城市隧道超前管棚支护的施工技术

余建萍

（中铁隧道集团三处有限公司， 广东 深圳 518055）

1 应用超前管棚支护技术的必要性

超前管棚支护是一种利用小型设备进行的施工技术，其能有效克服地质条件复杂、施工空间狭小等不良施工条件的影响，将其应用于城市隧道施工中，其能顺利通过隧道顶板之间仅为6cm的狭小空间、污水主管道和雨水方沟等，因此，采用该技术进行施工能有效保证城市主干道的安全。总的来说，将前管棚支护技术应用于城市隧道施工中，其应用优势主要体现在两个方面：（1）支护管棚能起到格栅和骨架的作用，因此能有效保证掌子面岩土体的稳定；（2）在一定压力下，在周围松散、软弱的土层中注入水泥，不仅能有效提高岩土体的稳定性，同时还能促进地层形成的复合固结体更加稳定，因此，其能有效保证隧道施工的稳固性和安全性，这也是超前管棚支护技术被广泛应用于隧道施工中的主要原因[1]。

2 超前管棚支护受力原理和施工应用优势分析

2.1 超前管棚支护施工原理分析

在开挖的隧道、地下洞室等外轮廓周边上，以一定的间隔、间距和外插角沿着洞轴钻孔，再将惯性矩较大的钢管安装在孔内以及做好钢管的注浆固结预支护的施工过程被称之为超前管棚支护施工。该种施工技术不仅能促进整体的支护性能良好，同时还能有效降低加固环的变形，进而能有效保障隧道掘进和初期支护施工的安全，原因是环形固结层和管棚能促进拱部围岩拼接良好，且当隧道开挖轮廓周边密布时，该种施工结构能促使传递给隧道支护结构上部的荷载降低。此外，通过管棚注浆操作，不仅能充分发挥固环的承载拱作用，还能促进拱顶预先形成坚固的保护环，从而使得隧道整体结构能对地面荷载和拱上部的岩层重量进行有效承载和降低了拱部围岩形变压力，进而为隧道的开挖和建设施工创造了良好的条件[2]。

2.2 超前管棚支护技术在城市隧道施工中的应用优势分析

由于城市隧道的跨度和断面均较大，且其受地质、路面以下众多管线的影响较大，这些因素不仅给实际施工过程带来了极大的难度，同时也易导致隧道顶板发生较大的沉陷，为此，已有不少施工人员将超前管棚技术应用于城市隧道施工中，并获得了满意的效果。超前管棚支护技术在城市隧道施工中的应用优势主要体现在以下两个方面：（1）工艺简便，超前管棚支护和注浆施工操作简便、施工速度快，不需大型的机具设备便能获得显著的预加固效果，并且，其建立的临时支护还具有加固效果好、安全性能高、阻止严重渗水性能强及社会和经济效益显著等优势。（2）适应性较强，超前管棚支护技术可适用于洞内特殊地段地层和软弱破碎围岩、隧道洞口浅埋等多种地段。

3 城市隧道超前管棚支护的具体施工步骤和方法

在进行城市隧道超前管棚支护开挖施工前首先要进行长管棚设计，其是限制隧道开挖过程中围岩变形和防止掌子面坍塌的有效预支护手段。长管棚的具体设计方法为：在开挖隧道前，将一排纵向钢花管沿隧道衬砌外缘部位进行施工，为加固围岩，施工完毕后还需往管内注浆，使钢管内及其与孔壁之间的空隙得到充分填充，这样不仅能促进钢管与分布架设的喷射混凝土、钢拱架、分布钢筋网片形成综合防护体系，同时还能促进钢管柱体形成稳固的棚状围护结构，从而能有效保障隧道施工安全。在具体施工过程中，可按如下步骤进行施工：

3.1 管棚工作室开挖、定向和布孔

由于管棚不可占用隧道结构空间，且其需置于隧道顶板上，为此，在实际施工过程中，需严格对其设置空间要求。一般来说，管棚工作室是按照中隔断法和正台阶法进行开挖支护施工，开挖后，为形成稳定安全的施工环境，需及时做好相关工序处理，如对锚杆进行施作，对钢筋网和钢拱架进行铺设和安放以及喷射混凝土等，然后及时封闭围岩。而管棚的定向可采用两种方式进行：（1）采用挂线定向，进行挂线定向时需避免线路纵坡影响外插角，并利用前后两点挂线（两点间的间距约为 10m）确定管棚的方向。（2）安装定向套管，由于套管的方向决定了钻孔的方向，因此，对定向套管需合理安装，一般采用2m的套管或比钻头稍大的钢管进行套管安装，安装完毕后，需在钢架上对其进行固定。

