管棚法处理隧道塌方施工技术

(中铁六局 呼和浩特铁建公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章介绍了隧道塌方管棚法处理的施工技术。根 据开挖断面的实际地质情况，对本隧道塌方原因进行分析，结合同类工程施工经验对隧道塌 方段采用大管棚法，结合掌子面深孔注浆，从而使隧道掘进方向的掌子面、拱顶、边墙全方 位区域的围岩达到固结作用，确保隧道开挖施工顺利进行。施工结果表明，该技术对处理隧 道塌方有很好效果。 
关键词：隧道塌方；大管棚法；深孔注浆
中图分类号：U457  文献标识码：C  文章编号：1007—6921(2009)14—0096—03
1 概述 

阮家窑新建双线隧道位于内蒙古丰镇市境内，全长935m，隧道进口至DK425+572.6位于缓和 曲线上,其余洞身段至DK426+360位于R=1200ｍ曲线上。隧道地貌单元为玄武岩低山丘陵区， 地形起伏。隧道最大埋深60m。
隧道范围内岩层：出口设计为69mVI级围岩，属第三系始新统玄武岩，灰黑色为主，局部紫 红色，弱风化，节理、裂隙很发育，岩体破碎-极破碎，呈角砾状、碎块状、块状，隐晶质 结构，块状、气孔状构造，孔隙充填砂类土、黏性土、粉质黏土，块石土稳定性差。隧道出 口开挖断面为B×H=13.6×11.72m。
2 塌方情况及原因分析
2.1 塌方情况简介

隧道出口段69mVI级围岩，设计采用交叉中隔壁法(CRD法)施工，在  隧道出口线路右侧上台阶施工至DK426+436.4处时，在施做超前小导管时，掌子面再次 发生滑塌，在清理塌体时发生了大规模的塌方，由于北方气候的原因，顶部有约2.0m厚的 地表冻结层暂未塌落， DK426+436.4-DK426+437.6段I20a型钢拱架也被压垮。塌方块体充满 了整个断面并封闭了塌腔，据技术人员粗略测量，本次塌方形成一直径约6m，高约13m的塌 坑，造成连同拱架、锚杆及钢筋网在内的以玄武岩碎块石、砂土为主的塌方体约500m³ 。该段隧道处于浅埋段，以玄武岩碎块充填砂类土为主，极不稳定，急需进行加固处理。
2.2 塌方原因分析

经业主、设计、监理及施工方各方现场调查分析后认为隧道本次塌方主要由地质因素和施工 原因引起的。
地质因素：断面围岩突然变化，塌方段地层岩性为玄武岩碎块石，中间填充砂类土，层间黏 结力差，围岩极不稳定，属VI级围岩。
3 塌腔的处理

为确保隧道洞内施工安全，先采用机械掀顶，然后采用机械加人工削坡的方法，将塌穴四周 的倒坡或直立坡削至1：0.2～0.25的正坡，然后再搭设十字形钢横梁安装模板，用输送泵泵 送C20混凝土，在隧道拱顶塌穴范围内形成3.0m厚的混凝土护拱，以确保施工安全，待隧道 内塌方段拱墙衬砌完成后，再回填夯实，恢复地面。
4 塌方处理方案及措施
4.1 塌方段大管棚法施工处理方案
4.1.1 支护形式

支护采用“管棚+钢拱架+系统锚杆+碳素加强筋纤维喷射混凝土支护”的方法。支护工艺流 程为：管棚施工—钢拱架架立—系统锚杆—27cm厚钢纤维喷射混凝土。管棚参数：孔深18m ，采用Φ108×5热轧无缝钢管，每节长3m，以长150mm的丝扣连接，打设仰角1°。管棚沿拱 部120°范围布置，间距3根/m，单侧布置18根。钢管内配置等长度的3根Φ22钢筋束，钢筋 束侧边布置Φ25PVC注浆管。

