隧洞超前小导管支护的探讨

隧洞超前小导管支护的探讨

张庆喜

中咨工程建设监理有限公司北京100000

摘要：超前小导管注浆施工方法在隧洞施工中已得到了广泛的应用。超前小导管是沿开挖线以稍大的外插角向开挖面前方安插注浆小钢管以形成对前方围岩的预支护，使后续作业在提前形成的围岩支护圈下进行，从而保障各项后续作业安全进行。超前小导管注浆施工是对风化、堆集岩石及裂缝发育较全本身难以自稳的施工面预先向注入水泥浆、水玻璃等材料充填裂缝，防止出现渗水的情况，岩石用胶结。这样是为了使周围岩体的抗剪强度提高，进而能加固围岩，让岩体的整体性完整，同时能抗渗，且岩体结构稳定。施工中的小导管与钢支撑拱架连接，与岩体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。目的是为了防止隧洞开挖时掌子面前方围岩不能自稳而出现坍塌。苏州高新区建成区水环境整治工程二期六标段的164m穿山隧洞,比较了管棚施工与超前小导管施工的优越性后,施工采用超前小导管支护的施工工艺。本文对其超前小导管支护的施工工艺加以探讨,以供类似工程参考。以水工隧洞开挖中软弱地层施工为例,阐述了超前小导管注浆中小导管的制作、安装和注浆施工方法,以及超前小导管注浆的质量保证措施。采用超前小导管预注浆的辅助施工方法,有效防止了隧洞坍塌事故的发生,保证了工程质量和施工安全,提高了施工效率。

关键词：隧洞；超前小导管；支护

1工程概况

苏州高新区建成区水环境整治工程二期六标段的164m穿山隧洞及958m暗埋箱涵布置如下:

a.U形河道以东至皇晏岭山体段288m采用暗埋箱涵,箱涵内径尺寸为4m×3.5m,箱涵底高程1.5m。b.皇宴岭山体段164m采用穿山隧洞,入口为皇宴岭东侧,出口为皇宴岭西侧,隧洞底高程1.35m(入口)~1.50m(出口),断面采用圆拱直墙式,圆拱中心角90°。衬后尺寸为宽4.0m,直墙段高3.5m,圆拱半径282.8cm,C20W6混凝土衬砌厚50cm。c.隧洞以东至马运河段647m穿越居住区,采用暗埋箱涵,箱涵内径尺寸为4m×3.5m,箱涵底高程1.35m。箱涵完工后上覆土与现状地面衔接。

2工程地质与水文地质情况

2.1隧洞西侧

隧洞西侧洞口处自然坡向东倾,山体自然坡角约20°~30°,自然边坡稳定,隧洞洞口附近植被较茂密,为树林、灌木,上部覆盖层为黏性土,厚度约3.0m,表层0.3~2.0m为素填土,土质松散,工程地质条件差,下部为粉质黏土夹重粉质壤土,含少量重粉质壤土夹中粉质壤土层,褐黄色,硬塑,下伏基岩,以弱风化花岗岩为主,岩石顶面坡角约18°~25°。节理裂隙发育,隧洞埋置浅,地下水以孔隙潜水和基岩裂隙水为主,围岩稳定性一般,综合评定围岩为Ⅲ级,施工时易产生较大规模坍塌和掉块。建议加强支护、及时衬砌,施工时做好超前地质预报,避免雨季施工。

2.2隧洞东侧

隧洞东侧洞口原为村庄,现为拆迁工地,C2~C3孔段位于斜坡及山体中部,表层为残坡积土,下伏基岩,风化强烈,节理裂隙发育,岩性以微—弱风化黑云母花岗岩为主,岩石顶面坡角约18°~25°,岩体较为完整,围岩稳定性一般,上部覆盖层厚度小,地下水主要为孔隙潜水及基岩裂隙水,施工时可能发生崩塌和掉块,综合评定围岩稳定性为Ⅲ级。建议加强支护、及时衬砌,施工时做好超前地质预报,避免雨季施工。

C3孔以东段位于山体东部,引水隧洞主要穿越土层为素填土层、粉质黏土夹重粉质壤土层,含少量重粉质壤土夹粉质黏土层。强风化黑云母花岗岩,土层变化较大,施工时拱部无支护可能产生坍塌,地下水类型为孔隙潜水和基岩裂隙水,预计在雨季,洞室会出现淋雨状出水。建议加强支护,及时衬砌,施工时做好超前地质预报,避免雨季施工。

