管棚法超前支護技術在施工中的應用

趙杰斐 趙亞彬

（漢中市水利水電建筑勘測設計院 陜西漢中 723000）

1 管棚法超前支護技術簡介

管棚法超前支護也叫管棚法或傘拱法，管棚是為防止在隧洞開挖時引起地表下沉或圍巖松動，在開挖掘進前沿開挖工作面的上半斷面周邊按設計打入厚壁鋼管，在地層中構筑的臨時承載棚防護下，為安全開挖預先提供增強地層承載力的臨時支護方法。

2 工程實例

2.1 總體施工方案

兩河村水電站輸水隧洞采用城門洞形斷面，為無壓隧洞。隧洞斷面設計凈尺寸為3m（寬）×4.3m（高）。根據前期地質勘察結果，隧洞圍巖巖性為泥盆系中統微風化～新鮮的大理巖夾千枚巖，片理產狀變化較大，走向與洞線夾角總體較小，對圍巖穩定有一定不利影響，但片理傾角較陡，片理面結構較緊密，裂隙多閉合，總體圍巖基本穩定，圍巖類別為Ⅱ類，圍巖堅固系數（f）為6～8。洞身段地下水位較高，一般均高于設計隧洞，但由于隧洞埋藏較深，裂隙不發育，或裂隙多閉合，巖體透水性較差，不會發生大規模滲水現象。局部遇裂隙密集帶或斷層破碎帶，圍巖穩定性差，屬于Ⅲ～Ⅳ類（局部穩定性差～不穩定）圍巖，且會出現較大滲水，需采取相應的工程處理措施。在施工過程中，針對圍巖破碎，裂隙較多，不易成洞的不良地質段，結合類似工程施工經驗，采用管棚法施工，管棚支護完成后再進行洞室開挖，排險出渣后及時采用I18工字鋼拱架進行支護，并掛鋼筋網片，噴射C20細石混凝土。為保證隧洞幾何尺寸，開挖斷面尺寸為3.8m（寬）×4.6m（高）。為確保隧洞開挖安全作業，設計管棚每節長3m，每榀鋼拱架拱圈處環向間距30cm布置15根φ50mm無縫鋼管；鋼拱架間距80cm并掛20cm×20cm的φ10mm鋼筋網片，每兩榀拱架之間環向間距80cm布置15根φ25鋼筋作為連接筋，完成后噴射20cm厚C20細石混凝土。

2.2 管棚施工方法

2.2.1 洞身管棚施工

施工時，在每榀鋼拱架拱角以上范圍采用φ50無縫鋼管（壁厚3mm）超前管棚支護輔助施工，環向共設15根，每跟鋼管長度3m，環向間距0.3m，外插角2～3°。套拱在隧洞開挖輪廓線以外施作。

（1）管棚施工工藝流程

圖1

（2）施工工藝

①測量放樣

根據隧洞進口布設的三角導線網，用全站儀采用坐標放樣進行管棚起始中心點放樣。并在垂直于軸線兩側邊線上各放樣兩個邊線控制樁，以便隨時校核軸線點并檢查方向的正確性，然后在起始端安裝兩榀I18工字鋼以作定位，測設拱頂部位每根導管中心線方向，并用記號筆標記于鋼拱架上，作為導向控制。

②工字鋼安裝

為保證管棚結構剛度，布設兩榀I18工字鋼，間距80cm。工字鋼拱圈半徑為1.678m（內徑）。每榀鋼架共分為三個單元，必須保證鋼架中每節的尺寸與弧度都滿足設計要求，工字鋼的各單元需通過連接板進行焊接，并使用螺栓連接牢靠，連接板必須緊密貼合，每節鋼架的兩端需焊連接板進行加固，鋼架加工好后，需要進行試拼并檢查，每榀鋼架各端總共需要8套螺栓和螺母。鋼架的下端需安放在穩固的地層上，拱腳高度需低于上部設計開挖底線以下15～20cm。安裝鋼架時必須嚴格按照設計的中線和水平位置進行架設，安裝尺寸允許偏差范圍：橫向為0～+5cm，垂直度±2°噴護混凝土厚度為20cm，噴護混凝土時鋼架必須全部被混凝土覆蓋，鋼架保護層厚度不應小于20mm。每榀鋼拱架兩側立桿增設長3m的φ25mm鎖腳錨桿8根；并在環形斷面布設20cm×20cm的φ10mm鋼筋網片，與鋼拱架焊接牢固，為保證網片的強度，焊接網片時每相鄰兩榀拱架環向間隔80cm焊接一道φ25mm的連接鋼筋，即每相鄰兩榀拱架焊接φ25mm連接鋼筋15根。拱腳開挖超深時，加設鋼板或混凝土墊塊。