钢筋接头采用对焊焊接，管壁上间距200mm钻Φ20小孔。钢管中注水泥-水玻璃双液浆，浆液 材料：P042.5水泥；水灰比：1∶1～1∶0.75；施工中视实际情况可加入适量缓凝剂。注浆 初压力0.2～0.5MPa，终压力0.6～1.0MPa，注浆半径不小于1.0m。注浆结束后用M30水泥 砂浆充填，以增强钢管强度和刚度。管棚端部应与格栅钢架焊接使钢架与管棚共同形成棚架 支护体系。止浆墙采用C25碳素加强筋纤维喷射混凝土，混凝土厚度12cm。钢拱架主要参数 ：钢拱架采用I20a型工字钢制作，间距0.6m。每榀钢架底角各设4根Φ42、L=3.5m的锁脚锚 管并注浆。相邻钢架用Φ22mm钢筋焊接连接，间距为1.0m，上台阶右侧每圈布设10根。上台 阶右侧每榀格栅钢架分7个单元，各单元由连接板焊接成型，单元间由螺栓连接，钢板规格2 40×240×14(mm)。

系统锚杆：拱部采用Φ25mm，L=4m中空锚杆，间排距0.75m×0.75m，梅花式布置；拱墙采用 Φ22mm，L=4m砂浆锚杆，间排距0.75m×0.75m，梅花式布置。
C25碳素加强筋纤维喷射混凝土27cm。
4.1.2 管棚施工工艺
4.1.2.1管棚施工顺序。工作面封闭(12cm厚C25喷射混凝土支护)， 工作台架设，管棚定位并确定轴向标志，架设 钻机，钻孔施工，高压风清管，注浆，撤除工作台架及钻机转入开挖施工程序。
4.1.2.2 管棚施工程序。管棚用Φ108×5mm无缝钢管，环向间距3根/m；布设方向与路线中线平行，仰角1°(不包括 路线纵坡)。管棚分节段制作安装，节间用丝扣连接。

本工程采用地质钻机钻孔，因该段垮塌松散体夹杂有大小不均的各类岩石，直接施工进入和 成孔后再置入Φ108钢管这种施工工艺无法实施，故采用异型接头把钻杆与钢管连接起来， 钢管前端安装合金钻头，钢管随进度连续接长的施工工艺完成。管棚钻孔达到18m深度退出 偏向时，将管内石、粉尘采用高压风清除，然后置入Φ22钢筋于Φ108钢管中，最后用止浆 阀封孔，注浆泵注浆，使管棚圆周50cm范围内达到固结，注浆结束后，管棚钢管内用M30砂 浆填充增加刚度。施工前，在拱脚选2个孔做试验孔，找出地层特点，并进行注浆和砂浆充 填试验 

施工准备：施工准备的主要工作是设备配置，根据设备要求开挖工作室，并作好支护。主要包括钢管的 加工。

棚管采用φ108mm热轧无缝钢管分节制成，丝扣连接。钢管前端做成锥体以便安装，管尾焊 接法兰盘与注浆管尾端连接。

砼导向墙施工：支立格栅钢架两榀，间距0.6m,施作砼导向墙，预埋导向管。工字钢与管棚导管焊成整体。 导向管及工字钢固定时需精确测量定位。

钻孔：①搭设钻孔平台。采用一定直径能满足施工承载力的钢管搭设脚手架，根据制作的钢管的单节长度搭建操作平 台。平台支撑要着实地，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 移等影响钻孔质量。②测量定位、架立钻机。在大管棚施工掌子面按照3根/米测设出每根钢管的中心位置和标高，用来控制设备和钢管的 就位以及施工过程中的检查和调整，保证钢管的施工精度。沿导向管孔精确核定孔位。为准确控制管棚的方向，钻机用经纬仪测定水平方向，水准仪控 制其纵坡，以便对导向管位置发生偏移等情况及时调整。此外，为保证钻机在钻进时不产生 偏移和倾斜，钻机与工作平台应牢固连接。③钻孔。钻孔选用比管棚直径大20mm～30mm合金钻头，在钢管一端管口焊接。钻机采用地质 钻机，隔孔施钻。开孔时，低速低压，待成孔0.1m后，适当加压，在土质层中钻孔采用低 压钻进。钻进采用一次成孔法，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，钢管前端安装合金钻头 ，钢管随进度连续接长，总长18m。钻孔采用特制精密水平陀螺仪检测偏斜，随测随调整。 