3隧洞总体安排

隧洞洞身开挖采用新奥法施工,爆破采用全断面光面爆破和预裂爆破技术,严格控制超欠挖,尽量减小对围岩的扰动。

掘进打眼采用YT-27型风动凿岩机,ZL-50装载机出渣,农用运输车运渣,空压机供风,隧洞二次衬砌采用10m自行式全断面钢模液压台车,采用C20商品模注混凝土。

4隧洞原设计施工方案

喷C25塑钢纤维混凝土,厚6cm(挂网8@20cm×20cm);22@1.0m连接钢筋与钢拱架焊接,采用16号工字钢拱架(榀间距1.0m);加喷C25塑钢纤维混凝土厚16cm;C20W6钢筋混凝土衬砌厚50cm;导管双层梅花形环向布置±25cm@15cm,纵向±16cm@20cm。

5实地勘察地质情况说明

苏州高新区建成区水环境整治工程二期六标段隧洞入口(BK0+000)、出口(AK1+181)现已开挖,根据现场开挖情况看,洞顶为Ⅴ级全风化黄褐色黏土,覆盖层厚度10m左右,其中4m左右为堆积层,雨季富水、松散、自稳性差、易坍塌,6m左右为残积层,黄褐色加杂质泥岩,局部有渗水。洞身及洞底为重粉质壤土夹杂灰质泥岩,遇水易溶化滑塌,与勘察设计不符。

6超前小导管支护

6.1支护设想

考虑到洞顶覆盖层较厚,按原设计无法保障安全进洞施工,为此在比较了管棚施工与超前小导管施工的优越性后,认为超前小导管更具可操作性和灵活性,因此在隧洞开挖过程中,拱部增加双排42超前小导管,同时考虑到土质围岩条件下钢拱架没有形成封闭环结构,容易产生沉降,故建议加密16号工字钢拱架,隧洞底部增加16号工字钢地梁与钢拱架焊接,考虑到底部承载力,底部基础混凝土增加50cm厚C25混凝土。具体支护参数如下:a.喷射C25塑钢纤维混凝土厚度为6cm(挂网φ8@15cm×15cm)。说明:1.小导管采用42×4mm(壁厚)无缝钢管。2.小导管浆液扩散孔采用梅花形布置,间距为30cm,孔径1cm。b.16号工字钢拱架加地梁(间距50cm)。c.50cm厚基础混凝土。d.拱部双排φ42超前小导管加注浆,长度为5m,环向间距为40cm,循环搭接长度大于1m。e.加密φ22拱架连接钢筋间距为50cm。f.加喷C25塑钢纤维混凝土厚度为16cm。g.C20W6钢筋混凝土衬砌50cm。h.导管双层梅花形环向布置±25cm@15cm,纵向±16cm@20cm。

6.2施工方法

根据设计图纸,首先进行测量放样,将隧洞开挖轮廓线放样定位。沿开挖轮廓线拱部环向间距40cm布孔,使用YT-27风枪、50钻头先打设第一排孔眼,外插角15°,孔深5m,完毕后将5m长42超前小导管顶入,顶入长度不小于95%管长,然后再进行第二排孔眼打设,与第一排错开,梅花形布置,环距40cm。打设安装完毕后进行注浆,注浆水灰比为1∶0.45,注浆压力为0.1~1MPa,小导管采用间隔注浆法,注浆完毕后将注浆孔进行封堵。遵循“短进尺,强支护”的要求,开挖按50cm/循环,及时支护钢拱架,间距50cm/榀。

6.3变形监测

根据监测方案共布设8个基坑坡顶水平位移、沉降观测点、16个周边环境沉降观测点,观测点依据现场施工进度依次布设。从2016年6月27日开始测试部分初始值及布设位移、沉降等各类监测点,至2016年9月1日施工至隧洞贯通,提供了28次观测报告。

a.水平位移变形监测。各监测点在挖土及隧洞爆破阶段内变形较大。隧洞段最大水平位移累计量为4.4mm(SD18),未超过报警值。

b.竖向位移变形监测。各监测点变形总体稳定。隧洞段沉降最大累计变化量为-4.65mm(SD5),累计量及变化速率未超过报警值。

c.隧洞净空收敛变形监测。各监测断面收敛总体稳定。最大收敛值为2.7mm,隧洞净空收敛累计量及变化速率未超过报警值。

结论

在洞顶覆盖层较厚且土质较差的情况下,采用超前小导管支护可以充分发挥其优越性,满足设计及施工的要求。

参考文献：

[1]崔金平.隧道穿越断层破碎带的小导管注浆处治研究[J].水利与建筑工程学报,2011(4):97-99.

[2]宋卫民,李傲松.超前小导管注浆支护在黄金坪隧道的应用[J].东北水利水电,2011(10):17-18.

[3]刘天宇.超前小导管在隧道工程中的应用及数值模拟[J].土工基础,2013(2):67-70.