管棚超前支护在隧道下穿城市快速路中的应用

张延彬

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆400700)

随着我国社会经济的发展，市政道路的建设越来越广泛。在市政道路建设中，难免遇到隧道工程施工，大量工程实例表明，市政道路隧道工程施工中应用管棚超前支护技术是保证施工人员和机械设备安全的关键，同时也是提高市政道路隧道工程质量的主要途径。因此，本文基于工程实例，对管棚超前支护在市政道路隧道下穿城市快速路中应用做了如下分析:

一、工程概述

重庆金童路南段道路及配套工程为城市主干道Ⅰ级，位于重庆北部新区，道路设计起点接N区1#路，从童家院子立交西侧穿越内环快速路、机场快速路、火风山公园，形成火风山隧道，终点接北部新区金童路,道路全1261.046m。全线结构物包括725m长的城市中隧道一座（火风山隧道），205m长的短隧道一座（北侧节点C匝道隧道）。火风山隧道双向四车道，共包含三个单洞，即左、右线隧道和C匝道，左右线隧道分别长725m（里程桩号K0+430～K1+155），C匝道长205m（里程桩号CK0+912～CK1+117），单洞合计1655m。隧道采用曲墙三心圆形断面，最大净宽10.23m，隧道中心处最大净高6.73m。主线隧道最大纵坡为2.0%。C匝道隧道最大纵坡为3.5%，隧道设计标准如表1所示：

表1 隧道设计标准表

二、隧道管棚超前支护的特点、作用及支护原理

（一）隧道管棚超前支护的特点

所谓管棚超前支护,是隧道开挖前所进行的一种防护处理方式，指的是在进行隧道开挖前，按照隧道既定的轮廓线，把相应的钢管打入岩体中，其外露部分通过固定钢拱架上，并形成拱状结构，在隧道开挖前形成相应的保护棚。从而在隧道中形成薄壳结构，最大限度提升整个隧道工程的受力性。由于管棚超前支护技术的前端是打入岩体内部的，和锚杆等初期支护结构相互连接，促使管棚超前支护和初期支护结构能更好地连接，逐步形成纵向支撑，从而有效提高了该隧道工程抗竖向荷载的能力。同时，隧道管棚超前支护在隧道横断面方向能够逐步形成拱群效应，以促使隧道工程在最短的时间内，形成横向范围内全新的受力结构，以提升隧道工程的稳固性和安全性。

（二）管棚超前支护技术的作用

大量工程实例表明，在隧道工程中应用管棚超前支护技术的主要作用体现在加固围岩上。研究结果表明，通过钢管开孔能够向围岩中注入水泥浆等材料来提升围岩结构的稳定性。同时，此项技术还能起到良好的承载作用，且深入岩体内部的钢管可以有效承受岩体结构发生变化后而产生的应力荷载，大大提升了隧道工程结构的稳定性和安全性。除此之外，在隧道工程中应用管棚超前支护技术，能行之有效地扩散和传递开挖中岩体向外释放的全部荷载。因此，在具体开挖过程中，可以促使隧道岩体中钢管所承受的荷载向四面八方扩散。就施工效果而言，隧道管棚超前支护技术能够有效阻止拱顶沉降的发生速率，大大提高隧道工程中围岩的强度，有效避免隧道塌方等安全事故发生的概率。

（三）隧道管棚超前支护技术的支护原理

管棚超前支护的支护原理为：通过向围岩的内部空隙注浆，从而有效提高围岩的强度、刚度和相应的承载能力。深入岩体内部的钢管可以逐步形成加固拱圈，科学合理地分散隧道工程上部岩体的重量，促使围岩时刻处于免压状态。同时，围岩中某一段能固定套拱基础上，促使围岩在周围形成一个稳定的简支梁支撑结，进一步分散上部荷载。

三、管棚超前支护在隧道下穿城市快速路中的具体应用

（一）主要工序施工方案

就该市政道路隧道工程而言，凡下穿施工影响范围中采用了地表注浆方法来加固路面和回填，注浆施工方法主要为夜间占道施工。且隧道洞口明挖采用机械开挖的方法，主要支护措施为注浆锚杆+钢筋网片+喷射混凝土。下穿段隧道进洞采用管棚+超前小导管辅助措施对进洞口进行施工，而洞身则采用CRD法进行施工，通过爆破法开挖，机械和人工相互配合装渣，小型翻斗汽车运渣。初期支护为：混凝土喷射湿喷工艺，严格按照喷-锚-网-喷的作业工序进行施工。仰拱和回填均采用衬砌浇筑的方式进行施工，在进行混凝土浇筑时，分左右幅施工，有效降低了对掌子面施工的影响。

