超前管棚支护在隧道施工中的应用技术

    超前管棚支护是新奥法施工中前锚杆施工的发展，经过实践证明，超前管棚支护结构有足够的可靠性能，对于各种特殊、困难地段有较好的适用性。

    1 超前管棚支护的优点

1）工艺简单。超前管棚支护及注浆施工不需要大型机具设备，操作方便，预加固效果明显。其施工速度快，临时支护及时、安全性能高、效果好，能阻止严重渗水，经济和社会效益明显。

2）适应性强。对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段以及洞内的特殊地层地段均适用。

    2 管棚受理原理

    超前管棚支护是在拟开挖的地下洞室、隧道等开挖外轮廓周边上，间隔一定的间距，沿洞轴以一定的外插角钻孔，安装惯性矩较大的钢管，然后进行注浆固结的一种预支护措施。其工作原理为：

1）“承载拱”作用，即通过管棚注浆、使拱顶先形成加固的保护环，承载拱上部的地面荷载和岩石重量，使供内部围岩仅承受拱部围岩的变形压力，从而为工程提供理想的开挖条件。

2）整体支护作用，即当超前管棚岩隧道开挖轮廓周边密布时，加固环的变形减小，传递给隧道支护结构上的上部荷载大大减少，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的变形应了传递给支撑拱架，由于支撑拱架间的相互连接，形成整体支护，有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。

    3 管棚设计参数

1）钢管材料采用热轧无缝钢管，直径一般选用80mm~180mm，钢管中线间距为30cm~50cm。

2）钢管长度一般为10m~45m，当分段连接时，采用4m~6m，钢管采用丝扣连接方式，丝扣长度不小于15cm。

3）钢管岩隧道开挖轮廓线纵向近水平外插角设置，外插角为1~5度。

4）钢管施工径向误差不大于20cm，沿相邻钢管方向不大于5cm。

5）纵向管棚水平搭接长度不小于1.5m。

6）注浆压力：初压0.5MPa~1MPa，终压2.0MPa~2.5MPa。

7）止浆墙根据围岩条件确定，可采用10cm~20cm厚喷混凝土或20cm~50cm厚混凝土封闭。

    4 管棚施工(见图1)

    4.1 施工准备

1）在熟悉设计图纸的基础上，进一步调查地质情况，按其地质特性确定注浆类型。

2）通过试验确定或调整注浆半径、注浆压力和单管注浆量。

3）加工导管，准备施工机具和器材。

    4.2 定向和布孔

管棚定向可采用以下两种方法：

1）钻孔方向，固定在钢架上。

2）采用挂线定向，距离以10m为宜，通过前后两点挂线确定管棚的方向，在定向时应考虑线路纵坡对外插角的影响。

    4.3 钻孔、安装钢管

    钻孔前先喷混凝土封闭掌子面，以防漏浆，而后测量布孔，在设计孔位点上标记，然后用风动凿岩机钻孔，开孔时，先轻压慢速钻进，以保证开孔质量。钻进中用测斜仪量钻孔方向，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。成孔后，用吹管或掏勺将孔内砂石吹（掏）出，以免堵塞。成孔检查合格后，人工推送钢管入孔，管口用麻丝和锚固剂封堵。

    4.4 注浆施工

    4.4.1 注浆准备

    管棚安装完成后，旋上孔口阀，连接注浆管路。利用注浆泵先压水检查管路是否漏水，设备状态是否正常，而后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充塞的密实性，核实岩石的渗透性。

    4.4.2 浆液配制

    在注浆前由试验确定浆液比、注浆压力等注浆参数。浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径，现场通过试验确定，配制浆液时，要注意加料顺序和速度，防止浆液结块。

    4.4.3 施工步骤

    清孔后，按由下而上的顺序施工，浆液先稀后浓，注浆量先大后小，如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。

    4.4.4 结束标准

    采用终压和注浆量双控制，以单管设计注浆量为标准。当注浆压力达到设计终压不小于20min，进浆量仍达不到设计标准时，也可以结束注浆。

    4.4.5 效果检查

    开挖检查浆液渗透及固结状况，根据压力浆量曲线分析判断，没有达到设计要求时，应进行补孔注浆。

    5 结束

    超前管棚支护的应用：

1）有力地保障了掌子面岩土体的稳定，起到骨架、格栅作用；

2）通过注浆，将浆液在一定压力下注入到钢管周围松散、软弱的地层中，从而形成复合稳定的固结体，提高岩土体的稳定度。因此，超前管棚支护在隧道施工中得到了广泛的应用。

例一

大管棚预注浆超前支护技术在风霜岭隧道洞口施工中的应用

1 工程简介

漳龙高速公路漳州段风霜岭隧道全长862.5m，隧道设计为双洞四车道，单洞净宽9.75m，净高5m。右洞进口桩号YK34+495，设计标高89.42m。隧道右洞进口段位于浅埋地段，埋深12～19m，为第四纪（Qc4）坡积层与强风化花岗闪长岩接触地带。表层为松散无粘性的砂状土，下伏强风化花岗闪长岩，岩石已风化呈土状，夹杂部分角砾碎石，结构松散，围岩自稳性极差，遇水易坍塌。隧道所处山体植被发育，地表、地下水丰富。

