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目錄

1 前言

2 方案比選

3 方案特點

4 施工工藝流程及操作要點

5 主要結論和創新點

施工背景

根據地質鑽探SGZK-NYSSD-6鑽孔資料和連續超前地質預報表明，南陽山隧道SK50+477～435.5段洞身穿越泥岩及砂礫交界地層。拱頂泥岩層圍岩節理髮育，岩性軟弱，厚度0.6～2.0m不等，泥岩之上的砂礫層厚度22m左右，砂礫層主要由礫石及砂粒組成，礫石含量55%左右，鑽孔岩芯採取率低，岩芯呈散體狀，砂礫岩膠結較差，砂礫層鬆散、富水。施工中泥岩層滲水，遇水軟化，產生收斂變形，局部可能出現線狀水流、涌水現象，隧道洞室開挖若拱頂揭穿該層極易產生冒頂塌方現象，圍岩穩定性極差。為規避隧道施工風險，保證隧道安全施工，尋求安全、經濟、合理超前預支護方案穿越鬆散砂礫地層。

研究意義

隨著高速公路建設的快速發展，公路隧道的修建里程也隨之增加，與此同時，隧道穿越軟弱破碎、鬆散、整體性較差圍岩施工中面臨的技術問題、技術難題也日漸突出，特別是在通過淺埋、軟弱破碎岩體、塌方段等不良地層，施工難度大，施工風險較高，安全性差。因此選擇合理的施工方案和支護參數，有效地控制施工引起地表沉降，保證地層安全穩定，儘量減少對周圍建築物或環境的影響，保證圍岩軟弱和淺埋地段等不良地質條件下隧道的安全施工是亟需解決技術難題。

方案比選

1、預支護方案對比選擇

隧道施工中順利通過淺埋、軟弱破碎岩體、塌方段等不良地層的預支護方法眾多，常規施工方法有超前小導管、超前錨杆、鑽孔注漿等預支護體系,但支護效果在減少對周圍建築物的影響、有效保證地層安全穩定性、控制地表沉降、支護體系自身承載能力等方面不盡相同。

2、超前錨杆或超前小導管

超前錨杆或超前小導管，施工方法為沿隧道開挖輪廓線拱圈外縱向以一定外插角向前方打入錨杆或小導管，以撐托拱部以上臨空圍岩，起插板作用，通過錨杆或導管注漿固結一定範圍圍岩，提高圍岩自承能力，提高圍岩穩定性。可與格柵鋼架、混凝土共同組成預支護系統，具有類似管棚的支護作用，但一次超前預支護一般為1～3m，加固洞壁範圍圍岩有限，預支護能力較弱。

3、超前鑽孔注漿

超前鑽孔注漿預加固地層是把具有充填和凝膠性能的漿液材料，通過配套的注漿機具設備壓入所需加固的地層中，經過凝膠硬化作用後充填和堵塞地層中縫隙，減小注漿區地層滲水係數及隧道開挖時的滲漏水量，並能固結軟弱和鬆散岩體，注漿孔深一般在15～30m。使圍岩強度和自穩能力得到提高，在加固地層、封堵水源方面效果較佳，但固結圍岩自承能力有限。

4、管棚

管棚超前支護的基本工作原理是在開挖洞頂輪廓線以外一定角度範圍內，環向按照一定的間距超前打入鋼管，並通過鋼管向鬆散岩層內壓注水泥漿液，固結管棚周邊的圍岩，改善鬆散破碎岩層的物理力學性質。環向鋼管形成棚架，為開挖及初期支護作業提供了安全保障；漿液固結後的圍岩和鋼管共同組成了一個固結圈，從而在隧道的縱向和橫向分別形成一個剛度較大的梁結構和拱結構，有效提高圍岩的承載力及自穩能力，減小圍岩的變形，提前承受早期圍岩壓力，起到超前支護的作用，以抵擋隧道開挖後產生的圍岩壓力和變形。同時，隧道開挖後與鋼架一起共同組成剛度較大的預支護結構。

通過以上施工方案對比分析，隧道在穿越鬆散砂礫層時，通過注漿改善鬆散破碎岩層的物理力學性質，在擬開挖段上方形成具有較強承載能力的整體排架式加固拱圈，能阻止和限制圍岩變形，要求預支護體系自身能提前承受早期圍岩壓力，起到超前支護的作用，保證隧道施工安全，採用管棚法較為安全和合理。

管棚管徑選擇

一般洞口工程選擇φ89mm或φ108mm管徑鋼管，但必須根據隧道穿越地層圍岩狀況、施工位置、管棚自身承載能力、穿越能力、施工安全和工期要求等特設條件，選擇鋼管直徑。南陽山隧道穿越砂礫地層段落地處洞內，洞身所穿越地層為鬆散、富水砂礫層，砂礫層無任何自承能力，要求管棚自身受力能力要強，加之施工位置特殊，工期要求較緊，管棚自身受力能力必須保證隧道安全施工，最終選擇φ133mm長大管棚。

