隧道管棚超前支护技术应用研究

陆兴荣

(贵州桥梁建设集团有限责任公司)

隧道管棚超前支护技术应用研究

陆兴荣

(贵州桥梁建设集团有限责任公司)

在隧道工程的开挖过程中经常采用管棚超前支护技术来防止开挖过程中出现的塌方、位移、地表沉降等灾害的发生，超前支护技术特别适用于隧道浅埋段、软弱和泥流等地质复杂段的开挖工程。管棚超前支护技术具有工期短、加固范围广和稳定高等诸多优点，所为其在隧道施工中的应用越来越广泛，主要就是针对隧道管棚超前支护技术应用展开研究。

隧道;管棚超前支护;应用研究

1 引言

随着我国经济建设步伐的不断加快，隧道工程的建设规模也日益增多，特别是在地质复杂地段的隧道开挖工程极易发生塌方、冒顶等不良施工状况，给隧道工程的施工质量和施工人员的人身安全构成了严重的威胁，这就需要在开挖过程中针对这种现象采取一种有针对的支护方法来增强围岩的结构稳定性，超前支护技术就是伴随这种需求而不断发展和完善起来的。大量的工程实践表明，采用合理的超前支护技术能够有效的保证围岩结构的稳定性，防止地表产生不均匀沉降，管棚支护技术施工距离长、安全性高、施工周期短等优势也得到了充分的体现，管棚支护主要是通过钢管和钢拱架来组成结构体系，在管棚的末端通过导线管将其固定在套拱内，之后通过钢管内预留的通道孔向岩体进行注浆作业，从而在隧道岩体周围形成有效的支护体系。从目前工程的实际应用情况来看，隧道管棚支护可以分为单层管棚和双重管棚两种类型，根据钢管的直径来划分也可以分为大管棚、中管棚、小管棚三种。

2 隧道管棚支护的特点、作用及支护原理

2.1 隧道管棚支护的特点

顾名思义，超前支护技术就是在隧道开挖之前所进行的一种防护处理，管棚超前支护是在进行隧道开挖之前按照隧道的轮廓线将钢管打入岩体之中，外露部分通过固定在钢拱架上，形成拱形结构，从而在隧道开挖之前形成保护棚，管棚超前支护措施通过形成的薄壳结构，能够保证整个支护系统能够整体受力，由于管棚支护技术其前端打入了岩体内部，能够跟锚杆等初次支护结构相连接，两者之间能够形成纵向支撑，大大提高结构的抗竖向荷载的能力。另外隧道管棚超前支护在隧道的横断面方向能够形成拱群效应，能够在短时间内使得隧道在横向范围内建立其新的受力平衡。

2.2 隧道管棚超前支护技术的作用

隧道管棚超前支护技术的主要作用体现在加固围岩方面。通过钢管开孔可以向围岩内部注入水泥等材料来提高围岩的结构稳定性。其次管棚超前支护可以起到承载作用，深入岩体内部的钢管可以直接承受施工过程中岩体结构稳态变化之后产生的荷载。再有隧道管棚超期支护技术能够有效的扩散和传递开挖过程中岩体向外所释放的荷载，特别是在开挖过程中深入岩体内部的大量钢管可以将承受的荷载有效的向不同方向进行分散。从施工的实际效果来看，隧道管棚超前支护技术有效的阻断了拱顶沉降的发生速度，有效提高的围岩的强度，避免了塌方事故的发生。

2.3 隧道管棚超前支护技术的支护原理

管棚超前支护的支护原理是通过向围岩的内部空隙内进行注浆，从而有效提高围岩的强度和刚度，提高其承载能力。深入岩体内部的钢管形成加固拱圈，有效分散上部的岩层重量，能够保证围岩处于免压状态，另外围岩的一段固定在套拱基础之上，另外一段固定到围岩内部，这样可以在围岩周围形成一个结构稳定的简支梁支撑结构，对上部荷载进行有效的支撑和分散。

3 隧道管棚超前支护技术

(1)钢管的型号

隧道管棚超前支护施工过程中采用的钢管型号主要是热轧无缝钢管，钢管的长度一般选择10～45 m，钢管的外径一般为70～180 mm。钢管一般是进行分段拼接，相邻两段钢管之间通过丝扣连接，也可直接进行焊接。钢管管身需要预留注浆孔，注浆孔的孔径一般选择在15 cm左右，相邻两注浆孔的间距控制在15～20 cm，注浆孔的排列形式通常称梅花形排列，在钢管的末端不进行开孔，以避免砂浆等渗漏。

