隧道大管棚超前支護施工技術與質量控制措施

摘要 隧道工程是公路交通系統中重要的組成部分，由于施工環境比較復雜，對工程施工單位的要求和標準更加嚴格，尤其是隧道工程施工中的支護工作更是重中之重。基于此，文章結合某隧道工程施工案例，對大管棚超前支護施工技術的應用及其施工質量控制措施進行深入分析，在保證隧道工程施工質量和效率的同時，也實現對隧道工程的施工安全性進行全面控制，保證隧道工程施工的順利完成，為后續類似工程項目的順利實施提供借鑒。

關鍵詞 隧道；大管棚；超前支護；支護結構

中圖分類號 U455.7 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）05-0144-03

0 引言

隧道施工經常會遇到施工區域圍巖情況不明，開挖后發現隧道結構斷面發生變化等問題，為了避免在開挖過程中產生危險現象，需要在施工過程中對前方隧洞進行超前支護。但超前支護對圍巖變形的要求較高，當隧道開挖后出現圍巖大變形情況時，需要實施超前支護施工來保證掌子面及周圍地層的安全。通過大管棚進行支護可以有效地解決圍巖變形問題，使初期支護受力更加均勻與合理。該文結合在建鐵路某區間正洞施工的大管棚工程來介紹隧道大管棚超前支護技術，保證隧道工程建設施工質量和安全性。

1 隧道大管棚超前支護施工技術及使用優勢分析

隧道大管棚超前支護施工技術是一種隧道施工新技術，通過將大管棚與支護結構相結合，不會對周圍的巖體結構造成嚴重破壞，就能實現良好的加固效果，提高隧道結構的安全性。大管棚為地下連續墻結構形式，大管棚的長度根據隧道的規模與地質條件確定。根據斷面與地層條件選用不同口徑的長螺旋鋼絞線（φ600 mm、φ800 mm）。大管棚超前支護結構主要包含基礎、立柱以及鋼架等結構部分。基礎由鋼管支撐管、鋼軌支撐桿、錨索及支護桿等組成。鋼管支撐管通過焊接方式將其連接成一個整體，形成支護結構系統。鋼管外壁涂以防腐漆或涂料，也可以采用環氧樹脂粉末涂裝。支柱選用鋼管或鋼纖維混凝土支柱，通常采用螺旋形鋼管焊接在一起形成框架支護結構系統。支柱由鋼管制成，并通過不同高度、形狀及截面方式進行設計。鋼架為工字鋼或角鋼管焊接而成的鋼筋混凝土結構或鋼—混凝土組合結構體系，通常采用雙跨布置形式（跨度為10 m、20 m）和正交多跨布置形式（8～12跨）。鋼架用于支撐和固定支護設備及材料，支撐鋼架的數量需要根據實際情況來確定。鋼結構包含工字鋼、槽鋼柱及桁架柱組合等不同種類。錨索采用不同直徑的圓鋼和螺旋鋼絞線制成并與鋼絲或鋼筋焊接而成。當前各類隧道施工中采用的是注漿灌漿、超前小導管、錨桿等方式進行加固，上述施工方法存在一定的局限性，無法完全滿足實際施工需求，需要結合隧道工程施工情況，結合大管棚超前支護施工技術方法，對隧道支護工作中存在的各種問題進行有效處理。通過大管棚支護方法的使用，可以有效控制隧道基礎沉降帶來的影響，保證隧道主體結構的安全性。其支護結構形式如圖1所示。

根據以往的應用經驗，大管棚超前支護在隧道工程施工中的優勢表現在以下幾個方面：第一，對于復雜地形以及特殊地質條件具有良好的適應性效果；第二，可以在很大程度上提升施工效率；第三，能夠降低施工成本負擔并保證施工質量；第四，大管棚支護施工還具有安全性高、結構簡單、易操作、穩定性好、適應性強等特點，受到了各大工程施工單位的廣泛關注和重視[1]。

