管棚支护在不良地质隧道施工中的应用

摘要：大管棚预注浆超前支护施工工艺简单，机械设备投入少，经济和社会效益明显，对隧道通过软弱、浅埋围岩有效、安全、可靠。本文介绍了管棚支护技术及施工要点，并结合工程实例，介绍了大管棚预注浆超前支护技术在隧道通过软弱围岩段的作用。

关键词：管棚支护；注浆；不良地质

Abstract: a great shed advance grouting supporting construction process is simple, mechanical equipment, less obvious economic and social benefits, by weak and shallow buried tunnel surrounding rock effective, safe and reliable. Pipe roof support technology and construction key points were introduced in this paper, combined with the engineering example, a great shed advance grouting supporting technology is introduced in the effects of tunnel with weak surrounding rock.

Key words: the pipe roof support; Grouting; Bad geological

中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一、管棚支护技术及工艺原理

（一）管棚支护技术

由于隧道开挖断面大，洞口处岩体风化十分严重，土体松散，洞口开挖面极易发生坍塌，施工进洞困难。采用管棚超前支护施工技术对洞口段堆积体进行注浆固结然后再开挖，这样可以有效保证洞口边仰坡稳定，而且使开挖轮廓线外圈形成棚幕和一层壳体，从而大大增加了进洞施工的安全性，确保顺利进洞的安全。

（二）管棚支护工艺原理

1、管棚的梁支撑效应

用作管棚的钢管，前端以一定的角度插入开挖断面外深部围岩，后端支撑在钢拱架上面，并与钢拱架焊接在一起。根据管棚的长度，一般开挖作业几个循环后进行下一次的管棚施作，管棚总有部分出露悬空的长度，因此，管棚钢管可看作是一端为铰支，一端为滚轴支座的简支梁，隧道开挖后可有效承受卸荷产生的部分松动压力，使二次应力场的重分布向着有利于围岩稳定的方向发展。在开挖初期梁支撑效应尤为明显。

2、管棚的注浆加固效应

元缝钢管上钻取注浆孔后就起着注浆管的作用，按断面注浆部位的不同分为周边围岩注浆和掌子面注浆。通过导管向周边围岩注浆，在压力作用下化学浆液渗透到砂土间的空隙中，挤出其中的空气和水分并

胶结凝固，使隧道开挖轮廓线以外一定范围的松散砂土层形成整体，提高了围岩的地层刚度和整体稳定性，减小了隧道周边塑性区的范围。另外，在软弱地层中开挖，围岩应力释放，因空间效应导致掌子面上方压力增大，掌子面可能失稳。当施作周边小管棚后，由于梁支撑效应其前端将开挖范围内的部分地层压力进一步 传递给掌子面，加剧了掌子面的失稳，主要表现在掌子面向临空面挤出或坍塌。因此，在掌子面预留核心土，同时采取注浆加固是必要的。

（三）管棚支护适用范围

根据国内外的施工实践，综合我国目前地下工程管棚支护应用的实际案例，管棚支护可适用于：软弱砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。

二、管棚支护工艺技术要点

（一）大管棚施工前准备工作

1、为保证管棚旋工质量，必须做好孔口定位，在进行正式钻孔前，可选两个以上钻孔先行试钻，摸索经验，找出弯曲规律，而后进行正式钻进，特别是在复杂地层中，这项工作必不可少；

2、在进行高压注浆之前，一定要将各孔口封堵完好，以免造成浆液外漏，影响注浆效果和管棚施工质量；

3、钢管之间的连接要保证质量，以免在开挖过程中钢管脱节，引起坍方；

4、为保证安全和管棚功效，在开挖之前，有必要对全断面施作一帽缘工程，起到支撑管棚和固定钢管的作用；

5、输排地表水，即在洞口仰坡稳定地层增设环形节水沟一道，拦截地表水，建立支状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围，以防积水下渗；

6、引排地下水，即为引排洞口段地下水，在适当位置钻设几个降水井，以降低洞口周围地下水位。

（二）钻孔

钻孔施工中应注意如下事项：

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，则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，特别是当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。

