隧道大管棚超前支护施工技术研究

党 荣

(忻州市交通建设综合开发中心)

0 引 言

随着我国交通事业的迅速发展，隧道工程建设项目也越来越多，隧道工程施工由于容易受到复杂地质条件下的地应力、地质物理参数、地下水、断层等因素的影响，所以对于开挖支护也提出了较高的要求。隧道大管棚超前支护由于可以通过水泥浆加固土体，并结合利用高强度钢管的刚度，能够在隧道拱部预先形成伞状钢管棚，抗剪性能强，因此，可以有效的承载隧道上部土体的荷载，为隧道施工安全开挖施工提供支撑，同时还可以有效的控制隧道开挖引起的沉降以及管线变形问题，因而在隧道工程施工中得到了广泛的应用，非常适用于软弱、浅埋岩体。然而由于大管棚超前施工作业环节多、施工工艺复杂，对于施工作业管理也提出了较高的要求。为了确保大管棚真正发挥作用，必须结合大管棚超前支护施工工艺技术特点，强化现场管理，为隧道施工作业提供安全、稳固的作业面，确保隧道工程施工作业的顺利推进。

1 大管棚超前支护作用原理分析

隧道大管棚超前支护就是将钢管沿着隧道开挖的外轮廓线打入地层之中，配合钢拱架形成隧道棚架预支护加固体系来承担管棚上部的荷载，同时采用钢管中布置的注浆孔向地层中注浆起到加固隧道软弱破碎带的作用，能够有效的提高地层的自稳能力。大管棚超前支护的具体作用机理主要有以下几方面。

(1)具有梁拱效应。通过施设管棚，可以在隧道洞口形成环绕隧道洞口的壳状结构，能够有效地控制围岩的松动和垮塌。

(2)具有较好的加固效果。通过向隧道围岩裂隙中注浆可以将松散的岩体有效的固结，进而起到改善围岩物理力学性质的作用，提高了围岩的自承能力。

(3)可以有效确保施工安全。管棚支护的刚度较大，在开挖施工中，如果出现坍塌问题，管棚能够有效的起到缓冲作用，而且即使管棚失稳，破坏过程也相对较为缓慢。

(4)降低开挖施工对于围岩的干扰。如果隧道洞身开挖采用新奥法等施工工艺，经常会存在爆破施工作业，采用管棚超前支护，则可以通过管棚的密集环形孔槽吸收爆炸冲击，因而可以降低对于围岩的干扰。

2 大管棚超前支护施工准备工作

(1)施工技术准备。隧道大管棚超前支护施工技术准备工作主要内容是对施工图纸进行会审，同时组织施工技术人员熟悉施工图纸设计意图以及关键施工工序，完成大管棚超前支护施工组织设计。之后按照施工设计图纸中的相关要求进行施工测量，尤其是对隧道轴线桩、平面控制三角网基点桩及高程控制的水准点进行复测，并完成洞顶沉降观测点的布设。

(2)施工现场准备。现场准备工作主要是按照隧道施工作业的实际需要对施工作业场地进行提前规划，并完成洞顶截水沟排水系统以及洞顶上方危石的清除工作。同时，还应该根据隧道工程施工的实际需要，做好材料的准备以及施工现场的试验准备工作。

3 大管棚超前支护套拱施工

套拱是在洞口段施工时，固定或支撑管棚端部的拱形结构，套拱的施工作业内容主要有以下几方面。

(1)套拱基础的开挖施工。套拱基础开挖主要采用机械开挖作业方式，在套拱开挖之后应该及时对套拱基础进行地基承载力试验，确保地基承载力满足要求(≥0.3 MPa)。如果地基承载力不满足要求应该采取换填碎石土等措施提高基础的地基承载力。套拱基础开挖大多采取环形开挖以便于后期安装套拱内模。完成套拱基础开挖施工以后，应该及时的安装套拱基础模板以及预埋埋筋，检验合格后即可浇筑基础混凝土，现阶段在隧道工程施工中套拱基础一般选择使用C15片石混凝土进行浇筑。

