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摘要：南水北调工程引汉济渭3号勘探试验洞在施工至里程K26+760时，掌子面拱顶出现较大溃口，突水涌泥达150m3/h，为了保证隧道施工安全顺利进行，现场采取封闭掌子面，在隧道周边实施超前大管棚注浆对坍塌段堆积体进行固结处理和超前支护，取得了较好效果，在此进行总结。
关键词：海底隧道；风化花岗岩；土石交界面；注浆试验
中图分类号：U455文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
南水北调工程引汉济渭3号试验洞主洞勘探试验段位于安康市宁陕县四亩地镇,线路全长3115.78m。3号实验洞主洞勘探试验段围岩分为Ⅲ类、Ⅱ类，各种围岩类别衬砌类型长度数量及比例如下:主支洞交叉口30m,占0.96％；Ⅲ类围岩加强段20m,占0.64％；Ⅲ类1900m,占60.98％；Ⅱ类1165.78m，占37.42％。主洞内下游里程K26+180设有一处泵站，隧道坡度为1/2527。
2 问题的提出及方案确定
2011年10月23日实验洞施工至里程K26+760时，掌子面拱顶位置突然出现突泥涌水，出水裂隙倾角∠30°～45°，裂隙宽度约为25cm,贯穿整个隧洞拱部偏右，范围拱顶30°。自裂隙处涌出灰黑色、淡黄色石屑及伴随粒径大于50cm孤石，经估算突泥涌水量约100m3/h。至15:00突泥涌水裂隙扩大至拱顶120°范围，涌泥涌水呈现间歇性突发，突水涌泥量已达约150m3/h。
自10月26日至10月31日间在清淤过程中共发生四次较大溃口突泥，持续时间在6～10分钟，涌出量都在100m3～120m3之间。截止2011年10月31日掌子面涌出泥渣约1000m3。遂封闭掌子面，并对掌子面剩余碴体不予扰动，隧道施工停止。
根据现场实际情况认为合理的施工方法是：先施作止浆墙封闭掌子面，待止浆墙封闭整个临坡面后开始对空腔体进行灌注混凝土，而后施做超前大管棚注浆对坍塌段堆积体进行固结处理和超前支护，最后进行开挖，可保证隧道开挖安全。
3 大管棚超前注浆方案设计
3.1 注浆机理
由于突水涌泥段上部具有空洞、下部具有堆积体，本工程主要采用填充注浆和挤密注浆。
3.2施工方案设计
3.2.1 大管棚设计
超前大管棚布设在隧道拱顶180°范围内，纵向长度35m，共计31根。大管棚采用φ108mm，壁厚8mm的热轧无缝钢管，节长分别为3 m、6m，管棚环向间距拱部为40cm。外插角12°～ 15°。有孔、无孔钢管交叉布设，有孔钢管布设注浆完毕后再布设无孔钢管。有孔钢管上注浆孔孔径10mm，孔间距15cm，尾部2m范围内不钻孔作为止浆段。布置如图1所示。
图1超前大管棚布置圖
3.2.2 注浆参数设计
（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用水泥浆，水泥采用42.5（R）普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为0.8:1～1:1；
（2）注浆压力：2.0～3.5MPa；
（3）浆液扩散半径：不小于0.7m；
（4）单根钢管注浆量：
Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β
式中：r为钢管半径，L为钢管总长度，考虑与钻机连接，取35m；R为浆液扩散半径，取0.7m；η为地层孔隙率，堆积体经测试η为20%；α为浆液有效充填率，取0.9；β为浆液损耗系数，取1.2。经计算，单根钢管理论注浆量Q=11.95 m3。
4 大管棚预注浆施工
4.1施工前的准备
4.1.1 后方加固施工
由于掌子面空腔性质和形状大小的不确定性，根据现场已开挖地段揭露的围岩产状和类似工程经验，此段空腔形态见图2。为了保证已开挖段落安全，K26+720～K26+752段支立I16型钢拱架，支护参数：I16钢拱架，间距70cm； φ8钢筋网,20*20cm，拱墙布置；系统锚杆L=3m,间距60*80cm（环向），拱墙布置；喷C20混凝土20cm。
图2空腔形态情况图
4.1.2 止浆墙施工
K26+720～K26+752段加强支护完成后对掌子面碴体进行注浆加固，然后施做止浆墙，止浆墙施工分两层施工，施工步骤如下：
（1）回填反压：在加强支护施做完成后利用洞渣反压掌子面，使其更加稳定。
