淺談管棚施工技術在隧洞進口段開挖中的應用

黃建文

(廈門興海灣工程管理有限公司，福建 廈門 361000)

0 前 言

管棚施工作為工程建設施工中不可缺少的技術手段之一，尤其是隧道進口開挖施工中。管棚施工技術所具備的優勢主要在于施工范圍廣、安全性可靠性高以及節省材料等諸多方面。就隧道進口段開挖而言，該開挖階段作為城市隧道建設中不可或缺的一部分。隧道進口段開挖好壞對整個隧道施工更是有著直接影響。然而，因隧道進口段地質情況較為復雜，所以開挖過程中很容易出現坍塌現象。面對該問題，為高效施工的同時實現施工經濟效益最大化，就必須將管棚施工技術合理地應用到其中。這樣不僅可實現對隧道周圍巖土的加固，而且能夠讓隧道進口段開挖順利穿過軟弱巖層段，防止山體坍塌出現。針對管棚施工技術在隧道進口段開挖中的應用，本文首先將對管棚施工需掌握的技術要點進行分析，進而以某工程為例，對管棚施工技術在其中的應用進行闡述，以供參考。

1 管棚施工技術要點

1)鉆孔精確度的控制。在開始鉆孔前，必須在管棚孔口位置埋置套管，將鋼管放在標準拱架上，測定鉆孔孔位與鉆機的中心，并保證兩點之間的一致性。為了避免鉆孔中心振動，需要應用U型螺栓與拱架對鋼管進行加固。與此同時，為了防止該過程中鋼管出現彎曲現象，施工人員需每隔5 m對正在鉆進的鉆孔的彎曲情況進行監測。在對松軟土層或者是不均勻土層進行鉆進的時候，管棚應設定外插角，通常情況下，應將外插角角度控制在1°～3°。

2)鋼管位置的控制。鋼管在打入施工的時候需要隨鉆孔一同進行，并且嚴格按照規定要求接長。為保證接頭連接的可靠性，可在接頭上應用厚壁管箍，上滿絲扣的形式進行。在土體打入就位后，需要及時隔孔向鋼管內以及周圍壓注水泥漿，或者是水泥砂漿。只有這樣，才能使鋼管與周圍巖體變得更加密實，才能提升鋼管剛度。

3)注漿效果的控制。在管棚施工中除了需要加大對上述兩個技術要點加以重視之外，還應嚴格控制管棚之間的間距，以此避免管棚之間出現過大間距情況，或者是偏離管棚弧形中心線。其次，需要嚴格按照試驗參數對注漿量進行控制，進而防止因注漿效果欠佳導致的流砂現象出現。必要時可通過與小導管注漿之間的結合達到良好的注漿效果。

2 案例工程概況

在新時代中，隨著管棚施工技術的越發完善以及其在工程建設中發揮的作用日益突出，管棚施工技術在隧道進口段開挖中的合理應用逐漸顯得尤為重要。對此，本文以某市政隧道工程為例，對該方面內容進行深入研究。本文分析的隧道工程主要位于城市中心，隧道總長度為2 969 m，按左、右線隧道分開設置，隧道沿地層主要為第四系殘坡積層，單軸飽和抗壓強度經驗值為3～5 MPa，土體巖性為強風化花崗巖，受構造影響較大，巖體成散體塊狀結構，圍巖穩定性與自穩能力較差，圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類。

本合同段左、右線隧道，按照其設計圍巖等級、設計概況確定淺埋暗挖段施工方法見表1。

表1 淺埋暗挖段施工方法統計表 單位：m

3 管棚支護施工與灌漿施工

3.1 管棚受力原理

1)土拱效應。第一管棚以掌子面和后支撐為支點，形成梁結構，兩者圍繞隧洞輪廓構成殼體結構，可有效抑制圍巖松動塌陷。土拱有其自身的形成過程:在荷載或自重的作用下，土體會壓縮變形，導致沉降不均勻，導致土體顆粒之間產生“楔密”效應，在一定范圍的土層內產生“拱效應”。在非巖層中開挖隧道時，隧道周圍的巖層會發生變形或錯開，產生應力釋放現象，這實際上是隧道周圍的應力向鄰近部位傳遞的結果，即土拱效應。

2)加固效應 。灌漿漿體通過管壁孔壓入圍巖裂隙，改善了軟弱圍巖的物理力學性能，提高了圍巖的自承載能力，達到了加固鋼管周圍軟弱圍巖的目的。通過注漿管,提前形成拱形結構表面的隧道扮演的角色“軸承拱”和地面上的上部拱負載,而圍巖的變形壓力拱是由拱內的圍巖承擔,從而創造理想的開挖條件。

3)緩沖效應 。管棚支撐剛度較大。如果在施工過程中出現塌方，塌方還會落在巖石上面的管棚起到緩沖作用。即使管棚不穩定，其破壞也是緩慢的。當隧道沿輪廓開挖并被管棚包圍時，加固環的變形變小，隧道支護結構上部荷載將大大減小。同時，通過管棚將拱的圍巖連接起來，形成整體支護結構，保證了初期支護和掘進施工的安全。

