1、管棚支护技术在隧道进口段的应用摘要：本文介绍了在不良地质隧道进口段施工中的受力原理、管棚设计与参数选用、施工重点及适用范围等内容,并结合工程实例,论证了超前管棚技术在隧道施工中的应用价值。管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。 关键词：隧道进口段施工 大管棚支护 施工工艺 注浆参数 中图分类号：U45 文献标识码：A 1 引言 管棚普遍应用在特殊困难地段（如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩）的隧道进口段施工中。管棚超前支护的应用范围很
2、广，文献中规定了其适用的特殊地质情况。该特殊地质情况不宜直接使用锚喷支护，但管棚超前支护具有很好的支护效果，可将开挖引起的影响控制在最低范围，对控制围岩松弛极其有效。 2 工程概况 楚阳隧道为全线控制性工程，该隧道为特长隧道，本标段隧道左线起讫桩号 ZK176+020ZK178+638.879，长 2618.879 米，右线YZ176+000YZ178+616.705，长 2616.705 米。隧道进口三面皆为深沟，沟宽 60 米左右，沟深 60 多米。隧道左右间距约 30 米，其中进口 17.3米，标段终点约 50 米。 隧道范围内主要地层为侏罗系沙溪庙组，岩性为砖红色、灰黄色强风化砂岩泥岩
3、互层，岩层呈中-厚层状,风化裂隙发育，呈碎裂状结构岩体。开挖时，围岩体无自稳能力，易坍塌，透水性强，雨季施工会洞室有渗水现象。地基容许承载力强风化泥岩为 500kPa，强风化砂岩800kPa，Kv=0.35，BQ250。洞口处于欠稳定斜坡上，潜在滑体为碎石土，厚约 6.00m。 3 管棚受力原理 3.1 土拱效应 先行施设的管棚，以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。土拱有其自身的形成过程:在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应” 。在非岩
4、石地层中开挖坑道，坑道周围地层就会产生变形或错动，因而产生应力释放现象，这种应力释放现象实际上是坑道周围应力向临近部分传递的结果，即土拱效应。 3.2 加固效应 注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的。通过管棚注浆,使掌子面预先形成加固的拱结构，发挥“承载拱”的作用,承受拱上部的土层重力和地面载荷,而拱部围岩的形变压力就靠拱内部围岩承受,从而创造了理想的开挖条件。 3 3 缓冲效应 管棚支护刚度较大，施工过程中如果有塌方发生，塌方体也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。当沿隧道开挖轮廓周边
5、密布管棚时,加固环的变形就变得更小,隧道支护结构的上部荷载将大大减小,同时通过管棚,将拱部围岩连接,形成整体支护结构,保证了初期支护和掘进施工的安全。 3.4 消能效应 钻爆法施工产生的爆破气体的扩展和爆炸冲击波的传播遇到管棚密集的凹凸不平的环状槽后会被吸收、反射和绕射，大大减轻了反向拉伸波所造成的岩体破坏和扰动范围。 4 管棚设计 4.1 管棚选用 根据上述地质条件,在进口浅埋段拱部设长管棚采用壁厚 6mm 的108 热轧无缝钢管,长度 30m，管棚与钢拱架配合使用并从拱架腹部穿过，环向间距 35cm，仰角 3，以不侵入隧道开挖线越小越好，孔径比管棚钢管直径大 2030mm，钻孔顺序由高孔位
6、向低孔位进行。钢管前端加工成尖锥形，尾部焊接 10 加劲筋补强。钢管上入岩部分梅花形布置12mm 注浆孔，注浆孔间距 15cm。钢管方向与路线中线平行，纵向搭接长度大于 1.5m。 4.2 注浆参数 注浆加固参数根据实测选取。管棚的作用可采用等效方法予以考虑，即将管棚的弹性模量折算给地层，计算方法为 E=E0+ 式中，E 为折算后地层的弹性模量，E0 为原地层的弹性模量，Sg 为管棚支护等效截面积，Eg 为管棚的弹性模量，Sc 为支护断面截面积。 长管棚注浆扩散半径 0.91.2m，注浆速度 3550L/min，凝结时间45s6min，注浆终压 2.02.5MPa，水泥浆:水玻璃 35Be（体
7、积比）为1:13:1,水灰比为 2:11:1，平均单孔注浆量为 4.24.6 m3（孔隙率0.2） 。 楚阳隧道采用超前管棚支护施工,顺利通过隧道进洞浅埋段。超前管棚支护结合注浆技术很好地改良了松软破碎岩层的物理力学性质,水泥浆液在压力的作用下向四周扩散,充满了钢管周围岩石的缝隙,起到了固结围岩的作用。实际施工中的效果证明,采用管棚支护和预注浆加固技术对于大跨度、软弱围岩隧道或隧道的软弱围岩段是安全、可靠的。 5 管棚施工 5.1 施工工序 图 3 工序流程图 5.2 钻孔、安设注浆管 在隧道开挖轮廓线以外现浇 C25 混凝土护拱，搭设钻机平台，用工程水平钻机钻孔，达到设计深度后扫孔，安装注浆
8、管，并在孔口1.5m2.5m 处安设与钻孔直径相同的橡胶套，用水泥砂浆封闭孔口，防止浆液沿注浆管与钻孔壁的缝隙挤出。 5.3 浆液选用及注浆 用超细水泥配制注浆液，采用后退式分段注浆，关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，试验压力等于注浆终压，如有漏水及时检修。注浆时采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐步减小，当压力升至终压时，继续压注 5min再结束注浆。注浆孔在注浆结束后及时清除管内浆液，并用 30 号水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度和强度。 5.4 注浆结束标准 每段注浆施工正常，注浆压力达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的 80%及以上，或虽未达到设计终压，但注浆量
9、已达设计注浆量，即可结束单孔注浆，设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注水试验地层吸水率 0.05L/min，粘土固结强度大于 0.4Mpa 时即可结束全段注浆。 6 结语 （1）管棚长度宜控制在 25m 以内（实际按 24m 施工）为好。如按设计的 30m 长度进行施工，由于管棚过长，钻孔、下管等工序都费时费力，效率低下;同时管棚的倾斜度、掉钻量也很难控制。 （2）在粘土含量大的碎石土层中，压浆效果不理想。因为粘土比较密实，浆液不易扩散，其扩散半径较小。不能形成一个完整的具有一定厚度的砼加固圈。 （3）建议开挖工作室时，开挖轮廓线不进行扩大，而是在围岩开挖后，即初喷 35cm 厚的混凝土，作为支护，不设钢格栅支撑（在确保安全的前提下） 。待管棚施工完毕后，再进行安设。 （4）伸入岩石层的大管棚深度应不少于 3m。这样，在山体滑动时，管棚能够分担一部分荷载，从而避免全部荷载都压在初期支护上，造成大的下沉和严重变形。 （5）在纵向上大管棚的接头必须错开。否则，接头设在同一断面上，极易出现安全隐患。 参考文献 公路隧道设计规范(JTJ026-90) S. 北京: 人民交通出版社, 1990. 朱汉化, 尚岳全. 公路隧道设计与施工新法 M. 北京: 人民交通出版社, 2002. 张明聚，林毅等.厦门翔安隧道洞口段管棚设计与施工J .北京工业大学学报，2007，33(10).
