隧道复杂破碎岩层超前管棚施工关键技术研究

多裂隙地层浅埋隧道施工中，大管棚设计的采用十分常见。大管棚支护是隧道通过多裂隙地层，软弱破碎岩体等不良地质地段开挖时的一种超前支护。在多裂隙地层浅埋隧道大管棚施工中，无论是目前较新的跟管技术，还是较老的手段，都不可避免的存在需要清孔的环节。
　　而由于钢管清孔存在不确定性，其退钻清孔米数的确定和清孔的设计大多取决于钻孔设备的配置和施工经验，这种不可控的经验判断给施工带来了极大阻碍，轻则影响施工进度，重则危害工程质量。
　　本文结合新建重庆铁路枢纽东环线DHZQ-4标段鸡公咀隧道的大管棚施工中的实际问题，立足于地质科学，保证了施工质量，做到科学管理[1]。
　　工程简介
　　 鸡公咀隧道为上下层重叠隧道，下层为东环正线双线隧道，中心里程DK63+911.375，全长472.75m。
　　 全隧除DK63+935-DK64+010段为75米Ⅳ级围岩外，其余400余米皆为Ⅴ级围岩。出口端DK64+100-DK64+065处为导大管棚超前支护（图1），共设计48根钢管，每根长35米。
　　 下层隧道大管棚施工过程中，出现孔内掉渣，卡管现象严重。退管清孔，重新送管至原位置后几米后，仍出现卡管现象。个别孔的卡管现象严重，退管耗时耗力，严重影响施工进度，甚至出现送不到设计长度又退不出管的隐患。
　　原因分析
　　孔内部分地段发育节理缝，岩石易破碎掉渣，在送管过程中，管头及孔内管身部分扰动节理缝中易破碎岩土，导致掉渣，甚至塌孔。在节理缝少的孔中，掉渣量少或不足以卡管，整体上不影响送管进度;在节理缝密集的孔中，在送管过程中的掉渣会随着穿过节理缝的增多而累积，从而塌孔或卡管。
　　 由于未科学设计退管清孔设计米数，该处大管棚全部孔号的退管清孔均按现场施工经验安排，这种“送不进就退管清孔”的做法具有临时性和盲目性，导致退管米数设计不合理：部分孔号的退管米数正处于节理缝中，退管清孔后，重新送入的钢管会导致前次未影响、未充分掉渣的地段，從而继续出现塌孔或卡管的现象[2]。
　　研究方法
　　根据实际施工现场地质特点，通过进行充分的野外数据收集和整理，运用地质雷达手段，查明施工地段地质背景，根据节理分布位置合理设计退管细孔米数，以提高大管棚施工效率，达到科学施工[3]。
　　超前地质分析
　　1 地质背景
　　 出口端DK64+100处出露岩性为T3xj砂岩及页岩，砂岩：浅灰～灰白色（弱风化或未风化）和土黄色（强风化），中厚～块状，中～细粒结构，钙质胶结，矿物无定向性。页岩，灰褐色～黑褐色，泥质胶结，局部夹煤线。同砂岩产状，薄层状夹于砂岩之间。
　　 该处发育两组节理J1：节理面闭合，无填充。其中，J2经过后期经历构造运动形成断裂，与围岩接触部位出现变质现象，砂岩中矿物开始出现定向性，节理面风化严重，局部发育裂理、泥化，出现擦痕，导致同产状裂隙发育，如图2所示。
　　
　　2 掌子面地质雷达
　　 为准确了解DK64+100～DK64+065段地质情况，本文采用地质雷达对DK64+100～DK64+070进行探测，以查明岩石裂隙发育程度及分布部位。
　　 本次研究采用中国电波传播研究所所生产的LTD-2100型高速地质雷达，配备主频为100MHz的天线对隧道掌子面前方的围岩进行探测。介电常数设7.5，测程参数设为580ns，扫描速度16，采样点数1024。
　　 进行现场数据采集时，将天线贴紧掌子面沿AB测线从左侧向右侧缓慢匀速地移动，同时采集数据，采用点测方式，测点间隔10～15cm，测线长度约为8m。
　　
　　 结果
　　地质雷达发现，施工处岩石岩性均为 T3xj 砂岩，风化程度为强风化，节理裂隙极其发育。强风化的砂岩呈土黄色，较前者相比易碎。其节理缝中岩石呈土渣状，用手一碰即碎。该节理缝的存在是导致大管棚施工过程中掉渣、塌孔和卡管的主要原因。预报雷达探测深度为 30 m，结合施工现场的地质资料，将整个施工部位分析（图3）如下：掌子面前方探测范围内，雷达回波能量异常较强，局部反射明显，同相轴连续性差，结合掌子面地质情况推测对应段落围岩与掌子面基本保持一致，主要为强风化砂岩，岩质较软，遇水易软化崩塌，暴露易风化崩解，岩体破碎，节理裂隙发育，围岩完整性及稳定性差，自稳能力差，易掉块崩塌。节理分布分析如图4左下为DK64+100～DK64+070大管棚施工段节理分布图，红线表示节理，粗红线代表节理密集，细红线代表节理稀疏。图右地质雷达分析结果，红线框体表示岩石介质变化较大（裂隙）部位;图左下为DK64+100～DK64+070大管棚施工段节理分布图，红线表示节理，粗红线代表节理密集，细红线代表节理稀疏。