4)能量耗散效應。爆破氣體的膨脹和爆炸沖擊波的傳播產生的鉆探和爆破方法將被吸收,反射和漫射滿足管道的環槽,這可以大大減少造成的巖體破壞和擾動范圍反向張力波動。

3.2 管棚設計

1)管棚選擇。根據地質條件,進口淺埋拱部設置一個長管屋頂采用ф108×6 mm熱軋無縫鋼管,40 m的長度,管屋頂使用鋼拱和拱腹,環間距35 cm,仰角1°～3°,不入侵隧道開挖線盡可能小,孔徑大于20～30 mm的管棚鋼管直徑,井眼數目由高到低依次排列。焊接鋼管的前端處理成一個尖錐。鋼花管部分按梅花形布置Φ12 mm灌漿孔,注漿孔間距15 cm。鋼管方向與路線中線平行。

2)注漿參數 。灌漿加固參數是根據實際測量結果確定的。長管棚注漿擴散半徑0.9～1.2 m,灌漿速度35～50 L/min,設置時間45 s～ 6 min,最后灌漿壓力2.0～2.5 MPa,水泥漿水灰比2∶1～1∶1,平均單洞灌漿體積4.2～4.6 m3(孔隙率0.2)。

3.3 管棚施工

1)鉆孔、安設注漿管。在隧道開挖輪廓線以外現澆C25混凝土護拱，搭設鉆機平臺，用管棚鉆機鉆孔，達到設計深度后掃孔，安裝管棚，并在孔口1.5～2.5 m處安設與鉆孔直徑相同的橡膠套，用水泥砂漿封閉孔口，防止漿液沿注漿管與鉆孔壁的縫隙擠出。

2)漿液選用及注漿。用超細水泥配制注漿液，采用后退式分段注漿，關閉孔口閥門，開啟注漿泵進行管路壓水試驗，試驗壓力等于注漿終壓，如有漏水及時檢修。注漿時采取低壓力、中流量注入，注漿過程中壓力逐步上升，流量逐步減小，當壓力升至終壓時，繼續壓注5 min 再結束注漿。注漿孔在注漿結束后及時清除管內漿液，并用30號水泥砂漿填充，以增強管棚的剛度和強度。

3)注漿結束標準。每段注漿施工正常，注漿壓力達到設計終壓，注漿量達到設計注漿量的80%及以上，或雖未達到設計終壓，但注漿量已達設計注漿量，即可結束單孔注漿，設計的所有注漿孔均達到結束標準，無漏注現象，注水試驗地層吸水率0.05 L/min，黏土固結強度大于0.4 MPa時即可結束全段注漿。

4)洞身開挖。在完成鋼管安裝，并形成棚頂后，在棚頂保護下，逐漸開挖進鉆。采用CD法開挖，從上往下，分步開挖成洞的方式掘進。因本工程施工中的圍巖地質存在有地質較差的特征，所以，需要在一邊開挖一邊支護，并及時封閉成環。采用短進尺、多循環、強化支護的開挖方式，穿過軟弱巖層帶。

4 管棚施工技術應用的安全控制措施

1)在鋼管型號與規格等的選擇上，必須根據實際施工現場情況及規范要求進行選擇。

2)鋼管插入孔內的長度不能小于設計長度的95%。

3)完善施工安全保障體系，加強施工作業中的安全檢查，讓整個作業規范化有所提升。

4)為保證施工安全性，必須要為現場施工安排統一的指揮人，并設置1名專職安全員負責現場施工的安全工作，堅持班前進行安全教育。

5)在進行注漿施工的時候，必須由1名技術人員統一指揮，各就其位，嚴格按照規定要求進行注漿施工。在完成注漿施工后，需認真清洗注漿設備，并在設備退場后對這些設備進行保養。

6)根據隧洞進口開挖工程施工實際情況，合理調配資源，保證施工質量，尤其是重難點工程上的質量保障上。以上就是管棚施工技術應用的安全控制措施，有關人員必須對其加以重視。只有這樣，才能在保證管棚施工技術得到科學、合理應用的同時，在隧洞進口開挖施工中發揮自身最大化的優勢，提高隧洞進口開挖質量，保證工程施工順利進行。

5 結束語

隨著新時代社會經濟的迅速發展，我國工程建設項目逐漸變得越來越多，尤其是市政工程項目。通過對該方面內容的深入研究可知，管棚施工技術是我國眾多工程施工中的一種施工手段。由于管棚施工技術自身有著安全可靠性高，節省材料等優勢，并且在隧洞進口開挖施工中的應用，將給隧道進口開挖工程給帶來諸多優勢。因此，有關人員必須對其加大重視，并通過對管棚施工技術的合理應用，促進工程施工的順利進行。

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