2 问题的提出及方案确定

隧道施工自2002年12月初右隧准备进洞，随着表土清除，洞口开挖工作面形成，时值南方雨季提前到来。长时间降雨造成围岩受浸泡富水饱和，地表泉水涌出，造成洞口段围岩软化，仰坡地表多处产生裂缝，最大裂缝宽12cm，形成2～3cm错台。洞口开挖工作面发生坍塌，施工进洞困难。

根据现场实际情况，结合其他隧道施工经验，认为较为合理的施工方法是采用大管棚超前预注浆，先对洞口段堆积体进行固结处理再进行开挖，可以有效保证洞口边仰坡安全，确保顺利进洞。

3施工设计

3．1   注浆机理

由于堆积体结构松散破碎，本工程采用渗透注浆及压密注浆。

3．2  施工参数选择

3．2．1  大管棚设计

大管棚采用φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，节长分别为3 m、6m。管棚环向间距拱部为30cm，墙部为50cm。外插角3°～ 5° 。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12mm，孔间距20cm，梅花型布置，尾部50cm范围内不钻孔作为止浆段。如图所示。

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32.5（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：2.0～3.0MPa;

（3）浆液扩散半径：不小于0.5m;

（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29m；R为浆液扩散半径，取0.5m；η为地层孔隙率，堆积体经测试η为12%；α为浆液有效充填率，取0.9；β为浆液损耗系数，取1.15。

    经计算，单根钢管注浆量Q=3.09 m3。

4  方案实施

4．1  大管棚施工前准备工作

4．1．1  疏排地表水

    洞口仰坡稳定地层，增设环型截水沟一道，拦截地表水；建立枝状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围，以防积水下渗。

4．1．2  引排地下水

    为引排洞口段地下水，在适当位置钻设2个 φ20CM降水井，利用深井潜水泵和螺杆泵抽取地下水以疏干土体，降低洞口周围地下水位。

4．1．3  施作套拱作为大管棚导向墙

  洞口前端采用4m 长套拱(25#砼) 作为大管棚导向墙。套拱在洞口衬砌外轮廓线以外施作。套拱基础施打8m长φ108×6mm 钢管桩，管体用水泥浆灌满。套拱内埋设7榀U25型钢，U型钢与φ127×4 mm 管棚孔口套管焊成整体。孔口套管沿拱圈环向布设间距、位置及方向应准确。 

4．2  管棚施工

先施钻、安设及注浆所有有孔钢管，再施作无孔钢管。 

4．2．１  钻孔

（1）根据套拱中预埋的钢套管作为导向管进行钻孔。掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。

（2）钻孔前先检查钻机机械状况是否正常；钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进。

（3）钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹沙层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。

（4）为避免钻杆太长，钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度控制在 3°～ 5°之间，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。

4．2．２ 安设管棚

⑴钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。

⑵钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15cm。

⑶及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀，并检查焊接强度和密实度。

4．3  管棚注浆

4．3．1  施工工艺

   4．3．2  施工程序及方法

⑴注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，据以施工。

⑵注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。

⑶注浆压力达到2.5Mpa，并持压5min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。

⑷注浆过程应派专人负责，填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。

4．3．3  待有孔钢管已全部注浆完毕后，再进行无孔钢管的钻孔、安设。

4．3．4  注浆效果评定

⑴对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况。

⑵在进行无孔钢管钻孔时观察孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，涌水量小于0.4L/min，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。

5   堆积体段开挖

该段洞身开挖采用双侧壁导坑法，开挖支护流程如图所示： 

几点说明：注浆小导管采用φ50×5mm无缝钢管，节长5m，钢管上注浆孔孔径8mm，孔间距15 cm，梅花型布置，尾部40 cm范围内不钻孔作为止浆段，小导管环向间距50 cm，纵向间距250 cm，外插角15°；洞身U25钢支撑纵向间距30cm；侧导坑临时U25钢支撑纵向间距60cm；相邻两榀间的中隔壁U型钢用环向间距1米的Φ25钢筋焊接以增强其整体性。

6效果评价

为保证施工安全及检查大管棚的实施效果，施工单位专门组织对堆积体段的净空收敛量测。在25m堆积体处理段埋设了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

利用大管棚作为穿越堆积体段的超前支护，其成功之处在于：通过注浆将松散的堆积体固结起来，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，为隧道洞身安全、顺利地施工创造条件，是新奥法与其他辅助施工方法的完美结合。