2 工程概況

該次隧道位于喀斯特地區，由于隧道穿過的山勢陡峭，坑壁之間的凹陷地勢較為平緩，且多為平鍋底部，而隧洞入口位于較為松散的地層中，地層之間的黏附力不強，工程機械性能也不佳，容易發生變形、坍塌等危險。為了保證施工安全，需要對隧洞的變形問題進行有效控制。基于此考量，現場通過研究，決定采取階梯式和管棚式灌漿預支護技術，對工作面的前部巖體結構穩定性進行強化。在入口處用Φ108 mm的大管棚進行預支，在134°的范圍內進行了超前支擋，管棚用Φ108 mm×6 mm的無縫鋼管制造，環形間隔40 cm，大管棚末端與超前小管子搭接。該次隧道工程施工中，對于大管棚施工質量和安全性要求標準較高，因此要求工程施工單位需要充分做好控制工作，確保施工質量、安全性和周期達到預期目標。

3 隧道大管棚超前支護設計及應用

3.1 大管棚超前支護設計要點

該次隧道工程施工區域地勢較為陡峭，地形起伏較大，地層結構較為復雜，屬于軟弱地層。在大管棚的支護結構設計工作中，需要結合實際條件，采用大管棚超前支護方式對施工作業面進行保護，主要由鋼架構成管棚結構體系，分為主梁、水平支撐和豎向拉桿等組成，如圖2。在施工設計及計算軟件方面，大管棚區間超前支護施工過程中主要通過采用三維數值模擬軟件進行計算處理，根據超前支護的設計要求及原則制定出合理的支護方案，對超前支護的強度進行驗算和校核。在監測方案設計工作中，根據實際監測數據研究不同斷面形式及支護結構體系的安全性和可靠性情況。在隧道開挖過程中，預先對掌子面前方的土體進行加固處理，確保開挖工作安全有效地進行，防止開挖變形過大而對周圍環境造成影響。

3.2 套拱施工

3.2.1 工字鋼安裝

工字鋼按一定間距安裝在墻內，不設門洞，將鋼桁梁、支撐橫梁等與墻連接，構成墻體。其結構形式和作用均與墻、柱相同。隧道大管棚超前支護施工中，工字鋼安裝需要將工字鋼布置在墻上或立柱上，工字鋼鋼料經加工處理之后，可采用電焊等多種方法連接成組，可進行現場加工和安裝。

3.2.2 導向管安裝

工字鋼架架設完成后，需要及時安裝管棚導向管。超前注漿是一種以泥漿作為充填材料，以高壓水為動力進行固結圍巖的一種超前支護方法。該方法通過泥漿對土體進行加固、固化和補強，從而達到支護的目的，主要應用在隧道大管棚穿越時，根據大管棚的位置布置以及大管棚在隧道中安裝的位置來決定隧道的成洞率，同時采用高強度耐磨損耐腐蝕材質保證工程施工質量[2]。

3.3 鉆孔工作

（1）鉆進設備就位。按鉆頭本身的高度來決定掘進的深度，當掘進到梯級的情況下，可以用管棚式的鉆具來作為工作臺。在鉆具到位后，按照現場的實際情況，將鉆具安裝固定好并對現場進行有效調試。在鉆進過程中，應按照實測資料對鉆頭位置和傾斜方向進行精確控制，以確保進入的管棚角達到規定角度。將鉆頭尖端精確地放置在測樣點位上，在鉆頭后端通過對三軸的測量資料，對鉆眼橫向和豎直分角進行精確調節，以確保眼孔角度滿足需要。可根據現場的地質和井眼狀況，適時調整鉆頭角，并使用測斜儀進行測量。

（2）鉆孔。在鉆進時，需要合理控制鉆進速度，并注意觀察鉆頭與導孔之間的摩阻，以便判斷出鉆頭的行進方位，在鉆入2 m左右時需要控制鉆頭，使其保持勻速鉆進。鉆孔時高壓空氣持續噴入，將鉆孔中的鉆渣從鉆孔中噴出。為了確保鉆進的準確性，在鉆進過程中，必須根據地層的不同而進行相應的調整。在鉆完一定的深度后，從鉆孔中抽出鉆柱，用高壓空氣對其進行吹掃，將鉆頭內的殘留物清理干凈。

3.4 大管棚安裝施工流程

（1）預先進行大管棚的安裝。大管棚由塔架（或支架）和大橫梁組成，采用吊點定位方法，將大橫梁放置在所需的位置上，通過拉、壓結合的方法將吊點固定于塔架（或支架）上，利用施工現場提供的導向樁和地錨來定位。在基礎處理工作中需要對地面進行清理，保證地面平整和堅實，達到規定的標高和高程。

