隧道大管棚超前支护施工技术及质量控制要点

甘亮元

摘要：随着高速公路建设的快速发展，公路隧道的修建里程也随之增加，管棚超前支护技术作为一种隧道施工技术，在隧道软弱围岩加固中得到广泛应用。随着近年來施工技术的发展，使得管棚超前支护使用长度增加，管径扩大，施工难度也不断提高，施工中存在诸多不确定性，容易出现质量问题，施工时应加强施工质量控制，保证施工质量和安全，确保隧道施工的顺利进行。

关键词：隧道;大管棚;超前支护;施工技术;质量控制

中图分类号：U455.7A291043

0 引言

随着高速公路建设的快速发展，公路隧道的修建里程也随之增加，与此同时，隧道穿越软弱破碎、松散、整体性较差围岩施工中面临的技术问题、技术难题也日渐突出，特别是在通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地层，施工难度大，施工风险较高，安全性差。管棚超前支护技术所需设备简单及工艺简单，工期短、效率高，支护效果好，经常被应用于软岩隧道中穿越破碎带、松散带和软弱地层。

管棚超前支护就是在开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内，向开挖面地层内打入钢管，利用钢管和钢格栅拱架构成整体支撑体系，为开挖及初期支护作业提供了安全保障，并通过钢管向松散岩层内压注水泥浆液，加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。隧道的地质一般较松软，有时候还会涌水、涌砂层，而管棚施工在这中间就起到了超前支护的作用，管棚刚度较大，施工时如再次发生塌方，塌渣也是落在管棚上部岩渣上，起到缓冲作用。但是管棚支护施工工艺较为复杂，施工工序繁琐，影响施工质量的因素众多，施工过程一旦控制不好，就容易出现长管棚难以控制其导向，管棚注浆的效果得不到保证等质量问题，这就直接影响到隧道施工质量，严重时甚至会发生隧道垮塌等重大质量安全事故。因此，在施工过程中，应加强施工质量控制，确保各工序施工质量满足技术要求，以保证隧道施工的顺利进行。

1 工程概况

某隧道区属岩溶峰丛洼地地貌，隧道所穿越的山体陡峻，山体间的洼地地形平坦，多呈平锅底状，隧道进洞口处于相对比较软的地层岩，层间的结合力较差，工程力学性质差，容易出现变形、坍塌等风险。为保障安全施工，控制隧道变形，本工程设计采用台阶法结合管棚注浆预支护技术，加固掌子面前方围岩，控制围岩变形。在进出口洞口地段采用108 mm大管棚超前支护，超前支护设置于拱部134°范围，管棚采用108×6 mm的无缝钢管制作，环向间距40 cm，大管棚终端与超前小导管搭接。本工程对施工管棚的精度要求高，施工难度大，需要在具体的施工中加强施工质量控制，保证施工质量、安全和工期。

2 施工技术及质量控制要点

本工程大管棚超前支护的施工流程为：施工准备→施作套拱→管棚钻机就位→钻进→安装管棚钢管→钢管内外注浆→洞身开挖及支护。

2.1 施工准备

本工程采用套拱作为管棚导向墙，在进行隧道洞口管棚施工时，在明洞开挖至明暗交接处时，预留管棚施工平台，并根据管棚钻机长度、高度、管棚施作角度等提前扩挖隧道断面，形成管棚工作室。开挖的管棚工作室空间应足够大，能满足搭设管棚施工平台要求，同时对管棚工作室布点进行监控量测，保证管棚工作室段落支护结构安全。

2.2 施作套拱

2.2.1 测量放线

基坑开挖到设计位置并对基底进行处理后，采用全站仪对隧道轴线及套拱施工断面进行细部放样，根据测量放样确定导向墙位置，埋设桩位或做测量标记，以方便施工。

2.2.2 工字钢安装

本工程套拱内设3榀Ⅰ20 a工字钢架，每榀间距0.75 m，每榀钢架分为五个单元，各单元工字钢通过连接板焊接并用螺栓连接牢靠。3榀钢架间纵向用22 mm钢筋连接，间距1 m间。钢架安装时应严格按照设计中线及水平位置进行架设，钢架的下端设在C15混凝土基础上，确保下沉受控。