（2）掌子面碴体注浆：在碴体内插入注浆管，浆液采用1:06水灰比水泥浆液。
（3）清基：止浆墙施做前将其基础范围内虚碴及泥浆清理干净。
（4）锁脚锚杆：在墙基及止浆墙与隧道周边接触处施做锁脚锚杆，外露接茬长度1m。
（5）排水孔：在墙底部预留排水孔，Φ150钢管，将溃口出水直接排到边沟中，并引排至洞外。
（6）止浆墙：在碴体下部牢固处施做止浆墙。止浆墙外墙坡度为1：0.25。
（7）接茬筋:在第一层止浆墙施工至设计标高后在混凝土初凝前在与第二层止浆墙接茬处预留Φ22钢筋，长度80cm，外露长度40cm，间距30cm。
（8）预埋管：模板支立过程预埋两根φ150钢管，一根作为浇筑混凝土排气孔，同时作为掌子面涌水排水管；另一根钢管稍靠下并弯伸至开挖轮廓面外塌腔内不小于3m，做为塌腔回填混凝土输送管道。
（9）空腔回填：拱顶空腔用C20泵送混凝土回填，回填厚度不小于拱顶开挖轮廓线外3m。
4.1.3 套拱导向墙施工
为准确控制长管棚角度，施做套拱导向墙，套拱内设置两榀I20a工字钢，钢架间距设置为1m，在导向墙内两榀I20a工字钢腹板开孔安设导向管，导向管采用φ150钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。导向管设置角度为12°～15°，长度为80cm，钢架间均铺挂φ8钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。采用喷混凝土或浇筑混凝土封闭。
4.1.4 管棚的制作加工
（1）大管棚材料为：φ108的无缝钢管，壁厚8mm，单根管长3m、6m，材质为Q235。
（2）管棚制作
管棚加工成为钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于下入孔内，末端2m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10mm的压浆孔，孔间距15cm。具体见图4（标注以cm为单位）。
图4管棚加工示意图
（3）钢管间的连接
钢管的一端车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的φ115δ8的无缝钢管进行连接。每根管棚采用两根长3m和6m的钢管错开接缝组成。
4.2 超前大管棚施工
4.2.1 钻机就位及钻孔
钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。适当调节钻孔平台高度，确保钻头正确插入导向管。采用高压风带动钻头，开孔时，低速低推进力，待成孔1m后，适当加大推进力，钻孔进入土质地层采用压力适当调小。塌孔时，进行注浆加固待周边土质，形成一定强度后再行钻孔。
4.2.2清孔及安装管棚
钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔，利用高压风清理钻渣。而后立即安装φ108的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、3m、5m及3m、6m、5m的组合形式。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进。钢管安装完成后对每根钢管连续编号且做好标记。
4.3 管棚注浆
管棚注浆采用双液浆：水泥浆液采用水灰比0.8:1～1.2:1，先在高速搅拌机内放入定量清水进行搅拌，而且浆液在通过二级搅拌桶时过筛，从制备至用完的时间宜小于2小时，水玻璃浆的配制在搅拌桶内加一定量的水玻璃，再放入一定量的清水搅拌均匀即可，两种浆液通过混合器处混合后注入地层，双液浆施工流程图见图7所示。
图7双液浆施工流程图
5 效果评价与检验
为检验大管棚的实施效果，对堆积体段的净空收敛进行量测。在35m坍塌体处理段埋设了3条收敛基线，监测数据分析见表1。从量测情况看，埋设初期3条曲线收敛增长较慢，上核心土开挖时收敛变形急剧增长，然后趋于稳定，均满足设计要求。充分说明了大管棚预注浆超前支护对防止围岩恶化，控制隧道变形作用是显著的。
表1 净空收敛监测变形分析 mm/d
6 总结及体会
利用超前大管棚作为穿越突水涌泥段坍塌体的超前支护，其成功之处在于：通过注浆将松散的坍塌固结起来，利用大管棚支护围岩，注浆体和管棚连成一个整体而受力，在隧道开挖轮廓线外形成一个环向的支撑体，有效地阻止了松散体出现坍塌，控制了隧道围岩变形，为隧道洞身安全、顺利地施工创造条件，取得了较好的效果。
