管棚支护在塌方中的应用

1 工程概况与地质概况
　　尖山1号隧道为杭瑞高速遵义至毕节段的双车道隧道，是该合同段控制工程。当隧道开挖至ZK1745+065时遇到断层，原设计为S-Ⅳb结构衬砌，采用上下台阶开挖，格栅拱架加φ22药卷锚杆支护。
　　当上台阶施工到ZK1745+061时，由于地质条件急剧变坏，频繁坍方。撑子面围岩为碎石土及粉质粘土，遇水呈流状。ZK1745+061上台阶坍方堆碴涌至ZK1745+068致使ZK1745+061～ZK1745+068段初支变形。后采取不连续的清碴办法，但每次清碴至工作面后，又发生塌方，恢复原状，并且岩碴由原先的粉末状变为间杂1～3M3的巨大岩石，撑子面上方地表出现塌陷。
2 坍方体处理施工技术方案
　　2.1 施工方案与治理原则
　　2.1.1 施工方案
　　根据坍方体的工程地质特点，ZK1745+061～ZK1745+068段初支变形段在拱部251°范围内施作Φ42*4小导管注浆加强，小导管长6m。对ZK1745+043～ZK1745+065段拱部采用Φ108*6mm长管棚，管棚环向间距40cm。长管棚施作前先对撑子面进行反向回填土，回填成台阶以防止撑子面向前推移，然后用C20喷射混凝土对撑子面进行封闭以防止管棚注浆流失。管棚在施工中若遇空腔则利用管棚泵送C25混凝土回填，管棚采用分区间隔施工，先钻孔施工奇数孔位管棚，待注浆完成后再施工偶数孔位管棚，以便检查奇数孔位注浆效果。
　　2.1.2 技术难点与关键
　　(1)长管棚与注浆在拱顶形成了稳固可靠的固结壳，注浆是松散坍体固结成整体，作为支承松散坍方体超前支护体系(保护壳)，是保证开挖安全和防止坍方的进一步扩大的关键技术。管棚与超前注浆构成了超前支护的主体，是坍方处理的关键技术。
　　(2)坍方体内大部分为中风化泥灰岩局部夹薄层泥岩及灰岩，且又局部存在溶腔，施钻困难，成孔性差、容易卡钻、下管难度大。这些问题的解决直接关系到管棚的安装成功率和注浆的效果，也是坍方处理的难点所在。
　　(3)坍方段地处断层破碎带，坍方体松散度大，局部又存在溶塌空腔。
　　2.2 治理的原则
　　施工方案和治理原则可简单概括为“管超前，预注浆，多循环，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”。
　　3 施工技术要点
　　3.1 施工工序与步骤
　　撑子面反向回填→喷射混凝土封闭撑子面→管棚施工→上台阶开挖及支护→中台阶开挖及支护→下台阶开挖及支护→二衬。
　　3.2 撑子面反向回填
　　在长管棚施工前，应对撑子面进行反向回填以防止撑子面向前推移，另外为管棚施工提供工作平台。
　　3.3 喷射混凝土封闭撑子面
　　回填完成后对撑子面进行喷射C20混凝土封闭，防止管棚注浆是注浆量流失，并让松散塌体达到更好的注浆固结。
　　3.4 长管棚试作与注浆
　　3.3.1 管棚参数
　　钻孔仰角4°～6°（不含路线纵坡），管棚间距40cm，管棚长度22m，采用Φ108×6mm热轧无缝钢管，共计39根管棚。
　　3.3.2钻孔工艺
　　预设Φ127 导向管→Φ120套管钻进15m →Φ110 钻孔钻进22m →下管(带Φ110 钻头) →取出Φ108 套管→封孔注浆。
　　3.3.3 管棚注浆
　　注浆分三序孔注入,注入顺序依次为C - S 浆、水泥浆、水泥砂浆。注浆应在钻孔下管完成后立即进行，以便在钻相邻孔时可做为当前注浆孔的检查孔。所有管棚钢管均以30号水泥砂浆充填，以加强钢管的刚度。
　　注浆参数：
　　双液浆:水泥浆W∶C = 0.8∶1～1.5∶1 ,水玻璃浆35Be″，C∶S =1∶1～1∶0.3 ，注浆终压 2MPa，注浆速度30～60LPmin，凝结时间3～5min，缓凝剂加入1 ％～3 ％，扩散半径1m。
　　单液水泥浆：W∶C = 0.8∶1～1.5∶1，注浆终压2MPa，注浆速度30～60LPmin，凝结时间10～15h，速凝剂加入3％～6％。扩散半径在管棚注浆时为1m，而在工作面预注浆时为1.5m(工作面主要为坍方松散体) 。
