管棚法超前支护技术在施工中的应用

赵杰斐 赵亚彬

（汉中市水利水电建筑勘测设计院 陕西汉中 723000）

1 管棚法超前支护技术简介

管棚法超前支护也叫管棚法或伞拱法，管棚是为防止在隧洞开挖时引起地表下沉或围岩松动，在开挖掘进前沿开挖工作面的上半断面周边按设计打入厚壁钢管，在地层中构筑的临时承载棚防护下，为安全开挖预先提供增强地层承载力的临时支护方法。

2 工程实例

2.1 总体施工方案

两河村水电站输水隧洞采用城门洞形断面，为无压隧洞。隧洞断面设计净尺寸为3m（宽）×4.3m（高）。根据前期地质勘察结果，隧洞围岩岩性为泥盆系中统微风化～新鲜的大理岩夹千枚岩，片理产状变化较大，走向与洞线夹角总体较小，对围岩稳定有一定不利影响，但片理倾角较陡，片理面结构较紧密，裂隙多闭合，总体围岩基本稳定，围岩类别为Ⅱ类，围岩坚固系数（f）为6～8。洞身段地下水位较高，一般均高于设计隧洞，但由于隧洞埋藏较深，裂隙不发育，或裂隙多闭合，岩体透水性较差，不会发生大规模渗水现象。局部遇裂隙密集带或断层破碎带，围岩稳定性差，属于Ⅲ～Ⅳ类（局部稳定性差～不稳定）围岩，且会出现较大渗水，需采取相应的工程处理措施。在施工过程中，针对围岩破碎，裂隙较多，不易成洞的不良地质段，结合类似工程施工经验，采用管棚法施工，管棚支护完成后再进行洞室开挖，排险出渣后及时采用I18工字钢拱架进行支护，并挂钢筋网片，喷射C20细石混凝土。为保证隧洞几何尺寸，开挖断面尺寸为3.8m（宽）×4.6m（高）。为确保隧洞开挖安全作业，设计管棚每节长3m，每榀钢拱架拱圈处环向间距30cm布置15根φ50mm无缝钢管；钢拱架间距80cm并挂20cm×20cm的φ10mm钢筋网片，每两榀拱架之间环向间距80cm布置15根φ25钢筋作为连接筋，完成后喷射20cm厚C20细石混凝土。

2.2 管棚施工方法

2.2.1 洞身管棚施工

施工时，在每榀钢拱架拱角以上范围采用φ50无缝钢管（壁厚3mm）超前管棚支护辅助施工，环向共设15根，每跟钢管长度3m，环向间距0.3m，外插角2～3°。套拱在隧洞开挖轮廓线以外施作。

（1）管棚施工工艺流程

图1

（2）施工工艺

①测量放样

根据隧洞进口布设的三角导线网，用全站仪采用坐标放样进行管棚起始中心点放样。并在垂直于轴线两侧边线上各放样两个边线控制桩，以便随时校核轴线点并检查方向的正确性，然后在起始端安装两榀I18工字钢以作定位，测设拱顶部位每根导管中心线方向，并用记号笔标记于钢拱架上，作为导向控制。

②工字钢安装

为保证管棚结构刚度，布设两榀I18工字钢，间距80cm。工字钢拱圈半径为1.678m（内径）。每榀钢架共分为三个单元，必须保证钢架中每节的尺寸与弧度都满足设计要求，工字钢的各单元需通过连接板进行焊接，并使用螺栓连接牢靠，连接板必须紧密贴合，每节钢架的两端需焊连接板进行加固，钢架加工好后，需要进行试拼并检查，每榀钢架各端总共需要8套螺栓和螺母。钢架的下端需安放在稳固的地层上，拱脚高度需低于上部设计开挖底线以下15～20cm。安装钢架时必须严格按照设计的中线和水平位置进行架设，安装尺寸允许偏差范围：横向为0～+5cm，垂直度±2°喷护混凝土厚度为20cm，喷护混凝土时钢架必须全部被混凝土覆盖，钢架保护层厚度不应小于20mm。每榀钢拱架两侧立杆增设长3m的φ25mm锁脚锚杆8根；并在环形断面布设20cm×20cm的φ10mm钢筋网片，与钢拱架焊接牢固，为保证网片的强度，焊接网片时每相邻两榀拱架环向间隔80cm焊接一道φ25mm的连接钢筋，即每相邻两榀拱架焊接φ25mm连接钢筋15根。拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。