参考文献：
[1]张景秀；《坝基防渗与灌浆技术》；中国水利水电出版社；北京，2006年6月；
[2]（日）草野一人；《地基加固和防水药液注浆设计施工手册》；中国铁道出版社；1989年10月；
关键词：海底隧道；风化花岗岩；土石交界面；注浆试验
中图分类号：U455文献标识码： A 文章编号：
1 工程概况
南水北调工程引汉济渭3号试验洞主洞勘探试验段位于安康市宁陕县四亩地镇,线路全长3115.78m。3号实验洞主洞勘探试验段围岩分为Ⅲ类、Ⅱ类，各种围岩类别衬砌类型长度数量及比例如下:主支洞交叉口30m,占0.96％；Ⅲ类围岩加强段20m,占0.64％；Ⅲ类1900m,占60.98％；Ⅱ类1165.78m，占37.42％。主洞内下游里程K26+180设有一处泵站，隧道坡度为1/2527。
2 问题的提出及方案确定
2011年10月23日实验洞施工至里程K26+760时，掌子面拱顶位置突然出现突泥涌水，出水裂隙倾角∠30°～45°，裂隙宽度约为25cm,贯穿整个隧洞拱部偏右，范围拱顶30°。自裂隙处涌出灰黑色、淡黄色石屑及伴随粒径大于50cm孤石，经估算突泥涌水量约100m3/h。至15:00突泥涌水裂隙扩大至拱顶120°范围，涌泥涌水呈现间歇性突发，突水涌泥量已达约150m3/h。
自10月26日至10月31日间在清淤过程中共发生四次较大溃口突泥，持续时间在6～10分钟，涌出量都在100m3～120m3之间。截止2011年10月31日掌子面涌出泥渣约1000m3。遂封闭掌子面，并对掌子面剩余碴体不予扰动，隧道施工停止。
根据现场实际情况认为合理的施工方法是：先施作止浆墙封闭掌子面，待止浆墙封闭整个临坡面后开始对空腔体进行灌注混凝土，而后施做超前大管棚注浆对坍塌段堆积体进行固结处理和超前支护，最后进行开挖，可保证隧道开挖安全。
3 大管棚超前注浆方案设计
3.1 注浆机理
由于突水涌泥段上部具有空洞、下部具有堆积体，本工程主要采用填充注浆和挤密注浆。
3.2施工方案设计
3.2.1 大管棚设计
超前大管棚布设在隧道拱顶180°范围内，纵向长度35m，共计31根。大管棚采用φ108mm，壁厚8mm的热轧无缝钢管，节长分别为3 m、6m，管棚环向间距拱部为40cm。外插角12°～ 15°。有孔、无孔钢管交叉布设，有孔钢管布设注浆完毕后再布设无孔钢管。有孔钢管上注浆孔孔径10mm，孔间距15cm，尾部2m范围内不钻孔作为止浆段。布置如图1所示。
图1超前大管棚布置圖
3.2.2 注浆参数设计
（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用水泥浆，水泥采用42.5（R）普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为0.8:1～1:1；
（2）注浆压力：2.0～3.5MPa；
（3）浆液扩散半径：不小于0.7m；
（4）单根钢管注浆量：
Q=π×r2×L+π×R2×L×η×α×β
式中：r为钢管半径，L为钢管总长度，考虑与钻机连接，取35m；R为浆液扩散半径，取0.7m；η为地层孔隙率，堆积体经测试η为20%；α为浆液有效充填率，取0.9；β为浆液损耗系数，取1.2。经计算，单根钢管理论注浆量Q=11.95 m3。
4 大管棚预注浆施工
4.1施工前的准备
4.1.1 后方加固施工
由于掌子面空腔性质和形状大小的不确定性，根据现场已开挖地段揭露的围岩产状和类似工程经验，此段空腔形态见图2。为了保证已开挖段落安全，K26+720～K26+752段支立I16型钢拱架，支护参数：I16钢拱架，间距70cm； φ8钢筋网,20*20cm，拱墙布置；系统锚杆L=3m,间距60*80cm（环向），拱墙布置；喷C20混凝土20cm。
图2空腔形态情况图
4.1.2 止浆墙施工
K26+720～K26+752段加强支护完成后对掌子面碴体进行注浆加固，然后施做止浆墙，止浆墙施工分两层施工，施工步骤如下：
（1）回填反压：在加强支护施做完成后利用洞渣反压掌子面，使其更加稳定。
（2）掌子面碴体注浆：在碴体内插入注浆管，浆液采用1:06水灰比水泥浆液。
（3）清基：止浆墙施做前将其基础范围内虚碴及泥浆清理干净。
（4）锁脚锚杆：在墙基及止浆墙与隧道周边接触处施做锁脚锚杆，外露接茬长度1m。
（5）排水孔：在墙底部预留排水孔，Φ150钢管，将溃口出水直接排到边沟中，并引排至洞外。