方案特點

大管棚是利用鋼管作為縱向支撐、鋼拱架作為橫向環形支撐,構成縱、橫整體,剛度較大,能阻止和限制圍岩變形,並能提前承受早期圍岩壓力，施工安全可靠。

大管棚一次超前量較大,支護過程中搭接較少,節省材料。亦可減少安裝鋼管次數,並減少與開挖作業之間的干擾,適用於大中型機械進行大斷面開挖。

與其它支護方法相比，管棚支護技術機具簡單及工藝簡單，工期短、效率高，支護效果好，經濟和社會效益明顯。

大管棚施工可預知管棚範圍內複雜圍岩的準確情況,對隨後的注漿、開挖提供第一手地質資料,有利於施工方案的確定。

施工工藝流程及操作要點

施工工藝流程

施工技術準備

施工材料設備準備

管棚工作室製作

搭設操作平台

測量定位

鑽機就位

管棚加工

鑽孔與清孔

管棚安裝

漿液製備與注漿

隧道開挖

隧道監控量測

施工技術準備

管棚採用直徑φ133mm無縫鋼管，壁厚大於6mm ,管棚環向間距35cm，管棚採用分段製作，絲扣連接,每節長度為3～5m。隧道斷面拱部150°範圍內布置管棚，每環管棚51根，根據隧道穿越砂礫層長度分兩個循環施作超前大管棚。第一循環管棚布置在SK50+483m掌子面上，管棚長度為18m，外插角5～8°（如圖一）；第二循環管棚布置在SK50+468m處掌子面上，管棚長度為37.5m，外插角1～3°（如圖二）。第一環管棚與第二環管棚搭接長度3m，第二環管棚穿越砂礫層後，伸入泥岩層5m（如圖三）。

施工材料設備準備

製作管棚工作室的同時，將施工所需空壓機、潛孔鑽機、鑽機液壓系統、管棚加工車床、鑽機平台機架及管棚鋼管準備到位。檢查、調試、安裝各種機械設備，保證機具施工過程運轉正常。將φ133mm、φ127mm無縫鋼管進場，對無縫管外觀質量、壁厚等進行驗收，保證合格材料進場，並進行管棚鋼管、連接鋼管的車絲和加工。

管棚工作室製作

隧道洞口進行管棚施工時，須採用套拱作為管棚導向牆。明洞開挖至明暗交接處時，預留管棚施工平台，為保證棚打設精度，一般明洞襯砌外緣設計管棚導向套拱。而隧道洞內施作管棚較洞外複雜，為保證管棚施工安全，根據超前地質預報資料，準確判斷隧道穿越砂礫層樁號及段落，隧道開挖未進入砂礫層之前必須完成隧道擴挖，完成管棚工作室製作。同時保證管棚工作室段落支護結構安全，對管棚工作室布點進行監控量測。

根據管棚鑽機長度、高度、管棚施作角度等提前擴挖隧道斷面，形成管棚工作室，工作室長度和高度必須滿足管棚施工占用空間和搭設管棚施工平台要求，空間過小影響管棚角度，從而影響管棚施工質量。

搭設操作平台

根據管棚工作室與管棚施工掌子面距離，將管棚工作平台及支架搭設完成,將鑽機導梁固定於支架上,通過調整支撐杆來調整導梁的傾角,滿足管棚設計傾角需要。再將鑽機固定於導樑上,工作平台搭建和安裝必須牢固、穩定，保證施工過程安全，防止施工中鑽機振動過大發生偏移和傾斜，影響管棚鑽孔角度。

測量定位

洞內管棚一般無管棚導向牆,不規則斷面管棚施鑽點放樣較為困難，採用全站儀免稜鏡三維坐標進行管棚鑽點放樣，先在孔口附近測量任意點三維坐標，根據測點樁號與理論鑽點樁號差、測點與中線偏距、理論鑽點與中線偏距、管棚外插角的水平分角、豎直分角等，計算出實際掌子面放樣點的三維坐標，進行管棚施工放樣，解決了不規則斷面管棚鑽點定位難題，大大提高放樣速度和放樣準確度。現場實地放樣每根管棚的具體位置,採用水泥釘作準確標記，並用醒目的油漆對空口位置作明顯標識，對管棚位置進行編號。

