大管棚超前支护技术在高速公路隧道施工中的应用

李旭红

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原030006）

0 引言

随着我国高速公路建设水平的不断提高以及对于自然环境保护工作的日益重视，高速公路工程建设中隧道工程施工项目逐渐增多，各种不良地质条件以及浅埋偏压情况对隧道安全施工提出了新的要求。大管棚支护作为公路隧道支护技术的重要形式，由于能够增强隧道开挖施工段的地层承载力，能控制隧道开挖区域的围岩变形以及地表下沉，因此在高速公路项目施工中得到了广泛的应用，对于确保隧道开挖施工作业的安全顺利进行发挥了重要的作用。

1 大管棚超前支护施工技术优点

（1）可以有效地控制围岩松动，避免垮塌事故的发生。通过大管棚支护施工，可以在隧道内部形成围绕隧洞轮廓的壳状结构，形成梁拱效应，为前方围岩以及后方围岩提供支撑点。

（2）提高围岩承受能力。管棚支护施工中需要进行注浆施工作业，注浆浆液经过管壁孔压进入隧道围岩裂隙之中，因此能够通过浆液的胶结以及固结作用，改善软弱围岩的物理力学性质，提高隧道岩体的承受能力，对周边围岩起到良好的加固效果。

（3）降低爆破对围岩造成的冲击。对于采用新奥法等掘进施工工艺的隧道施工而言，爆破造成的冲击波以及气体能够被管棚的密集环形孔槽吸收，因而能够缓解由于爆破作业对围岩造成的干扰。

（4）为隧道开挖掘进提供安全作业空间。由于大管棚的支护刚度较大，因此如果发生塌方，管棚能够对塌渣起到缓冲支撑作用，即使管棚破坏，由于破坏速度慢，因而能够确保隧道施工作业安全。

2 大管棚支护施工技术准备工作

大管棚支护施工准备工作主要包括现场布置、机械材料准备以及施工技术交底等几项内容。

对于施工现场的布置，主要是对管棚支护施工区域的场地进行合理的布置，同时完成地面的平整以及夯实施工，然后完成临时便道、配电房、搅拌站、空压机房等临建设施的施工。同时做好隧道进洞口边、仰坡开挖以及防护工程施工，并确保隧道洞顶截水沟的开挖以及隧道洞口两侧的临时排水设施施工作业完成。

对于机械以及材料准备，主要是组织潜孔钻、挖掘机、装载机、注浆泵、吊车等大型设备进入施工现场，同时对混凝土配合比、注浆液配比以及原材料进行试验检测，确保原材料各项参数指标合格。

施工技术准备工作则是按照隧道施工图纸和有关勘测资料，对交付使用的隧道轴线桩、平面控制三角网基点桩及高程控制的水准基桩等，进行详细的测量检测和核对，同时完成洞口水准点的引设，并严格按照施工图纸对施工队伍进行细致的技术交底。

3 导向墙的施作

在导向墙施工作业前，应该在导向墙的拱脚外填筑浆砌片石等方式为导向墙施工提供坚实的基础，一般需要控制套拱基础设计，要求基底地基承载力不小于0.3MPa。由于施作导向墙的主要目的就是作为大管棚支护施工的导向以及固定设施，在施工作业流程上，首先应该对管棚位置以及导向墙位置进行测量放样，尤其是对大管棚位置与隧道开挖线之间的距离进行控制，以免大管棚施工对隧道初期支护或者是衬砌混凝土施工造成干扰。在完成测量之后，应该按照设计要求的轴线方向以及施工技术规范要求架设钢拱架以及底模板，并沿着钢拱架的拱圈环向布设安装孔口套管，需要注意的是，为了确保钢管的顺利打入，孔口套管的直径应该超过管棚钢管2～3cm。

完成孔口套管安装施工之后，应对孔口套管的间距、位置以及方向进行定位，在确保无误之后安装套拱模板。然后按照从导向墙基础开始，对称浇筑的作业方式进行混凝土的浇筑，并在套拱的拱顶完成合拢。需要注意的是，为了确保导向墙工程施工中不出现下沉或者偏移，可以采取临时支撑措施，对导向墙拱顶进行监控测量，以确保大管棚施工作业的安全。混凝土浇筑施工结束后，可以采用土工布覆盖导向墙套拱混凝土，并洒水养生一周，以免导向墙混凝土开裂。

4 大管棚钻孔施工

（1）钻机配置与就位。对于大管棚支护施工，钻机的转矩、破碎孤石的能力以及冲击力必须满足工程施工要求；对于钻机平台，必须要确保着实地，连接要牢固、稳定，以免在钻孔过程中出现不均匀沉降、摆动或者位移等影响钻孔质量的问题。

