隧道管棚超前支護技術應用研究

陸興榮

(貴州橋梁建設集團有限責任公司)

隧道管棚超前支護技術應用研究

陸興榮

(貴州橋梁建設集團有限責任公司)

在隧道工程的開挖過程中經常采用管棚超前支護技術來防止開挖過程中出現的塌方、位移、地表沉降等災害的發生，超前支護技術特別適用于隧道淺埋段、軟弱和泥流等地質復雜段的開挖工程。管棚超前支護技術具有工期短、加固范圍廣和穩定高等諸多優點，所為其在隧道施工中的應用越來越廣泛，主要就是針對隧道管棚超前支護技術應用展開研究。

隧道;管棚超前支護;應用研究

1 引言

隨著我國經濟建設步伐的不斷加快，隧道工程的建設規模也日益增多，特別是在地質復雜地段的隧道開挖工程極易發生塌方、冒頂等不良施工狀況，給隧道工程的施工質量和施工人員的人身安全構成了嚴重的威脅，這就需要在開挖過程中針對這種現象采取一種有針對的支護方法來增強圍巖的結構穩定性，超前支護技術就是伴隨這種需求而不斷發展和完善起來的。大量的工程實踐表明，采用合理的超前支護技術能夠有效的保證圍巖結構的穩定性，防止地表產生不均勻沉降，管棚支護技術施工距離長、安全性高、施工周期短等優勢也得到了充分的體現，管棚支護主要是通過鋼管和鋼拱架來組成結構體系，在管棚的末端通過導線管將其固定在套拱內，之后通過鋼管內預留的通道孔向巖體進行注漿作業，從而在隧道巖體周圍形成有效的支護體系。從目前工程的實際應用情況來看，隧道管棚支護可以分為單層管棚和雙重管棚兩種類型，根據鋼管的直徑來劃分也可以分為大管棚、中管棚、小管棚三種。

2 隧道管棚支護的特點、作用及支護原理

2.1 隧道管棚支護的特點

顧名思義，超前支護技術就是在隧道開挖之前所進行的一種防護處理，管棚超前支護是在進行隧道開挖之前按照隧道的輪廓線將鋼管打入巖體之中，外露部分通過固定在鋼拱架上，形成拱形結構，從而在隧道開挖之前形成保護棚，管棚超前支護措施通過形成的薄殼結構，能夠保證整個支護系統能夠整體受力，由于管棚支護技術其前端打入了巖體內部，能夠跟錨桿等初次支護結構相連接，兩者之間能夠形成縱向支撐，大大提高結構的抗豎向荷載的能力。另外隧道管棚超前支護在隧道的橫斷面方向能夠形成拱群效應，能夠在短時間內使得隧道在橫向范圍內建立其新的受力平衡。

2.2 隧道管棚超前支護技術的作用

隧道管棚超前支護技術的主要作用體現在加固圍巖方面。通過鋼管開孔可以向圍巖內部注入水泥等材料來提高圍巖的結構穩定性。其次管棚超前支護可以起到承載作用，深入巖體內部的鋼管可以直接承受施工過程中巖體結構穩態變化之后產生的荷載。再有隧道管棚超期支護技術能夠有效的擴散和傳遞開挖過程中巖體向外所釋放的荷載，特別是在開挖過程中深入巖體內部的大量鋼管可以將承受的荷載有效的向不同方向進行分散。從施工的實際效果來看，隧道管棚超前支護技術有效的阻斷了拱頂沉降的發生速度，有效提高的圍巖的強度，避免了塌方事故的發生。

2.3 隧道管棚超前支護技術的支護原理

管棚超前支護的支護原理是通過向圍巖的內部空隙內進行注漿，從而有效提高圍巖的強度和剛度，提高其承載能力。深入巖體內部的鋼管形成加固拱圈，有效分散上部的巖層重量，能夠保證圍巖處于免壓狀態，另外圍巖的一段固定在套拱基礎之上，另外一段固定到圍巖內部，這樣可以在圍巖周圍形成一個結構穩定的簡支梁支撐結構，對上部荷載進行有效的支撐和分散。

3 隧道管棚超前支護技術

(1)鋼管的型號

隧道管棚超前支護施工過程中采用的鋼管型號主要是熱軋無縫鋼管，鋼管的長度一般選擇10～45 m，鋼管的外徑一般為70～180 mm。鋼管一般是進行分段拼接，相鄰兩段鋼管之間通過絲扣連接，也可直接進行焊接。鋼管管身需要預留注漿孔，注漿孔的孔徑一般選擇在15 cm左右，相鄰兩注漿孔的間距控制在15～20 cm，注漿孔的排列形式通常稱梅花形排列，在鋼管的末端不進行開孔，以避免砂漿等滲漏。