(2)模板及导向管安装施工。套拱底模一般采用工字钢做底模支持，同时在工字钢之间采用钢筋纵向焊接以确保底模的整体性。在工字钢搭设加固完成以后在工字钢上采用钢筋固定木板作为底模模板。在底模安装施工结束以后，按照施工设计图纸定位测量导向管的位置以及角度准备导向管的安装。现阶段在隧道工程施工中，导向管一般采用长度2 m 左右的钢管，外插角1°～3°左右，将导向管用钢筋焊接固定于钢拱架之上，同时将导向管管口封住以免混凝土流入。在完成套拱钢筋绑扎之后，在钢架上焊接架立钢筋，并采用外箍筋绑扎固定外模模板。

(3)套拱混凝土的浇筑施工。在隧道工程施工中，套拱主要采用C30混凝土，为了确保套拱刚度及强度满足要求，一般采用早强剂确保促进混凝土强度尽快形成。混凝土的浇筑施工应该连续浇筑作业，在浇筑施工作业过程中需要及时的进行振捣，直至混凝土没有下沉以及明显气泡上升，同时混凝土表面出现薄层水泥浆、表面平整为止。

4 钻孔施工

(1)钻机就位。在完成套拱施工以后，即可以使用脚手架搭设钻孔平台，钻孔施工过程中应该根据孔位的变化及时的调整钻孔作业平台的高度。在平台安装结束后，就位钻机设备，采用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方式，确保钻机位置准确，钻机钻杆轴线与孔口管轴线相一致，并将钻机牢固的固定在钻机平台之上。

(2)钻孔。钻孔作业一般按照从两侧拱脚开始由下而上间隔钻孔的施工作业顺序，先钻奇数孔之后再钻偶数孔。完成一个钻孔的钻进之后及时的采用管棚钻机顶进一根钢花管，在完成奇数孔注浆而且凝固之后进行偶数孔的钻设。在钻孔过程中，如果出现塌孔、卡钻等问题，应该及时的补注水泥浆之后再进行钻进作业。钻机刚开始钻孔时，保持低速低压，成孔1 m 左右之后方可根据实际地质情况进行相应的调整。同时在钻进过程中应该及时采用测斜仪测定位置，监测成孔质量，并根据孔口岩屑对隧道的地质情况进行判断、描述，作为地质预测资料以指导后期隧道洞身开挖。

(3)清孔作业。在完成钻孔以后，应该采用钻机进行反复扫孔，以便于彻底清除钻孔内的浮渣，重点保证孔径、孔深等符合施工质量要求。之后采用高压风从孔底向孔口吹扫钻渣，确保孔内干净。

5 大管棚钢管安装及注浆施工

(1)管棚钢管安装施工。管棚钢管一般采用热轧无缝钢管，长度规格不一，在隧道工程施工中较为常用的主要有4 m、6 m 两种，为了便于进行注浆施工，钢管大多采用有孔花管，间隔一定距离按照梅花形设置注浆孔，同时为了便于钢管的入孔，钢管端头一般设置成锥形。钢管的安装采取管棚钻机和人工相配合顶进的施工作业方式，如果钢管长度不足，应该接长钢管，但是应确保相邻钢管的接头应前后错开。

(2)注浆施工。注浆施工是管棚施工作业的关键环节之一，注浆的效果也直接影响到管棚超前支护的施工质量，因此必须作为重点控制管理的环节。在隧道工程施工中，一般控制水泥浆水灰比1∶1，注浆压力控制在0.5～1.5 MPa范围内。在连接好注浆管路后，首先应该利用注浆泵先进行压水试验对管路的密闭性检查，之后即可进行现场的注浆施工作业。为了控制注浆时间，在施工中先应计算分析注浆量，确保注浆效果。注浆量的计算公式为:Q=π×r2×L +π×R2×L ×η ×β ×α;其中: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。待注浆过程中注浆压力逐步提高，达到设计终压并继续注浆15 min 以上，而且注浆量达到设计量的95%以上，即可结束注浆施工，之后及时的清除管内胶凝浆液，并采用水泥砂浆进行填充。

6 结 语

大管棚超前支护施工技术由于可以有效的改善松软破碎岩层物理力学性质，而且施工作业速度多快，不需要大型机具设备，因而在隧道工程支护中的应用较为普遍。在施工过程中，技术人员应当严格按照施工技术规范中的相关要求进行现场管理，做好工序的衔接，以确保隧道大管棚超前支护施工质量，提高支护的稳定度和安全系数。

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