3.2 钻机安装

首先需在掌子面上将管棚的孔位全部测量出来，并做好相应的标记，然后采用钢管脚手架搭设钻机平台，应一次性将平台搭设好，为保证施工倾角和钻机高度符合钻孔要求，在平台搭设过程中可根据钻孔位置和拱圈形状进行操作。在一般施工过程中，平台支撑点钢管需进入土层50cm，为保证施工平台稳定，还需采用纵横扫地杆牢固连接水平向平台，这样也能有效避免钻机在施钻过程中发生位移、摆动和不均匀下沉等情况，从而导致钻孔质量受到影响。在管棚施工过程中，在平台上还需采用倒链方式调整钻机位移，钻机钻杆轴线需与设计钻孔方向吻合，钻机需与设定好的钻孔方向平行并保证固定钻机的稳固牢靠。

3.3 钻孔

安装完钻机后，再安装钻杆（长度约为89m），在进行管钻具和钻具风动潜孔钻施工前，还需对钻具进行空转检查，在实际施工过程中，地下施工掌子面的风可利用高压风管送至，并确保螺杆空压机处于隧道一端的地面上，前、后台之间可采用对讲机进行联系。空转检查无误后，再安装套管，利用后台送风进行跟管钻进，需保持低压低速进行初始钻机，钻孔至1m后，再根据实际的地质状况对风压和钻速进行调整。另外，应采取跳打措施进行钻孔施工，并认真做好钻进过程的原始记录，并及时描述和判断孔口排渣地质情况，当钻孔内有水渗出或排渣出现软泥时，需立即对钻进停止，为避免发生渗水事故，还需及时采取孔内注浆封堵方式进行处理。钻孔至设计深度后，需将高压气开启，孔内浮渣清理通过自孔底向孔口进行，孔斜与钻孔深度验收合格后，才可进行下一钻孔施工。

3.4 孔斜测量与纠倾

为保证管棚精准的设置在隧道顶板和各种地下管线之间，在钻孔钻进过程中，对钻孔的位置需经常用测斜仪对其进行测定，一方面以避免其进入隧道顶板以下对隧道结构施工造成影响，另一方面还能避免其损害相邻的管线。可采用水平孔数字罗盘测斜仪作为孔斜的测量仪器，并且在施工期间，仪器每钻进钻孔5m需对孔斜进行一次测量，然后再依据测量的数据对钻头所在标高和钻孔倾斜值进行计算，并分析和预测继续钻进可能出现的偏差程度，若孔斜值在允许误差范围内，也即钻孔不会进入隧道顶板以内侧且不会损坏地下管线，便可正常钻进，若超过误差范围，则需及时行纠倾处理。常用的纠倾处理方法有：若钻孔倾斜角度较小时，可利用扶正器对钻杆进行扶正，再行钻进；若钻孔倾斜角度较大时，需从孔内抽出钻具，并对钻机钻进倾角进行重新调整，再行钻进操作；若钻孔向下倾斜过大时，需增大钻杆仰角1～2°，若钻孔向上倾斜过大时，需对钻杆仰角进行减小。

4 结束语

综上所述，隧道工程在我国公路建设中的比例越来越大，因此探寻安全、有效的隧道施工技术迫在眉睫。在城市隧道中进行施工尤为困难，原因是其存在较多的特殊地段和地质，例如存在较多的强膨胀地层、砂土质地层、强流变性地层以及极其破碎的塌方体、岩体和浅埋大偏压的围岩等，这些因素不仅增加了城市隧道施工的难度，同时也会导致建成的城市隧道工程结构性能较差，而采用超前管棚预支护施工技术则能有效克服上述问题，其在溶严重流泥地段、流塑状岩体中均可适用，并且通过管棚支护和注浆处理，如采用绝大部分长度的管棚钢管支护在开挖隧道洞口，能有效支撑洞口上部荷载，在隧道洞内施工中，钢管的后半段能起到承受上部土体荷载和路面荷载的作用，因此，能使隧道工程获得良好的加固效果，