中以此为参照基准，准确控制钻孔的方向。

②倾斜度的控制。考虑两个方面：a.孔内，在距孔口2m处、1/2孔深处、终孔处用精密水平陀螺仪测量倾斜度，对比分析测量结果与设计要求，判断是否存在不达标的钻孔，若有需封孔、重钻。b.孔外：通过对钻头中心及管孔的高度进行测量，按照实测资料进行钻孔倾斜角度的控制。

（3）第二环大管棚

①围岩开挖后，将提前准备好的钢格栅支撑和锚杆布设到位，挂网喷射混凝土，覆盖开挖的岩面，避免由于外部因素的作用而导致岩面失稳。为第二环大管棚增设工作室，以便完成打设、挂网喷锚等相关工作，工作室的大小与设计的外形相比较稍微增大，其纵向剖面如图1所示。

图1 工作室纵断面

②洞内空间狭窄，在此特殊环境中施作第二环大管棚时，易由于空间侵占过多而导致后续工序难以顺利进行。为了克服这种限制，在钻机主体中部以上的初支拱处设置点，利用这些点的高程资料可以计算出钻机的中心高度，此时钻孔的倾斜度控制也更具便捷性，可根据钻孔和钻头中心两个点的高度精确控制。

2.钻孔

（1）对开挖剖面的中线和高程进行检验，以确定开挖的边长是否符合要求，如果正确，进行拱架施工，标示出管棚位置。

（2）有效改善钢框架的安装精度，中线和高程允许偏差为±5cm，纵向角度偏差为±2°。管棚孔沿着开挖剖面的纵剖面钻设，其钻孔次序见图2。

图2 两台钻机钻孔顺序示意图

（3）Ⅰ、Ⅱ部同时开孔，Ⅲ部和Ⅳ部同时开孔，施工人员听从指挥，控制开孔钻机的运行状态，使两台钻机同步运行。上导坑的开挖采取人工作业的方法，效率较低，需要加强现场协调，在确保安全、质量的基础上，增加管棚设置的工作效率，并为人工开挖提供充分的时间。

（4）严格按照所布置的孔位进行钻孔，孔底的位置误差应小于孔深的10‰，孔眼与设计值之间的误差不得大于±5cm。

（5）钻头选用φ130合金钻头，根据地质情况可适当调整，如遇孤岩时，可选用金刚石钻头。初期以低压、慢转的方法进行开孔，根据开孔状况及时采取控制措施，确认各项开孔条件均无误后，逐步提高钻速，进入正常钻进状态。根据地质条件的不同动态调整钻进参数，例如遇大孤石时以高压、低速的状态钻孔。清水护壁，定期清理取芯管内的岩芯。钻孔位置即将接近设计标高时，用水清理孔内的泥浆以及各类杂物，要求孔内保持干净，同时孔壁的完整性、孔深的顺直性各方面均要达标。

3. 配管

为维持大管棚结构的完整性和受力的稳定性，钢管接长时接头错开2m。钢管接长方法分第一环、第二环两部分进行选择，分别采用外套管法、丝扣法。

（1）外套管法：只在两个管道的连接外设置一条长40cm、φ127×4mm的外套管，用电弧焊技术来解决两个管道之间的间隙。

（2）内套管法：于一根管子的两端分别车公螺母、母螺母，螺纹深度不超过壁厚的1/2，长度不少于15cm。两根管套在一起后，用力拧紧。

4. 送管

在施工现场有足够的场地时，可以使用大型设备工作，机械设备的运行具有标准化特性，能够以规范的方式保证施工质量，同时减轻员工的劳动强度。第一环大管棚施工环节，用CAT320挖掘机挖斗向前送管；施工推进至第二环后，现场条件出现变化，场地偏狭窄，仅能采用钻机进行送管。钻完成孔后，由主动钻杆带动大导管，在转动时同步前进，使导管能顺利地推动到位。

5. 管口封闭

将带孔的钢板焊接在管道的端部，用注浆管与之焊接至一体。为满足注浆要求，采用三通构造的注浆管，一通为冲洗用，一通接塑胶管，一通接φ108×8的大导管。其中，冲洗孔的功能是对管内泥浆进行及时冲刷，防止因泥浆的固化而造成堵塞。

6. 注浆

（1）注浆施工参数

①在φ108×8mm钢管上，按照50cm的间距依次钻φ10mm出浆孔，在钢管末端2m处无需进行钻孔（用作止浆段）。

②在隧道内开挖等高处铺设钢管，其间距为0.4m，外倾角为1°，前后两排钢管水平搭接长度不少于3m，以维持钢管搭接的稳定性。

③单液注浆，按0.5：1的水灰比拌制浆液，遇浆液扩散范围大或地下水较发育的地区时，调整为水泥-水玻璃双液浆。水玻璃模数2.6～2.9，水灰比0.5：1，水泥浆与水玻璃的体积比为1：0.3。浆液制备完成后，以0.5～1.0MPa的注浆压力压注到位。

（2）注浆量的计算

用下式计算出大导管的灌浆量：

式中：r是泥浆的扩散半径，m；H是大导管的长度，取24m；η是岩石的孔隙度，取0.6；a是填充系数，取0.3。

（3）浆液的制备方法

①向拌和机内按比例掺入材料后进行搅拌，得到均匀性较好的水泥浆液。基本流程是：放水过程中加入外加剂进行搅拌，水量加至设计值后，做1min的搅拌，而后投入水泥并持续不少于3min的搅拌处理。

②注浆采用水玻璃浆液时，将浓度控制在25～40oBe，采取边加水边搅拌的方法，通过水的加入稀释水玻璃。搅拌过程中用波美计测量，对水玻璃浆液的品质进行判定。

（4）注浆方法和注浆顺序

①注浆方法：根据施工场地地质条件、钻孔规格以及器械设备性能等因素，采用全孔灌浆技术，其基本过程是从钻孔底部，一次完成孔内的注浆作业，即注浆作业连续进行，注入的浆液需饱满密实。

②注浆顺序。按照“先无水孔、后有水孔”的顺序注浆，优先从拱部开始，按照对称的方式向下部推进。注浆施工人员加强观察，存在跑浆、窜浆现象时，调整为间隔一孔注浆的方法，必要时间隔多孔注浆。通过止浆阀的应用，使注浆后的孔内压力维持稳定，以便浆液的有效固结。注浆压力是影响注浆效果的关键指标，需根据地层条件和注浆范围做灵活的调整，通常需使浆液扩散至管周0.5～1.0m的半径范围内。

（5）注浆结束条件

当满足下列情况时，完成单孔注浆工作：注浆压力应满足设计要求，注浆量大于理论计算值80%。

当满足下列情况时，完成全部区域的注浆工作：每一孔的注浆效果均满足上述规定（根据上述单孔的完成条件），且未见注浆孔存在漏浆现象。

五、结语

综上所述，为解决隧道施工中的围岩失稳问题，工程从现场地质条件出发，在开挖前做好超前管棚注浆作业，利用搭建的管棚和注入的浆液稳固围岩，营造安全的隧道施工环境。经过本文有关于超前管棚注浆施工工艺的分析，明确了大管棚支护的结构特点，提出超前管棚注浆施工的流程及具体作业要点，包含管棚搭设、浆液制备、注浆等细分作业内容，希望所提内容可作为同仁的参考。