(2)钢管的支护长度

在选择钢管支护长度时要根据围岩的具体工程状况来确定，另外选择不同的施工工法、施工机械组合、不同钢管直径等都会对管棚的长度造成一定影响，在隧道施工中如果围岩的地质状况变化不大，管棚支护的长度越长就能够对保证施工的效率就越有保障。但在实际施工过程中可能会遇到塌孔、卡钻等状况，这就要求适当控制好单节管棚的长度。

(3)管棚环向间距

在管棚超前支护施工过程中要根据地质条件、地层压力和管棚设置的部位等条件来合理确定管棚的环向间距，通常施工过程中环向间距选择为30～60 cm，从提高围岩的结构稳定性角度考虑，采用小直径的管棚进行高密度布置可以更好的避免隧道开挖过程中出现塌方现象。但是大面积的密集施工对施工工艺提出了极高的要求，严重影响到了施工的效率。如果管棚的间距过大，虽然总体变形量会小，但相邻钢管之间的间距过大容易导致围岩的土体发生塌落，影响了管棚支护的实际效果。

(4)掘进的步距

管棚支护施工过程中掘进的步距要适中，步距过小就会增加各个工序之间转换时间，降低了施工的效率，掘进的步距过大可能会引起塌方的危险，所以实际施工的过程中掘进的步距一般选择1.0 ～2.0 m。

(5)管棚的水平搭接长度

搭接长度的选择要结合隧道的开挖高度的围岩的地质状况来综合选择，需要注意的是管棚额水平搭接至少要保留1.5 m的搭接长度，一般搭接长度要控制在2～4 m左右。

(6)管棚的仰角

由于管棚在施工过程中会受到围岩土体和钢管自重的作用，所以钢管在钻进过程中会受到竖直向下荷载的作用，会产生向下的弯曲，为了保证钢管能够按照要求到达设计位置，需要在开钻之初先设定一定的仰角，仰角设置过小，管棚就不能到达设计的位置，仰角设计过大的话管棚可能会进入隧道范围内，对隧道的掘进安全构成影响。所以在隧道的掘进过程中需要结合岩层的地质条件、钢管的材质和钻进工艺综合考虑管棚仰角，通常仰角选择在1～3°左右。

(7)管棚注浆参数

在钻入钢管之后，需要施加一定的压力来注入浆液，注浆通过钢管的开孔深入围岩的内部空隙，从而使得围岩和管棚相互形成超前支护体系。在隧道管棚超前支护施工过程中，注浆的主要作用是通过浆液的填充、渗透或挤密作用来填充岩体内部的空隙，将岩体内部土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气排除围堰内部，通过浆液和松散颗粒之间的相互胶结作用，从而重新形成保护围堰结构稳定性的稳态结构，从另外几方面也极大改变了围岩的物理力学参数，提高了围岩的承载能力，同时起到防渗的作用。选取所采用的灌注浆液时，需要从以下几个方面进行综合考虑:浆液的施工和易性，浆液凝胶之后要具有足够的强度，浆液能够与所采用机械设备相匹配，要对浆液的凝聚时间进行试验来确定，核实材料的来源、出厂质量证明等材料。根据现场经验，隧道管棚超期支护浆液可以采用水泥浆、水泥—水玻璃浆、水玻璃浆液。水泥浆液胶结之后强度高，材料来源广泛，施工工艺方便，但是水泥的稳定性差，其凝结时间不宜控制。水玻璃浆液的凝结时间短，渗透性强，但是凝结之后强度要低于水泥浆液，也容易造成环境污染。

注浆过程中要施加一定压力从而保证浆液能够在岩土层中渗透、扩散、压实成型，注浆压力的大小对注浆效果的好坏和注浆费用的高低有着直接的影响。一般注浆压力的大小主要以地层所容许的注浆压力为标准，一般要小于或等于地层容许注浆压力。管棚超前支护中的注浆压力一般采用0.5～1.0 MPa，当岩层中出现涌水时要适当加大注浆压力，当出现涌水且压力较大时，需要先进行预注浆堵水而后打设管棚。

4 结语

随着我国经济建设步伐的不断加快，在一些地形复杂多变，地质条件较为特殊的路段不可避免要进行隧道施工，为了更好的保证施工质量和施工安全管棚超前支护技术在隧道工程得到了广泛的应用。对隧道管棚支护技术应用进行了研究，但是还需要结合工程实际情况来不断完善和改进管棚超前支护技术，以期为我国隧道发展做出积极的贡献。

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10.16402/j.cnki.issn1008-3383.2015.04.113

2015－02－13