（6）止浆墙：在碴体下部牢固处施做止浆墙。止浆墙外墙坡度为1：0.25。
（7）接茬筋:在第一层止浆墙施工至设计标高后在混凝土初凝前在与第二层止浆墙接茬处预留Φ22钢筋，长度80cm，外露长度40cm，间距30cm。
（8）预埋管：模板支立过程预埋两根φ150钢管，一根作为浇筑混凝土排气孔，同时作为掌子面涌水排水管；另一根钢管稍靠下并弯伸至开挖轮廓面外塌腔内不小于3m，做为塌腔回填混凝土输送管道。
（9）空腔回填：拱顶空腔用C20泵送混凝土回填，回填厚度不小于拱顶开挖轮廓线外3m。
4.1.3 套拱导向墙施工
为准确控制长管棚角度，施做套拱导向墙，套拱内设置两榀I20a工字钢，钢架间距设置为1m，在导向墙内两榀I20a工字钢腹板开孔安设导向管，导向管采用φ150钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。导向管设置角度为12°～15°，长度为80cm，钢架间均铺挂φ8钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。采用喷混凝土或浇筑混凝土封闭。
4.1.4 管棚的制作加工
（1）大管棚材料为：φ108的无缝钢管，壁厚8mm，单根管长3m、6m，材质为Q235。
（2）管棚制作
管棚加工成为钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于下入孔内，末端2m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10mm的压浆孔，孔间距15cm。具体见图4（标注以cm为单位）。
图4管棚加工示意图
（3）钢管间的连接
钢管的一端车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的φ115δ8的无缝钢管进行连接。每根管棚采用两根长3m和6m的钢管错开接缝组成。
4.2 超前大管棚施工
4.2.1 钻机就位及钻孔
钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。适当调节钻孔平台高度，确保钻头正确插入导向管。采用高压风带动钻头，开孔时，低速低推进力，待成孔1m后，适当加大推进力，钻孔进入土质地层采用压力适当调小。塌孔时，进行注浆加固待周边土质，形成一定强度后再行钻孔。
4.2.2清孔及安装管棚
钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔，利用高压风清理钻渣。而后立即安装φ108的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、3m、5m及3m、6m、5m的组合形式。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进。钢管安装完成后对每根钢管连续编号且做好标记。
4.3 管棚注浆
管棚注浆采用双液浆：水泥浆液采用水灰比0.8:1～1.2:1，先在高速搅拌机内放入定量清水进行搅拌，而且浆液在通过二级搅拌桶时过筛，从制备至用完的时间宜小于2小时，水玻璃浆的配制在搅拌桶内加一定量的水玻璃，再放入一定量的清水搅拌均匀即可，两种浆液通过混合器处混合后注入地层，双液浆施工流程图见图7所示。
图7双液浆施工流程图
5 效果评价与检验
为检验大管棚的实施效果，对堆积体段的净空收敛进行量测。在35m坍塌体处理段埋设了3条收敛基线，监测数据分析见表1。从量测情况看，埋设初期3条曲线收敛增长较慢，上核心土开挖时收敛变形急剧增长，然后趋于稳定，均满足设计要求。充分说明了大管棚预注浆超前支护对防止围岩恶化，控制隧道变形作用是显著的。
表1 净空收敛监测变形分析 mm/d
6 总结及体会
利用超前大管棚作为穿越突水涌泥段坍塌体的超前支护，其成功之处在于：通过注浆将松散的坍塌固结起来，利用大管棚支护围岩，注浆体和管棚连成一个整体而受力，在隧道开挖轮廓线外形成一个环向的支撑体，有效地阻止了松散体出现坍塌，控制了隧道围岩变形，为隧道洞身安全、顺利地施工创造条件，取得了较好的效果。
参考文献：
[1]张景秀；《坝基防渗与灌浆技术》；中国水利水电出版社；北京，2006年6月；
[2]（日）草野一人；《地基加固和防水药液注浆设计施工手册》；中国铁道出版社；1989年10月；