（2）钻孔施工作业。大管棚应该严格按照设计位置进行施工作业，钻孔顺序按照高孔位向低孔位进行，先施工有孔钢管之后再施工无孔钢管，将无孔钢管作为检查管以检查注浆质量。在钻孔施工开始时应该保持低压低速，待钻进1m 之后，可以适当提高钻进压力，按照“钻进一节续一节”的原则进行施工。在钻孔钻进过程中，应该及时使用测斜仪对钻孔位置进行测定，并按照钻机的钻进情况判断成孔质量，确保钻进过程中钻机的动力器、扶正器、合金钻头按同心圆持续钻进。

（3）钻孔过程中的质量控制措施。在钻孔施工作业前，应该先喷涂一层厚度为15cm 左右的混凝土作为止浆墙，以免后期压力注浆过程中出现漏浆或者坍塌等问题。在钻孔施工作业过程中，应该及时检查钻机作业情况是否正常，当钻孔至砂层或者是易塌孔位置时，应该采取泥浆护壁继续钻进，如果钻进实在困难，可以采取跟管钻进的方式作业。如果在钻进过程中出现夹泥夹沙层，应该适当控制钻进速度，以免出现夹钻现象。

（4）清孔以及验孔。采用岩芯钻杆配合钻头来回进行扫孔，进而清除浮渣至孔底，然后采取高压风的方式从孔底位置向孔口清理钻渣，以免堵孔。清孔完成后应该对孔位偏差进行检查，确保孔位偏差在±50mm 范围，钻孔深度偏差在±50mm范围。

（5）大管棚的钢管安装。长管棚棚管的顶进可以采取大孔引导以及棚管机钻进结合施工的工艺方式，首先将锥尖钢管顶入钻孔之内，然后采用丝扣连接的方式逐根进行连接直到孔底。待管棚安装施工结束之后，应该及时封堵钢管与孔壁之间的空隙，并连接好压浆管。此外，为提高管棚钢管的抗弯能力，在钢管内插入钢筋笼，钢筋笼有4根主筋和固定环，主筋直径一般为Φ18，固定环采用Φ42短管节，并与主筋焊接，具体构造可以参考图1。

图1 钢管构造示意图（单位：cm）

5 大管棚注浆施工

在大管棚注浆施工作业前，首先应该向隧道开挖工作面、拱圈以及钻孔孔口周围的岩面喷射强度不低于C25的混凝土，以免注浆过程中出现岩面缝隙漏浆的问题。

（1）注浆材料的选择

对于注浆材料，要选择固化收缩小、与混凝土以及围岩凝结力强、流动性好、可灌性高的浆液作为注浆材料，要确保注浆后的固结体具有较好抗渗性能、稳定性能以及耐久性能。要确保注浆材料与水文地质条件具有较好的适应性，现阶段在工程施工项目中大多采用普通水泥-水玻璃双液浆作为注浆材料。

（2）注浆施工阶段的工艺控制

在注浆施工作业之前，应该提前进行水泵试泵以及注水试验，拌和后准备注浆的浆液必须通过晒网过滤方可进入注浆机。在注浆施工过程中应该及时根据注浆浆液的扩散情况、注浆量、注浆压力等参数对注浆材料以及配比进行调整。对于单根钢管的注浆量，可以按照以下公式进行计算：

式中：L为钢管总长（m）；r为钢管半径（m）；R为浆液扩散半径（m）；η为隧道地层孔隙率；β为浆液损耗系数；α为浆液有效填充系数。

（3）注浆施工过程中异常情况的处理

如果注浆过程中出现小裂隙漏浆的问题，应该首先使用水泥浸泡过的麻丝填塞裂隙，然后通过调整注浆材料浆液配比以及缩短凝胶时间等方式控制跑浆问题。在注浆过程中，如果压力突然升高，则应该只注纯水泥浆或清水。如果出现堵管问题，则应该先打开孔口泄压阀，再关闭孔口进浆阀，并停机进行处理。注浆施工作业结束后，应该先泄压再关阀门并停机。

6 结语

在高速公路隧道工程施工中，采用大管棚支护技术，可以通过注浆体以及管棚形成共同的受力体，进而对隧道开挖的轮廓线形成梁拱支撑，起到避免围岩软弱坍塌，确保隧道开挖施工作业安全的作用，非常适用于地质断层破碎带、软弱岩性岩层以及裂隙节理发育段的施工作业。需要注意的是，由于大管棚施工作业影响因素较多，因此在管棚施工作业中必须结合项目施工特点，合理进行施工组织设计，强化关键工序的质量控制，为隧道开挖施工作业提供良好的基础。

[1] 林希鹤，卢清国，马艳奉.超前管棚支护在隧道工程中的应用[J].铁道建筑，2006（8）：58-60.

[2] 周爱国. 隧道施工现场技术[M]. 北京：人民交通出版社，2004.