（三）安设管棚

管棚安设的注意事项如下：

1、钻孔完成后须及时安设管棚钢管，避免出现塌孔；

2、钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15cm；

3、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。

（四）注浆

注浆施工包括6个方面：掘进注浆洞室、钻凿注浆孔、注前准备、配置浆液、注浆、注浆管理。

1、灌浆方式，即进行灌浆孔的布置形式。一般根据注浆工作面的大小和钻孔作业方便而定，有地面灌浆、工作面及双侧壁导坑、导洞灌浆等注浆方式。

2、通常采用图的工艺流程进行灌浆施工安排。在注浆钻孔前，对掌子面进行加固处理以保证注浆时能承受注浆压力。对于砾岩好的掌子面，进行全断面喷混凝土20 cm～30 CB厚封闭掌子面；对于岩石破碎、地质差的掌子面，则浇筑l，5 m～3．0 m厚的混凝土止浆墙。止浆墙做好并达到一定强度后，利用地质钻机进行超前取芯钻孔，以探明断层长度及断层内地质成分，为制定施工方案和确定注浆参数提供依据。

3、注浆顺序及方式。注浆顺序一般是从拱顶顺序向下，先注内圈孔后注外圈孔（在双排或多排孔的情况下)，先注无水孔后注有水孔。如遇窜浆或跑浆，则可间隔或几孔灌注。对每一个孔，灌浆方式一般采取一次压入式，这种方式工艺简单，重复钻孔量小，可以取相对较高的压力把浆液压入较小裂隙，效果好。

4、灌浆的质量检测。灌浆完毕后要进行效果检测。

三、工程应用

（一）工程概述

重庆轨道交通六号线红土地车站施工通道，设计长度为187m，洞口段位置位于抛填土浅埋地段，抛填土高度约40m，洞口段埋深2~5m，开挖过程中极易导致仰坡面大面积坍塌。

（二）管棚设计参数

钢管规格：大管棚采用Φ108×6热轧钢管，管棚长度10m，大管棚环向间距400mm。外插角：1度（相对于洞轴线），方向与路线方向平行。

隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%。相邻钢管的接头至少错开1.5m。

（三）管棚施工

1、管棚钻孔采用地质钻机，钻孔直径为120mm。

2、采用C25砼套拱作管棚导向墙，套拱在明洞外轮廓线以外施工，套拱内埋设I120a工字钢，工字钢与管棚孔口管焊成整体。

3、管棚应按照设计位置施工，钻机立轴方向必须真确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管，钻进中应经常采用测斜仪测量钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠偏。

4、管段长度3m或6m，先下奇数管孔，第一节用3米长的钢管，偶数孔时第一节采用6m长的钢管，以后分别采用采用6m+1m和4m长的钢管。钢管接头采用丝扣链接，丝扣长度不小于15cm。

5、管棚预注浆材料在非雨天施工，地层中无水或少地下水时采用水泥单液浆,同时添加速凝剂控制凝结速度。

6、施工时,当每孔注浆终压达到2.0MPa且注浆量达到设计量的95%以上时，可结束注浆。水灰以及水泥、速凝剂掺量可根据现场注浆效果进行调整。

7当钻进地层易于成孔时，一般采用先钻孔、后插管（引孔顶入法）的方法。即钻孔完成检查合格后，将管棚连续接长，由钻机旋转顶进将其装入孔内。

8、当地质状况复杂，遇有岩堆、破碎带不易成孔时，可采用跟管钻进工艺，即将套管及钻杆同时钻入，成孔后取出内钻杆，顶进棚管，拔出外套管。

参考文献

[1] 黄成光.公路隧道施工技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 雷风.管棚注浆法在软弱围岩开挖中的应用[J].探矿工程增刊,2008(10).

[3] 徐干成,白洪才,郑颖人.地下工程支护结构[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[4] 邓云龙，郭福臣．小管棚支护技术在岩溶隧道施工中的应用[J]．铁道标准设计，2000(8)．

[5] 姬传中，翟高康．管棚在软弱围岩隧道施工中的作用[J].西安公路交通大学学报，2009(增刊)．

[6] 廖春元．采用小管棚技术处理中小型隧洞塌方[J]．探矿工程，2003(5)．