　　水泥砂浆：30号水泥砂浆，充填钢管和充填较大的坍方空洞。
　　3.5 开挖与初期支护
　　初期支护与开挖紧跟，即每开挖一个循环立即立拱挂网喷砼施作初期支护。开挖分上、中、下三台阶分部施工，台阶长度≤3M，开挖进尺0.5~1m。因坍方体高度不明，开挖后洞室变形及结构承载力不能较为准确的计算，为防止变形过大造成初支结构侵入衬砌净空，根据工程类比在开挖中预留15cm的下沉量，即扩大开挖断面15cm。
　　4 施工中的问题与解决措施
　　4.1 存在的主要问题
　　(1) 管棚孔的施钻与管棚制安中，主要存在卡钻、掉钻头、坍孔、退钻与顶管困难等问题。其主要原因是施钻范围中风化泥灰岩局部夹薄层泥岩及灰岩，而且局部存在溶塌空腔，从而致使钻孔成孔与下管极其困难。
　　4.2 主要技术措施
　　4.2.1 带钻头顶管
　　采用套管跟进施钻只能有效地解决坍孔、卡钻等技术难题，因为套管跟进越长孔壁周坍碴、碎石与管壁的摩阻力就越大，钻进负荷扭矩也越大，致使钻进困难，同时也容易产生管接头因扭矩大而损耗断管等严重事故，一旦发生断管现象，则整个孔将被废弃。
　　4.2.2 总体施工工序的调整
　　按设计，应首先进行工作面预注浆，在此基础上进行管棚施工。但由于工作面注浆量大，注浆工作时间长，造成钻孔作业空闲时间多。为此，对施工工序进行了调整,即在工作面注浆的同时穿插进行部分管棚孔的施工。
　　4.2.3 注浆施工的技术措施
　　采用间隔注浆获得注浆加固效果在进行管棚注浆时关键是获得管棚内外形成厚约2m的注浆加固圈，但由于坍体内有许多块石相互棚架，致使坍体内空洞大而多，这些空洞有的直接与坍空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至坍空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固圈无法形成。
　　5 施工质量与效果评定
　　(1) 导向管外插角为4°～6°，间距40cm，满足设计与规范要求，为保证管棚制安精度创造了条件。
　　(2) 管棚孔钻进过程中仅有一个孔打偏与另一管棚相交,仅占管棚总数的2％。根据下管记录，因卡钻、断管等原因39根管棚中只有4根共计17m 未顶进，仅占设计管棚总长度的1.1％。根据开挖所揭示的情况，管棚制安基本达到了整齐划一的要求，在开挖线外形成了稳固的护拱棚架作用，总体质量达到了优。
　　(3) 每二序孔钻孔时出现了全孔回水，钻孔、下管容易,钻孔物中有水泥凝结块等现象，与开始*一序孔钻孔时卡钻无回水形成了对比，说明*一序孔注浆已起到了明显的效果，并达到了固结充填的好效果。
　　(4) 根据注浆记录,第二序孔注浆时注浆压力上升明显快于开始注浆时，也说明坍方体空洞回填充实。
　　(5) 管棚施工完成后在工作面共打检查孔3 个，前12m回水好，12m后回水逐渐减少，16m后基本无回水，说明注浆效果前段要好于后段。
　　根据以上分析，注浆加固可分为三段，注浆效果很好段、较好段、一般段，开挖施工时在后5～10m 段要特别引起注意，并加强周边注浆。开挖事实证明，注浆效果的判断是正确的，前15m开挖坍碴固结效果良好，管棚与注浆结石体形成了良好的棚架护拱作用，小导管仅作超前锚杆使用，后10m 坍碴固结整体性较差，*终也安全通过。
　　6 结束语
　　(1) 管棚施工完成后，仅用了不足20天时间即完成了22m坍方段开挖施工，整个开挖过程安全顺利，*大变形量仅有39mm。这进一步验证了大管棚在长大坍方处理中的重要作用。
　　(2) 根据开挖中揭示的情况，注浆固结体与管棚的共同棚架护拱作用是确保开挖顺利，防止坍方继续发展的重要因素，在管棚施工中必须重视注浆对地层的改良作用。
　　(3) 在坍碴与破碎岩体中，套管跟进是确保管棚施工质量与精度的重要方法之一。