钻孔顺序：为便于施工操作，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。钻孔方向及角度：在确定管 棚钻孔方向及角度时，除考虑水平方向的同时还要充分考虑纵坡及钻头、钻杆自重等因素可 能给钻孔造成的影响。
质量控制措施：管棚钻孔质量：严格控制钻孔最大下沉量及左右偏移量在15cm～20cm范围内。棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和交叉。管棚钻孔时每钻进2m进行一次钻杆轴线检查，误差超限及时纠偏。

注意事项：钻孔前应先检查钻机各部位运转是否正常，检查水压能否达到施工要求。掌握好开孔与正常 钻进的压力和速度，防止断杆事故。钻孔速度应保持匀速，特别是刚开钻和钻头遇到夹泥夹 沙等松软土(岩)层时，就更要控制钻进速度，避免夹钻现象。在钻孔过程中要定时用测斜 仪器检查钻孔的倾斜度和方向，发现偏斜及时纠正。管棚钻孔达到18m深度退出偏向时，将 管内碎石、粉尘采用高压风清除，最后在管端焊接法兰盘和止浆球。

为保证管棚管的焊接相连处不集中在同一断面，相邻两孔的管棚管接头应前后错开，确保受 力情况良好。
注浆：钢管周围及孔口采用塑胶泥封堵，预留排气孔；注浆前先进行压水试验；在施工中，根据设 计参数和围岩情况试验调整，以达到预期效果。

注浆顺序及方法：注浆顺序由低位管至高位管进行。采取与钻孔流水作业，成孔一根注浆一 根，采用活塞式注浆机，将压浆管与钢管内的PVC管连接，利用法兰盘牢固连接压浆头，防 止压浆管退出伤人。为防止孔内积水和检查注浆效果，在法兰盘上部斜插一根Ф6mm的排气 管，即可及时排出钢管内的水和空气，又可观察注浆情况。浆液配合比：注浆采用水泥浆及 水泥—水玻璃双液浆配合进行。配制注浆液体时，各种材料应严格按配合比进行计量，浆液 采用机械强制搅拌，搅拌时间不小于2min，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，不宜过大，以能 连续缓慢注入为准，这样浆液能由底向外缓慢挤出，使浆液能有效地将孔内残存积水排出和 填充围岩细微空隙。水泥浆压注工作应在一次作业中连续进行，不得中途停止或中断。

注浆控制要点：注浆的水灰比、初压力和终压力根据现场试验确定，并根据施工实际情况予 以调整。

单液注浆时，若水泥浆压力突然升高，可能发生堵管，应停机检查。双液注浆时，水泥与水 玻璃压力突然升高，则应先关停水玻璃泵，进行单液注浆或注清水，待泵压正常时，再进行 双液注浆；若进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间 ，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝结，但停留 时间不能超过混合浆的凝胶时间，避免产生注浆不饱满。

注浆质量检验：在检查孔内进行波速测试，与原围岩波速进行比较，确定注浆效果。当注浆 压力达到1.0MPa，并持续稳定10min以上，可停止注浆并及时关闭止浆球阀，防止浆液回流 。所有钢管第一次注浆结束后，考虑到水泥浆凝固收缩的因素，可根据具体情况进行二次注 浆。注浆完毕用铁锤敲击钢管，如响声清脆，说明浆液未充满钢管，需采取补注或重注；如 响声低哑，则说明浆液已填满钢管。注浆结束后将管口用水泥砂浆紧密充填，增强管棚的刚度和强度。
4.2 人工开挖上台阶并架设上台阶拱架支撑