③管棚的加工

a.成孔后要立即消孔并下管，以免因坍孔造成孔內堵塞而無法順利安裝。

b.管棚直徑為φ50mm無縫鋼管，壁厚3mm，單根長度為3.0m。鋼管在同一截面的接頭數不得超過總管數的50%。

c.管棚在安裝前用高壓空氣對孔內進行掃孔、清孔，清除孔內浮渣，確?？讖剑讖讲坏眯∮?0mm）、孔深符合要求，防止堵孔。管棚采用頂進法安裝。

④管棚鉆孔

a.鉆孔參數：

A．鉆孔直徑：50mm。

B．鉆孔平面誤差：不大于10cm。

b.鉆孔時的孔斜測定措施：

A．鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對每個孔進行編號。

B．嚴格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧洞開挖線內，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

C．扶正器扶正鉆具。

D．水準儀根據高差調整角度。

c.掃孔

用φ30mm巖芯管進行掃孔，目的是清除孔內巖碴和順通孔道。巖芯管長度不小于3m為宜。如遇下管困難，需連續掃孔幾次，同時借助高壓空氣吹洗，直到孔內清掃干凈。

d.下管：

A.管棚施工參數

鋼管規格：熱軋無縫鋼管φ50mm，壁厚3mm，節長3m。

管距：環向間距30cm

外插角：2～3°（不包括線路縱坡）沿拱架頂拱環向布設。

B.下管

當孔壁不易坍塌時，采用直接撞擊法將導管撞擊至設計位置，當孔壁容易坍塌時，用導管與鉆頭同時鉆進的方法。如鋼管頂進遇到故障，頂不進時，查清原因，必要時重新掃孔后再將鋼管頂進。鉆進過程中地質情況判斷：根據鉆孔的速度，巖土取芯，視鉆壓力等情況判斷此段地質情況，并及時作好施工記錄，根據記錄數據繪制地質剖面圖和展開圖，為開挖施工提供參考依據。

2.2.2 洞身支護施工

經超前管棚加固并開挖完成后，及時進行初期支護，支護方式采用工字鋼拱架掛鋼筋網噴射C20細石混凝土的支護方式施工。

2.3 洞室開挖

2.3.1 施工控制要點

開挖采用短進尺、少藥量、多布孔、強支護的施工原則。視巖石情況分2～3次進行爆破作業，每次進尺控制在1m左右。

采取全斷面開挖的方法。在開挖時，控制開挖進尺1m左右，然后施工拱部范圍的管棚。拱部的管棚在施工鉆孔時，需要對鉆孔的方向進行精確的控制，拱頂范圍內的鋼管均以隧洞的中心線為基礎上仰2°，采用全站儀確定中線，配合以水準儀垂球吊線的方法測定仰角，準確的進行定位，直到結束。

根據實際的地質條件以及施工條件，一個工作面可以使用兩臺鉆機進行作業，施工的順序從拱頂開始，兩側對稱進行施工，鉆孔時鉆機距工作面距離一般情況下不少于2m，同時鉆孔以風動潛水沖擊鉆進法為主。

開鉆時，先采用低速和低壓，等待成孔后，再進行加速和加壓。鉆進的過程中，必須沿鉆機定的基線進行鉆孔，隨時測定鉆孔方向準確度，根據地質條件的不同變化，選擇不同類型的鉆頭，當遇到稍軟的巖石時，使用合金管鉆進行鉆進。若遇到比較堅硬的巖石不能鉆進時，使用沖擊鉆頭，擊破巖石。由于巖土對管壁的阻力較大，前段開孔時采用φ42mm鉆頭，容易使鋼管頂進，鉆進過程若遇到特殊的復雜地層，如過不能鉆進或者難以成孔時，可以采用預注漿加固，再鉆進成孔。

2.3.2 施工過程技術措施

（1）在鉆孔過程中用全站儀測定量測鋼管鉆進的偏斜度，發現偏斜超過設計要求，及時糾正。

（2）在鉆進過程中注意控制水量不過分沖刷孔壁，應能形成泥漿護壁。

3 結束語

管棚法是近些年來發展迅速的一種在軟弱巖石中進行隧洞開挖的新技術。管棚法最早是作為隧洞開挖施工時采用的一種輔助方法，在軟巖隧洞施工中穿越軟弱地層，破松散帶、碎帶、涌砂、涌水層發揮了非常重要的作用。前期預埋超前管棚作為頂板和側壁支撐，為后面的隧洞開挖提供了堅實、牢固的基礎。通過實踐證明，該工法具有不需要大型機具設備、工藝簡單、較安全、施工時間短、見效快等特點，因此在地下工程軟弱圍巖施工中被廣泛采用，被認為是隧洞施工中解決冒頂和局部坍塌的最有效，最合理的施工方法。

[1]周順華，董新平.管棚工法的計算原理及其應用.同濟大學出版社，2007.

[2]石仙龍.管棚法處理隧道特大坍方段的應用技術.中國科技博覽，2011（31）：621.

[3]文妮.采用管棚法處理淺埋隧道坍方段的技術應用.科技創新與應用2016（9）：250.