管棚预支护技术的设计参数及其在地铁区间隧道工程中的应用

孙胜贤

(中电建铁路建设投资集团有限公司，北京）

在隧道工程中，管棚预支护是一种常用的辅助技术，可以发挥稳定掌子面、保护地下管线、控制围岩变形等功能，对保护隧道内施工人员的安全也有积极帮助。在地铁区间隧道工程中应用管棚预支护技术时，要结合地质条件和工程建设要求，合理设计管棚的各项参数；在管棚施工中，重点加强钻孔、插管、注浆等环节的技术管控。通过树立精细化的施工管理理念，充分发挥管棚预支护技术优势，保证管棚预支护效果达到预期，为下一步隧道开挖作业创造安全环境。

1 工程概况

某地铁区间隧道全长1 118.5 m，暗挖段720.8 m，其余为明挖段。地质勘察结果表明，该地区地面标高388.6 m～393.4 m，较为平整；地层自上而下共分为5 层，分别是杂填土（0.3～4.6 m）、新黄土（5.1～11.5 m）、粉质粘土（0.7～3.6 m）、粉土（0.2～1.3 m）、砂土（0.6～8.2 m）。地下水位埋深11.6 m，对混凝土结构的腐蚀性较弱。施工断面围岩为IV 级，稳定性较差。局部有湿陷性土层，主要分布在地表以下10 m内，按照《湿陷性黄土地区建筑标准》(GB50025-2018)中规定，区间内地基湿陷等级以II 级（中等）为主，局部为III 级（严重）。

结合地铁区间隧道工程的水文地质情况，在施工中需要采取必要支护措施。

2 管棚各项参数的设计

2.1 钢管型号

管棚预支护体系由钢管和钢桁架组成的支撑体系，钢管的选型直接决定了支护效果。本工程中使用热轧无缝钢管，外径为110 mm，壁厚5 mm，每节长度4 m。钢管的端口设计成“V”形，方便对焊连接。考虑到后期需要采用注浆方式加固隧道两侧围岩，因此在设计钢管时需要在上部钻出2～3 个孔径为12 mm的注浆孔，相邻2 个孔的距离为15 cm。钢管的下部50 mm 为止浆段，不设钻孔。

2.2 环向间距

管棚中钢管的环向间距也是决定支撑效果的重要指标，理论上环向间距越小、钢管布置越密集，起到的支撑效果越理想。但是在实际施工中还必须考虑作业空间、施工成本等因素，通常将环向间距设定为钢管直径的2～3 倍。除此之外，还要考虑隧道深度、围岩强度等方面的影响，例如浅埋隧道、围岩较为完整的情况下，可适当增加钢管的环向间距，在保证安全的前提下降低成本；相反，深埋隧道、围岩破碎的情况下，要减小环向间距，保证掌子面稳定、防止围岩变形[1]。本工程中钢管环向间距设定为200 mm。研究表明，当管棚预支护体系中钢管环向间距缩小到一定值时，相邻2 根管棚的主压应力相互影响并形成“压力拱”，拱脚位于钢管上，如图1 所示。

图1 管棚土拱效应示意

式中：l 表示相邻2 根管棚钢管的圆形间距；h 表示拱高。在上述两种力的作用下，拱顶和拱脚部位的应力较为集中，更容易发生破坏。这里以跨中拱顶截面为例，选取图1 中的F 点作为控制点，则该点所受应力可表示为：

式中：d 表示管棚钢管的直径。此时管棚的最大容许间距（lmax）可根据下式求得：

式中：d 表示钢管直径；c 表示岩土粘聚力；φ 表示土体摩擦角；μ表示土体与管棚之间的摩擦系数；α表示圆弧的圆心角。

2.3 钢管仰角

受到摩擦阻力、自身重力等因素的影响，在管棚预支护施工中钢管会出现一定程度的向下弯曲。这种情况下，如果钢管仰角太小会导致末端插入开挖区域，掘进设备与钢管接触、碰撞，影响管棚预支护的稳定性；如果钢管仰角太大会导致围岩土体受到扰动，严重时还会导致已经破碎的围岩出现坍塌，严重影响施工安全[2]。因此，在设计管棚参数时，要充分考虑岩土结构、管材性质、钻进方式等多方面因素，合理确定钢管仰角。本工程中将钢管仰角设计为2°～3°，方向与路线中线平行。

2.4 注浆参数

从地质勘察结果来看，本工程部分围岩破碎情况严重。为了提高围岩的稳定性，在管棚预支护过程中采取了注浆工艺。将中空钢管插入围岩后，对围岩进行预注浆。发挥浆液的填充、挤密作用使原本松散、破碎的围岩重新粘聚成具有较高强度的整体，从而优化掘进条件，保证隧道开挖作业的安全。另外，注入的浆液通过封堵围岩缝隙，还能形成止水帷幕，对解决地下水或地表水的渗透也有一定作用[3]。在设计管棚预支护方案时，合理确定注浆参数至关重要。在注浆材料的选择上，本工程中使用1:1 水泥水玻璃双浆液。浆液在围岩缝隙中的扩散速度和扩散范围与注浆压力有直接关系，本工程中将注浆压力设定为1.2～1.5 MPa。注浆量方面，单根钢管的注浆量（Q）计算公式为：