采用人工凿挖法开挖，遇到大孤石放小炮，上台阶预留核心土以便施工，循环进尺控制在0. 8m之内。拱支撑采用I20a工字钢制作，拱支撑的中心间距为0.6m；工字钢架设时要将两榀拱 支撑焊缝焊好，并用14mm厚的连接板加强连接；拱支撑安装到位后及时焊接Φ22、环向间距 为100cm的连接筋。竖隔壁支撑及临时仰拱同样采用工字钢制作，工字钢间距与上台阶顶拱 的工字钢间距一致，并焊接牢固；竖支撑安装连接后，仍采用Φ22钢筋连接成一个整体如在 开挖时发现掌子面围岩仍较松散，或仍有滑塌现象，可先封闭掌子面，对掌子面塌体采取深 孔注浆的方法经行加固，注浆孔平均孔深14m，浆液采用水泥水玻璃双液浆，利用地质钻机 钻孔，采用前进式单管注浆及时进行封堵，待处理好后再钻到一定深度，采用边回抽边注浆 的方式进行注浆。

根据注浆扩散半径计算，孔距一般为0.6m～15m，本工程拟采用1.0m，施工中要测量布孔 ，孔位梅花型布置，在开挖轮廓线处要尽量紧靠开挖轮廓线布孔。

注浆材料：P042.5水泥；水灰比：1∶1～1∶075;水泥浆∶水玻璃=1∶1，施工中视实际 情况可加入适量缓凝剂。施工中注浆压力：初压控制在0.2～0.5MPa，稳压控制在1.0～3. 0MPa。

注浆工艺控制原则：选择注浆材料，以考虑所用材料有利于浆液扩散及加固体的固结强度为 重点，确保注浆效果；凝结时间，先序孔快，后序孔慢，有利于浆液在有效区域内扩散；注 浆量，压力控制原则，先控量，后控压，即先序孔以定量为原则，后序孔以压力控制为先决 ；隔孔跳孔施工，互为检查孔原则，即后序孔施工时通过钻孔情况，判断先序孔注浆效果， 为合理调整浆液配比及选择浆液材料提供科学依据。
4.3 打锁脚锚管、挂网喷混凝土

Φ42锁脚锚杆在一定程度上起固定拱脚的作用，选用Φ42无缝钢管，长度为3.5m，外漏部分 用Φ22钢筋与型钢的拱脚焊接牢固。网片采用Φ6.5×Φ8钢筋制作，间距@20cm×20cm，钢 筋网应铺设在纵向连接筋与岩面之间，与围岩的间隙不大于5cm，同时将钢筋网通过焊接与 型钢连接为整体。混凝土喷护厚度为27cm，喷射混凝土面必须保证平整。最好将整个第一次 支护的受力骨架覆盖，使第一次支护形成一个受力整体。
4.4 塌方渣体清除

由于塌方体主要为玄武岩块石土,细颗粒含量较大,开始的管棚灌浆效果不明显,未达到理想 的固结范围,故出渣时,利用人工配合反铲装载机出渣，并保留中间堆积物。在已形成支护段 打设系统锚杆,深4m,间排距0.75×0.75m,采用单孔单灌法进行回填灌浆。这样使塌方体小空 腔进一步充填密实。并与已完成的初期支护钢拱架混凝土及混凝土护拱形成4～5m厚的固结 圈。保证了隧道上台阶的稳定。
5 结束语

大型隧道的前期地质工作一定要认真细致,为设计、施工提供翔实资料,以免发生类似的塌方 ，既增加工程投资，又影响主体工程进度。

隧道塌方不可盲目出渣、强行掘进。首先应对塌方体表面进行封闭,使其保持相对稳定,尽可 能减少扰动次数,避免造成冒顶塌方。

超前管棚注浆既是基础又是前提。通过管棚注浆固结使塌方渣体形成了一个整体,提高了岩 石的强度级别,是塌方处理的关键。沿洞顶轴线设置超前管棚,对阻止塌方体下滑起到重要作 用。
回填灌浆是补强。根据3个多月的现场观测,回填灌浆的11榀拱架与混凝土护拱形成一整体, 强度明显提高,没有出现渗水现象。对后期下底开挖与浇筑混凝土奠定了坚实的基础。
［参考文献］
［1］ 中铁二局集团有限公司.铁路隧道施工规范［S］.北京：中国铁道出版社，200 2.
［2］ 中铁隧道集团有限公司.铁路隧道施工作业技术手册［M］.北京：中国铁道出 版社，2007.
［3］ 中铁二局集团有限公司.铁路隧道施工质量验收标准［S］.北京：中国铁道出 版社，2004.