鑽機就位

鑽機就位時根據施工放樣準確位置安裝和固定鑽機，並嚴格進行機位調整。H型鋼軌找平誤差±3mm，底盤對角線誤差±3mm，四柱對角誤差±5mm。

採用三維空間控制鑽機就位和鑽孔，保證管棚打入角度精度。鑽機入孔的方位角及傾角必須根據測量數據嚴格控制，保證打入管棚角度符合要求，鑽杆前端準確就位於測量放樣點位，鑽機後端根據三維坐標測量數據嚴格調整水平分角和豎直分角，保證鑽孔角度符合要求。為避免鑽杆及鑽頭因自重下垂或遇到孤石鑽進方向不易控制等現象, 鑽孔角度可根據地質條件和鑽孔情況作適當調整, 並隨時用測斜儀量測角度和鑽進方向。

管棚加工

管棚鋼管採用φ133mm無縫鋼管，分段管棚長度應為3的倍數較合適，可以減少材料浪費。管棚鋼管加工成每節長為3.0～5.0m之間，管口絲扣車深度為6cm母扣，管體每0.5m梅花狀設注漿孔，孔徑大小1.0cm，連接管採用φ127×8mm無縫鋼管，公扣長12cm。

鑽孔與清孔

根據管棚穿越泥岩及砂礫層地質條件，泥岩層含水量較大、粘性強，無水干鑽法容易出現抱鑽現象，而砂礫層富水、鬆散，成孔難度大，鑽孔過程易出現塌孔、卡鑽現象，採用先成孔後送管方式，雖工藝簡單，但鑽孔過程存在塌孔現象，送管困難，根據特殊地層條件，鑽孔中需解決抱鑽、塌孔、卡鑽等難題，成孔後需解決送管過程鋼管與孔壁摩阻力大難題，且一次送管長度達到37.5m，最終採用國內較為先進的潛孔錘衝擊跟管鑽進施工工藝成孔和送管。

鑽進時潛孔衝擊器震動衝擊中心鑽頭，中心鑽頭傳遞衝擊給管棚鑽頭並帶動管棚鋼管鑽頭轉動鑽進，每根管棚之間靠螺紋連接到鑽孔所需的長度，管棚與迴轉動力頭無連接。衝擊器與內鑽杆聯接，內鑽杆聯接到鑽孔所需的長度通過連接頭的內螺紋與迴轉動力頭連接，迴轉動力頭通過連接頭傳遞扭矩給管棚和鑽杆，鑽進時的排渣通過管棚和內鑽杆的間隙排出，當鑽進到所需長度時，反向旋轉內鑽杆90度即可將中心鑽頭與管棚鑽頭分離，將內鑽杆全部取出孔外，即可將管棚留在孔內。

採用跟管鑽進施工方案的同時，為保證φ133大管徑鋼管順利穿越鬆散砂礫地層,送管長度符合要求，採用水泥漿液護壁鑽孔，水泥漿液對孔壁取潤滑作用，減小鑽進過程鋼管與孔壁摩阻力，漿液滲入圍岩能起到固結作用，提高圍岩穩定性和整體性，進一步減少鑽孔過程易塌孔、卡鑽現象，解決了砂礫層中普通鑽孔工藝成孔困難難題。

管棚安裝

安裝每節鋼管前必須進行質量檢查，管材不得有彎曲，絲扣四周壁厚均勻，絲扣完好，管材內的鐵屑、雜物及銹皮等必須清除乾淨。

鑽進中，每次加尺時要觀察絲扣連接是否緊密，如果鬆動和間隙，將絲扣擰緊並進行焊接，保證跟管鑽進過程不掉管。

完成管棚鑽孔和送管工作後，應及時將鋼管與鑽孔壁間縫隙填塞密實, 在鋼管外露端焊上法蘭盤、止漿閥。

漿液製備與注漿

漿液製備

提高注漿效果，注漿漿液採用水泥水玻璃漿液，水玻璃摻量為水泥重量5％，水泥漿液水灰比採用1:1；水玻璃濃度35波美度，模數為2.4。

製備漿液加水的同時，將水玻璃按一定比例加入攪拌筒，讓水玻璃充分溶解，再加入水泥，攪拌時間2～3min。

配置好的漿液存放於低速攪拌器的儲漿罐內，防止漿液隨存放時間產生沉澱、離析現象。

注漿前先檢查管路暢通和機械運轉狀況, 確認機械正常後進行漿液各項檢驗指標試驗, 確定合理的注漿參數；

注漿前掌子面必須先素噴一層混凝土作為止漿牆, 對掌子面進行封閉，確保 注漿過程不漏漿；

管棚注漿方式採用間歇式注漿，即一機兩孔換孔注漿。間歇時間不能大於1.5小時，讓漿液有一定的凝固時間，防止連續注漿過程漿液無限制擴散。

注漿順序為先低孔後高孔，先注無水孔後注有水孔，從兩拱腳向拱頂對稱進行。

注漿標準為單管注漿量達到設計值或注漿壓力達到終壓並穩壓20分鐘以上，孔內不再進漿，方可停止注漿。

注漿結束後及時封閉止漿閥，注漿過程中檢查孔口、鄰孔、覆蓋層較薄部位有無串漿現象, 如發生串漿,應立即停止該孔注漿，採用間歇式注漿封堵串漿口,間隔一孔或數孔注漿，也可採用麻紗、木楔、快硬水泥砂漿或錨固劑封堵, 直至不再串漿時再繼續注漿, 注漿過程中壓力如突然升高, 則可能發生堵管, 應停機檢查；