式中：R 表示浆液在围岩中的扩散半径；r 表示钢管半径；L 表示钢管的长度；η表示围岩孔隙率；α表示浆液的有效填充料，这里取1；β表示浆液的损耗系数，这里取1。

3 管棚预支护技术的应用

本工程中隧道管棚预支护采用“钻孔法”施工，施工流程如图2 所示。

图2 管棚预支护流程

3.1 施工准备

管棚预支护准备阶段的内容有：

（1） 确定支护参数，根据前文分析，各项参数设计结果见表1。

表1 管棚参数

（2） 搭建作业平台。在隧道内布置管棚时，需要在隧道顶板、两侧围岩上钻孔。为方便钻孔作业和满足钻机操作需要，需要搭建可移动工作平台。将钻机放到该平台上，通过移动平台在指定位置进行钻孔。

（3） 测量定位。根据施工图纸进行现场测量放线，标记出隧道开挖轮廓线，并以轮廓线为基准，向外量出20 cm 标记处钻孔的位置，作为下一步钻孔的参照[4]。

3.2 钻孔

将钻机移动到指定位置后，施工人员调整钻机的高度，让钻头、钻杆以及孔位在一条直线上。设定钻机的各项参数，包括钻头转速、钻机压力等，设定完毕后启动钻机开始钻进。在初始钻进时选择低档匀速钻进，在达到一定深度后调整为冲击式钻进，避免发生钻头卡住等问题。在钻孔期间，施工人员密切关注钻杆角度变化，测量钻孔的角度，发现偏移后立刻进行纠偏。为保证管棚预支护效果，在钻孔时严禁出现超钻或欠钻的情况，实际深度与设计深度之间的误差控制在±5 cm 以内。钻至设计深度后，将钻头提出，并检查成孔情况。孔深、孔斜率符合要求，孔壁无开裂等问题后进行清孔，孔斜率超出规定或孔壁有严重裂缝的，一律视为废孔。对于符合要求的，采用泥浆置换法将孔底的碎石等杂物清理干净，孔底沉积物的厚度不得超过10 cm。

3.3 下管

本工程中所用钢管由附近的加工厂预制，用自卸汽车将钢管运输到隧道施工现场，质检人员采用抽样检测方式检查钢管质量，抽样数量不得少于总数的5%。管棚钢管不得有锈蚀、裂纹等质量问题，有轻微弯曲的需要调直后方可使用。抽检样品的合格率在95%以上说明本批次钢管可以使用[5]。施工人员将钻孔和钢管进行编号、配管。奇数孔内插入正常的钢管，偶数孔内插入2.5 m 短钢管，确保同一断面上钢管接头数不超过50%。在插管时，要求及时、快速插入，若存在插管阻力较大的情况，可借助于钻机顶进。上下两节钢管的连接处，加入内衬套并进行满焊连接，避免连接处发生渗漏，内衬管长度为180 mm，连接方式如图3 所示。

图3 管棚节间连接示意

将管棚钢管与带有连接注浆管的钢板进行焊接，要求焊接部位必须焊透，不得留有焊缝。管棚钢管与钻孔的环形空间内填入混凝土料，封堵严密后在管口喷射10 cm 混凝土并抹平。

3.4 注浆

在完成钢管顶进与封口后，开始注浆作业。为提高注浆加固效果，注浆前要安排人员再次检查注浆孔、注浆泵和压力表，确定一切正常后连接注浆管。本工程在布置注浆管时，在管口处增设了一处阀门，在单孔注浆完毕后首先关闭阀门，然后关停注浆泵，可避免浆液回流，提高了注浆加固效果，如图4 所示。

图4 管棚注浆接口示意

首先向注浆泵中加入少量清水，一方面是检查注浆管是否畅通以及有无渗漏问题，如果有局部渗漏要及时处理；另一方面是起到湿润管道的作用，可以避免浆液在管壁上粘滞、残留，提高注浆效率。完成压水试验后，设定注浆压力为1.2 MPa，将水泥水玻璃双浆液装入注浆泵中，启动机器开始注浆。要求单孔必须一次性注浆完成，中间不得停泵，防止浆液凝结或沉淀导致管路堵塞。在注浆顺序上，要坚持“由低到高、从无水到有水”的顺序，避免地下水稀释浆液，有利于提升浆液对围岩裂缝的充填效果。如果注浆施工中遇到地层漏水量较大的情况，现场施工人员要及时布置排水孔，排出多余积水，保证注浆加固效果。

结束语

在地铁区间隧道工程建设中，如果地质勘察结果表明该区域围岩破碎，在开挖后围岩发生变形，临空面有一定概率出现坍塌，不仅影响施工进度，而且会危及隧道内施工人员的安全。管棚预支护技术采用架设钢管与钢桁架以及向围岩内注射浆液的方式，切实提高了掌子面的稳定性，增强了围岩的抗压强度，在这种环境下进行隧洞开挖，能够兼顾施工安全和施工效率，切实提高了施工单位的综合效益。