（2）放樣工作。在地面放好標高控制線后進行放樣工作，主要是對管道和設備以及構筑物的位置線進行復核，安裝大橫梁，按設計要求將大橫梁與基礎之間用支撐梁連接成一個整體，就位后進行校核及調整后使用地錨與大管棚固定[3]。調整及驗收標準方面。采用吊點法將大管棚及大橫梁同時吊起（或放低）。按驗收標準檢驗合格后用吊索連接各桿件，使大橫梁保持垂直狀態。

（3）管道安裝。按照所安裝大管棚和大橫梁安裝順序，依次安裝管道（包括支架和其他設備），并及時清理現場工作面以免影響操作和造成危險。

（4）試壓及驗收。這也是最關鍵的環節。對管道進行水壓試驗，壓力為0.4 MPa，待無滲漏現象后（24 h）進行下道工序施工。在所有管道都合格后方可對大管棚進行試壓，并檢查各部件是否正常。

（5）按規范要求對大管棚進行封頭防腐處理，如圖3所示。

3.5 注漿施工

3.5.1 泥漿調配

在水泥攪拌器中進行混凝土漿的混合。該項目所使用的泥漿為1∶1的水灰比例，并按照混合器的體積，按照規定的比例加入。在調配漿液時，應嚴格控制進料的先后次序和快慢，并在灌漿期間不斷地進行混合。漿料必須是流動性和可注性的，混合后的漿料必須經過預處理，然后才能流入儲料箱和注漿機。

3.5.2 灌漿工程

在灌漿之前需要在洞口管棚的起始端、套拱式輪廓線及外輪廓線上噴入一次水泥砂漿，將其封住，以避免灌漿過程中出現滲漏[4]。在灌漿之前，對管棚內的鋼管進行高壓空氣吹掃，以避免雜物阻塞灌漿口。在注漿之前，應對管道是否通暢和機器運行情況進行檢查，確保機器運行良好，然后對漿料進行各種檢測，以決定最佳灌漿工藝參數。該工序采用 BW—250/50灌漿機，按先低孔后高孔的灌漿方式，由拱腳處開始向圓筒進行灌漿。注漿方式是分層注漿，其泥漿從稀到稠，通常是從高到低，從0.5～1.0～5.0 MPa，要嚴格控制注漿率，以保證鉆孔周邊巖石和鋼管周邊的空洞充分填充。在灌漿過程中應仔細檢查孔口、鄰孔和覆蓋層較細的部分是否存在串漿，并在出現串漿孔的情況下，應對其進行有效堵漏。灌漿完成后，應及時將堵漿閥門關閉，同時徹底清理管道，清理完成后用M30水泥漿填充鋼管。灌漿管的灌漿深度為30 cm，以提高鋼管的抗壓能力[5]。

4 隧道大管棚超前支護施工質量控制要點

第一，在施工過程中要注重對大管棚區間進行及時有效的注漿加固工作，確保支護結構能夠滿足設計要求。第二，在隧道工程建設過程中必須做好全斷面注漿量測、注漿孔布置等工作；第三，加強圍巖壓力監測控制工作。第四，做好大管棚的質量控制措施，保證隧道支護結構能夠滿足工程質量要求；第五，提高大管棚支護結構整體強度、剛度和穩定性等性能。

大管棚超前支護施工質量控制工作的主要依據為大管棚應用效果圖，以及隧道開挖后的效果示意圖、超前支護施工效果示意圖以及隧道開挖后的結果示意圖。在該項目中，通過現場觀測情況及數據資料分析得出結論：大管棚應用能夠有效提高掌子面前方區域圍巖承壓力，并且能夠對周圍圍巖進行加固和錨固作用，支護效果非常理想，值得在隧道支護施工中進行推廣應用。

5 結語

在該次隧道工程支護施工中，通過大管棚支護施工技術的應用，整體表現出的施工優勢非常明顯，并且由于在工程施工中采用了科學合理的施工管理措施，使大管棚具有更高的精確性，從而加速了施工的進程，并能有效地抑制地面沉降，降低了超開挖和回填，縮短了工期，取得良好效果。

參考文獻

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[4]王震， 仇峰濤， 陳龍龍. 隧道開挖超長大管棚超前支護機理及效果分析[J]. 筑路機械與施工機械化， 2019（11）： 85-92.

[5]陳永紅， 房敦敏， 杜衛兵. 圓拱直墻土洞超前大管棚支護進洞錯臺階開挖施工工法[J]. 水利建設與管理， 2019（S1）： 46-53.