③管棚的加工

a.成孔后要立即消孔并下管，以免因坍孔造成孔内堵塞而无法顺利安装。

b.管棚直径为φ50mm无缝钢管，壁厚3mm，单根长度为3.0m。钢管在同一截面的接头数不得超过总管数的50%。

c.管棚在安装前用高压空气对孔内进行扫孔、清孔，清除孔内浮渣，确保孔径（孔径不得小于50mm）、孔深符合要求，防止堵孔。管棚采用顶进法安装。

④管棚钻孔

a.钻孔参数：

A．钻孔直径：50mm。

B．钻孔平面误差：不大于10cm。

b.钻孔时的孔斜测定措施：

A．钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。

B．严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧洞开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。

C．扶正器扶正钻具。

D．水准仪根据高差调整角度。

c.扫孔

用φ30mm岩芯管进行扫孔，目的是清除孔内岩碴和顺通孔道。岩芯管长度不小于3m为宜。如遇下管困难，需连续扫孔几次，同时借助高压空气吹洗，直到孔内清扫干净。

d.下管：

A.管棚施工参数

钢管规格：热轧无缝钢管φ50mm，壁厚3mm，节长3m。

管距：环向间距30cm

外插角：2～3°（不包括线路纵坡）沿拱架顶拱环向布设。

B.下管

当孔壁不易坍塌时，采用直接撞击法将导管撞击至设计位置，当孔壁容易坍塌时，用导管与钻头同时钻进的方法。如钢管顶进遇到故障，顶不进时，查清原因，必要时重新扫孔后再将钢管顶进。钻进过程中地质情况判断：根据钻孔的速度，岩土取芯，视钻压力等情况判断此段地质情况，并及时作好施工记录，根据记录数据绘制地质剖面图和展开图，为开挖施工提供参考依据。

2.2.2 洞身支护施工

经超前管棚加固并开挖完成后，及时进行初期支护，支护方式采用工字钢拱架挂钢筋网喷射C20细石混凝土的支护方式施工。

2.3 洞室开挖

2.3.1 施工控制要点

开挖采用短进尺、少药量、多布孔、强支护的施工原则。视岩石情况分2～3次进行爆破作业，每次进尺控制在1m左右。

采取全断面开挖的方法。在开挖时，控制开挖进尺1m左右，然后施工拱部范围的管棚。拱部的管棚在施工钻孔时，需要对钻孔的方向进行精确的控制，拱顶范围内的钢管均以隧洞的中心线为基础上仰2°，采用全站仪确定中线，配合以水准仪垂球吊线的方法测定仰角，准确的进行定位，直到结束。

根据实际的地质条件以及施工条件，一个工作面可以使用两台钻机进行作业，施工的顺序从拱顶开始，两侧对称进行施工，钻孔时钻机距工作面距离一般情况下不少于2m，同时钻孔以风动潜水冲击钻进法为主。

开钻时，先采用低速和低压，等待成孔后，再进行加速和加压。钻进的过程中，必须沿钻机定的基线进行钻孔，随时测定钻孔方向准确度，根据地质条件的不同变化，选择不同类型的钻头，当遇到稍软的岩石时，使用合金管钻进行钻进。若遇到比较坚硬的岩石不能钻进时，使用冲击钻头，击破岩石。由于岩土对管壁的阻力较大，前段开孔时采用φ42mm钻头，容易使钢管顶进，钻进过程若遇到特殊的复杂地层，如过不能钻进或者难以成孔时，可以采用预注浆加固，再钻进成孔。

2.3.2 施工过程技术措施

（1）在钻孔过程中用全站仪测定量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。

（2）在钻进过程中注意控制水量不过分冲刷孔壁，应能形成泥浆护壁。

3 结束语

管棚法是近些年来发展迅速的一种在软弱岩石中进行隧洞开挖的新技术。管棚法最早是作为隧洞开挖施工时采用的一种辅助方法，在软岩隧洞施工中穿越软弱地层，破松散带、碎带、涌砂、涌水层发挥了非常重要的作用。前期预埋超前管棚作为顶板和侧壁支撑，为后面的隧洞开挖提供了坚实、牢固的基础。通过实践证明，该工法具有不需要大型机具设备、工艺简单、较安全、施工时间短、见效快等特点，因此在地下工程软弱围岩施工中被广泛采用，被认为是隧洞施工中解决冒顶和局部坍塌的最有效，最合理的施工方法。

[1]周顺华，董新平.管棚工法的计算原理及其应用.同济大学出版社，2007.

[2]石仙龙.管棚法处理隧道特大坍方段的应用技术.中国科技博览，2011（31）：621.

[3]文妮.采用管棚法处理浅埋隧道坍方段的技术应用.科技创新与应用2016（9）：250.