注漿過程應派專人負責填寫《注漿記錄表》，記錄注漿時間、漿液量、注漿壓力等數據, 觀察壓力表值。

隧道開挖

待管棚注漿達到一定強度,可開始進行隧道開挖,開挖時根據圍岩地質狀況決定開挖方式、開挖進尺及具體施工方案。南陽山隧道因管棚區穿越鬆散砂礫層，採用預留核心土上中下微台階法開挖施工，預留變形量15cm，上中下台階高分別按3m、2.5m、2.8m進行，每循環開挖進尺按50～100cm控制，初期支護緊跟開挖完成，及時將仰拱封閉成環，組織二次襯砌施工。施工中，加強監控量測工作。

隧道監控量測

根據《康臨高速公路KL6合同段南陽山隧道監控量測實施方案》，對SK50+460斷面從開挖初期支護完成至二襯封閉進行了全過程測量。SK50+460斷面共埋設7個測點，分別位於拱頂中心布置的A點，起拱線以上垂直距離3m拱腰處B、C點，起拱線處D、E點及下導坑路面標高以上1.0m處F、G點。

沉降量在各施工階段分布情況及沉降速率隨時間變化關係曲線

根據拱部沉降觀測成果表，拱部累計沉降量分別為A點86mm、B點74mm、C點67mm，三點的沉降量分布均在上台階支護後至下台階支護期間內最大，分別為A點84.9%、B點86.5%、Ｃ點83.6%；下台階支護後至仰拱封閉後分別為Ａ點15.1%、B點13.5%、C點16.4%；仰拱封閉後至施工二襯前分別為Ａ點0%、B點0%、C點0%。

根據拱部沉降數據繪製沉降速率與時間變化的關係曲線，曲線走勢及數據顯示，鋪設防水板前沉降速率分別為A點0.27mm/d、B點0.25mm/d、C點0.24mm/d，表明A、B、C三點的速率在此時均已基本趨於穩定。

凈空收斂量在各階段分布情況及收斂速率隨時間變化關係曲線

根據凈空收斂觀測成果表，凈空累計收斂量分別為DE線80.37mm、FG線點12.91mm。DE測線的收斂量在上台階支護後至下台階支護後期間最大，占總收斂量的89.4%；FG測線的收斂量在下台階支護後至仰拱封閉期間最大，占總收斂量的98.6%。

根據凈空收斂數據繪製收斂速率與時間變化的關係曲線，曲線走勢及數據顯示，鋪設防水板前DE測線收斂速率為0.25mm/d，表明DE測線的速率在此時已基本趨於穩定。

隧道不良地層施工中，通過Ф133超前預支護長大管棚施工技術的應用，取得了較好的社會和經濟效益。該工藝施工過程中主要創新點有：

大管徑鋼管作為超前支護材料，與小管徑的超前錨杆、超前小導管相比，管棚強度較高，自身能夠承受部分圍岩壓力。通過管棚注漿提高圍岩自承能力，管內填充高強砂漿增強管棚受力條件，管棚與圍岩共同組成支護體系，進一步提升超前預支護結構承受圍岩荷載能力，穿越鬆散地層和不良地質中，技術方面可靠，管棚適用性強，支護效果較為明顯，降低不良地質中隧道施工風險，保證了隧道施工質量和結構安全；

與其他超前預支護相比，管棚一次性能形成較長超前支護體系，減少循環次數，減少勞動強度，加快了隧道施工進度，保證隧道按時交工和通車營運，取得較好社會效益，縮短超前支護施工工期，從而降低施工成本。

採用跟管鑽進和水泥漿液護壁鑽孔施工技術施作長大管棚，解決鑽進過程鋼管與其四周圍岩摩阻力大難題，解決砂礫層中普通鑽孔工藝成孔困難,鑽孔過程易塌孔、卡鑽現象,且保證管棚施作長度。

採用全站儀免稜鏡三維坐標進行管棚鑽點放樣，解決了不規則斷面管棚鑽點定位難題，放樣精確；採用三維空間控制鑽機就位和鑽孔，保證管棚打入角度精度。

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