（二）隧道下穿段主要工序施工方法

1.洞口边仰坡施工

在洞口边仰坡施工时，要根据相应的设计图纸要求，进行仰坡、洞口施工放样，并根据施工放样来确定边坡、仰坡的位置。具体开挖顺序为从上到下的施工方法。具体防护原则：边开挖、边防护，开挖完成立即初喷4cm混凝土，并布设直径为6.5mm的钢筋网。两侧边坡和洞口仰坡采用长度为6m，间距为1m的锚杆进行固定。喷射混凝土的顺序为先分段后分块，从下到上的施工顺序。在具体喷射过程中，喷嘴要进行缓慢的螺旋运动，促使喷射料束的运动轨迹能呈现螺旋式移动，具体旋转直径要控制在20～30cm。如果在喷射过程中发现个别喷面存在凹凸不平的现象，则要先行喷射，大致找平以后，才能进行下一道工序施工。

2.套拱混凝土施工

套拱混凝土施工步骤可分为三步：

第一步，测设中线和水平基点。在具体施工中，根据隧道洞口的主要设计形式、洞口地形标高、自然坡度等详细计算出洞口最小挖边、仰坡边线等，然后通过全站仪测量护拱断面尺寸的中线和高程。

第二步，基础开挖。为减少开挖对山体的扰动，在不开挖山坡脚土体的情况下，洞口范围沿边墙两侧处分别人工开槽，开槽宽度1.5～2m，隧道断面中间预留核心土，两侧开挖至护拱基础底即可。

第三步，套拱施工。套拱施工工艺为：施工准备→测量放样→拱架定位→拱架拼装→装模板→预埋管棚导向管→浇注混凝土。

就该隧道工程而言，套拱基础底部采用人工整平后浇筑C20混凝土，基础厚度1m，控制纵向长度在2.5m左右，套拱长度为2m,厚度为0.5m左右，为保证施工质量，套拱中设置了I16工字钢拱架，间距为0.8m。

（三）超前管棚支护施工技术

1.超前管棚支护施工工艺流程

超前管棚支护施工工艺为：施工准备→钻机运行平台搭设→钻机就位→跟管钻孔→安装钢筋笼→封闭孔口注浆。

就该市政道路隧道洞口超前管棚支护而言，采用了直径为108mm的无缝钢管，长度为38m，按照换向间距0.4m布置一环，总共为48根，并在钢管内部设置相应的钢筋笼。

钻机操作平台搭建过程中，采用直径48mm，厚度为3.5cm的钢管进行全方位搭设，操作平台的高度为6m，宽度为12m，平台脚手架立杆步距控制在1m之内。并在平台底部铺设间距为20cm的钢管，在四周做钢管栏杆并设置防护网。有该隧道在施工中存在不间断渗水漏水的问题，因此，为避免渗水漏水对施工质量的影响，要在平台四周挖出一条20cm×20cm的排水沟，把水引向附近的积水井中。

当钻机的位置要和已经定位好的孔口管方向相互平行，同时也要精准核定钻机的具体位置，通过经纬仪、挂线等措施，反复调整钻机的位置，最大限度上降低钻机钻杆轴线和孔口管轴线相互吻合。在具体钻进过程中，通过测斜仪对钻孔的偏斜度及时控制。

2.管棚跟管施工

采用XY-2B工程钻机全跟管施工，且管棚前部采用电镀金刚石钻，以提高钻孔的质量，保证管棚钢管能一次性钻入。在具体钻进过程中，每钻进3m接一节3m管棚钢管继续钻进，确保达到设计深度。每节钢管都采用丝扣紧密连接，丝扣的长度要控制在8cm左右，工厂中进行统一加工，同一横断面内的接头数不满足50%，且相邻钢管接头至少要错开1m。就该工程而言，管棚钻孔施工中允许误差如表2所示：

表2 管棚钻孔施工中允许误差表

3.二次衬砌

在具体施工中，为有效保证下穿隧道施工的安全性和施工效率，要及时仰拱、填充和二次衬砌施工。

仰拱、填充的施工方法为：采用仰拱和充填先行于衬砌的施工方法进行施工，仰拱一次开挖的长度要尽量控制在5m之内，及时施作仰拱，避免发生坍塌事故，并保证洞内道路的通畅性。在具体施工时，要对施工地段仰拱基底进行科学合理的处理，然后通过立模的方式进行混凝土浇筑，当混凝土浇筑完成以后，再进行自然养护和洒水养护。

洞身衬砌施工技术：下穿段洞身衬砌钢筋混凝土采用9m整体大钢模板液压衬砌台车进行定位浇筑，最大限度上保证支护的稳定性，达到缩短衬砌浇筑的目的。钢筋洞外加工，洞内人工绑扎或焊接。采用商品C30混凝土，砼搅拌输送车运输，输送泵泵送砼入模、机械捣固。整体钢模液压衬砌台车断面结构如图1所示：

图1 整体钢模液压衬砌台车示意图

四、结束语

综上所述，本文结合工程实例，深入分析了管棚超前支护在隧道下穿城市快速路中的具体应用。管棚超前支护技术具有施工效率高、质量有保障等优势，被广泛应用在隧道下穿城市快速路具体应用中，但各项技术相对比较复杂，在具体应用中涉及到很多施工环节，任何一个环节发展质量问题，都会对管棚超前支护的质量造成严重影响。因此，在具体施工中，必须根据施工规范和相应标准的需求，做好各个环节的施工质量和安全措施。

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