(2)鋼管的支護長度

在選擇鋼管支護長度時要根據圍巖的具體工程狀況來確定，另外選擇不同的施工工法、施工機械組合、不同鋼管直徑等都會對管棚的長度造成一定影響，在隧道施工中如果圍巖的地質狀況變化不大，管棚支護的長度越長就能夠對保證施工的效率就越有保障。但在實際施工過程中可能會遇到塌孔、卡鉆等狀況，這就要求適當控制好單節管棚的長度。

(3)管棚環向間距

在管棚超前支護施工過程中要根據地質條件、地層壓力和管棚設置的部位等條件來合理確定管棚的環向間距，通常施工過程中環向間距選擇為30～60 cm，從提高圍巖的結構穩定性角度考慮，采用小直徑的管棚進行高密度布置可以更好的避免隧道開挖過程中出現塌方現象。但是大面積的密集施工對施工工藝提出了極高的要求，嚴重影響到了施工的效率。如果管棚的間距過大，雖然總體變形量會小，但相鄰鋼管之間的間距過大容易導致圍巖的土體發生塌落，影響了管棚支護的實際效果。

(4)掘進的步距

管棚支護施工過程中掘進的步距要適中，步距過小就會增加各個工序之間轉換時間，降低了施工的效率，掘進的步距過大可能會引起塌方的危險，所以實際施工的過程中掘進的步距一般選擇1.0 ～2.0 m。

(5)管棚的水平搭接長度

搭接長度的選擇要結合隧道的開挖高度的圍巖的地質狀況來綜合選擇，需要注意的是管棚額水平搭接至少要保留1.5 m的搭接長度，一般搭接長度要控制在2～4 m左右。

(6)管棚的仰角

由于管棚在施工過程中會受到圍巖土體和鋼管自重的作用，所以鋼管在鉆進過程中會受到豎直向下荷載的作用，會產生向下的彎曲，為了保證鋼管能夠按照要求到達設計位置，需要在開鉆之初先設定一定的仰角，仰角設置過小，管棚就不能到達設計的位置，仰角設計過大的話管棚可能會進入隧道范圍內，對隧道的掘進安全構成影響。所以在隧道的掘進過程中需要結合巖層的地質條件、鋼管的材質和鉆進工藝綜合考慮管棚仰角，通常仰角選擇在1～3°左右。

(7)管棚注漿參數

在鉆入鋼管之后，需要施加一定的壓力來注入漿液，注漿通過鋼管的開孔深入圍巖的內部空隙，從而使得圍巖和管棚相互形成超前支護體系。在隧道管棚超前支護施工過程中，注漿的主要作用是通過漿液的填充、滲透或擠密作用來填充巖體內部的空隙，將巖體內部土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣排除圍堰內部，通過漿液和松散顆粒之間的相互膠結作用，從而重新形成保護圍堰結構穩定性的穩態結構，從另外幾方面也極大改變了圍巖的物理力學參數，提高了圍巖的承載能力，同時起到防滲的作用。選取所采用的灌注漿液時，需要從以下幾個方面進行綜合考慮:漿液的施工和易性，漿液凝膠之后要具有足夠的強度，漿液能夠與所采用機械設備相匹配，要對漿液的凝聚時間進行試驗來確定，核實材料的來源、出廠質量證明等材料。根據現場經驗，隧道管棚超期支護漿液可以采用水泥漿、水泥—水玻璃漿、水玻璃漿液。水泥漿液膠結之后強度高，材料來源廣泛，施工工藝方便，但是水泥的穩定性差，其凝結時間不宜控制。水玻璃漿液的凝結時間短，滲透性強，但是凝結之后強度要低于水泥漿液，也容易造成環境污染。

注漿過程中要施加一定壓力從而保證漿液能夠在巖土層中滲透、擴散、壓實成型，注漿壓力的大小對注漿效果的好壞和注漿費用的高低有著直接的影響。一般注漿壓力的大小主要以地層所容許的注漿壓力為標準，一般要小于或等于地層容許注漿壓力。管棚超前支護中的注漿壓力一般采用0.5～1.0 MPa，當巖層中出現涌水時要適當加大注漿壓力，當出現涌水且壓力較大時，需要先進行預注漿堵水而后打設管棚。

4 結語

隨著我國經濟建設步伐的不斷加快，在一些地形復雜多變，地質條件較為特殊的路段不可避免要進行隧道施工，為了更好的保證施工質量和施工安全管棚超前支護技術在隧道工程得到了廣泛的應用。對隧道管棚支護技術應用進行了研究，但是還需要結合工程實際情況來不斷完善和改進管棚超前支護技術，以期為我國隧道發展做出積極的貢獻。

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10.16402/j.cnki.issn1008-3383.2015.04.113

2015－02－13