2.2.3 导向管安装

工字钢架架设完成后，安装管棚导向管，本工程用127 mm壁厚4 mm长2.0 m的无缝钢管作为导向管，间距50 cm。安装导向管时，应严格控制导向管的环向间距及纵向位置，经精确计算测量后焊接在钢拱架上固定，防止导向管在灌注混凝土时发生位移。安装导向管时，为免管棚钻机钻孔侵入洞身开挖断面，导向管纵向应与线路方向需一致，外插角角度为2°～3°，安装导向管时需与端模抵紧，同时采取措施牢牢固定在端模上，以避免混凝土浇注时砂浆进入并堵塞导向管。

2.2.4 模板安装

在进行套拱内外模均采用5 cm木板，木模板之间通过对拉钢筋连接。为确保凝土浇注过程中支撑系统稳定，木模板与钢拱架之间采用扒钉或钢钉连接牢固，木模板间连接采用加背撑方式进行加固。模板与混凝土接触面需涂刷脱模剂，并对模与模之间的夹缝缝严，保证不漏浆。

2.2.5 混凝土浇筑

（1）在进行套拱混凝土浇筑前，需再次对导向管、模板进行检查，套拱浇筑采用C25混凝土，厚60 cm，浇筑顺序为自拱脚两侧对称浇筑，直至拱顶，以避免钢拱架变形而影响孔口导向管的方向。

（2）混凝土的浇筑严格遵守混凝土规程办理，在施工过程中，为保证混凝土的密实性，应及时振捣，振捣时要求振捣棒垂直插入，捣固棒移动间距不大于有效振动作业半径的1.5倍，振捣过程中振捣棒严禁与钢筋、预埋件等接触，混凝土需振捣至表面不再冒出气泡、不再下沉且均匀泛浆为止。振捣过程中设专人观测导向管的位置是否有移动，如出现移动应立即停止振捣，并对导向管位置进行校正。

（3）混凝土施工完毕后，待混凝土强度达到设计强度的70%后方可拆模，拆模后应及时养护。套拱施工完成后，喷射混凝土封闭周围仰坡面，以防止浆液从周围仰坡渗漏。

2.3 钻孔

2.3.1 钻机就位

根据钻机自身高度确定台阶的开挖高度，挖至台阶底部时，形成管棚钻机施作平台。钻机就位时根据施工放样准确位置安装和固定钻机，并严格进行机位调整。钻孔采用管棚钻机进行，钻机入孔的方位角及倾角必须根据测量数据严格控制，保证打入管棚角度符合要求，钻杆前端准确就位于测量放样点位，钻机后端根据三维坐标测量数据严格调整水平分角和竖直分角，保证钻孔角度符合要求。钻孔角度可根据地质条件和钻孔情况作适当调整，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。

2.3.2 钻进施工

钻机开钻时，采用低速慢进，钻进过程中仔细观察钻杆与导向孔壁的摩擦情况，以确定钻杆前进方向，待孔钻进约2 m后，即可均匀加速钻孔。钻进过程中不断向孔内吹入高压风，将孔内钻渣排出孔外。钻进时要随着地质的不断变化，相应地调整钻进参数，以保证精度。钻孔到设计深度后，退出钻杆，用高压风吹孔，清除孔里面的钻渣。

2.4 大管棚安装

2.4.1 管棚的加工

本工程大管棚采用直径为108 mm，壁厚为8 mm的热轧无缝钢管，管棚钢管节分成长3 m和6 m两种。钢管前端呈尖锥状，管壁四周钻16 mm注浆孔，孔间距20 cm，呈梅花型布置，尾部焊有加筋箍且2.4 m范围内不钻孔。管棚采用人工配合机械顶进安装，逐节接长，用30 cm长90×5 mm的钢管作为接长管节的接头钢管，并外留2 cm空隙进行满焊连接，大管棚示意图如图1所示。

2.4.2 管棚顶进

下管前要先对每个钻孔的钢管进行配管和编号，下管时按照编号分段施工。管棚安装前，用高压风对孔内进行扫孔、清孔，对棚管进行质量检查，并清除干净管材内的铁屑、锈皮等杂物。根据快速施工的要求，本工程采用挖掘机在人工配合下顶进钢管。顶进时，采用6 m或3 m节长的管节交替使用，以保证同一横断面内的接头数≤50%，钢管顶端必须打入围岩2 m以上。

2.4.3 孔口封堵

在钢管内插入注浆管和排气管，排气管要深入孔底。对预留的管口进行保护后，对孔口空隙进行封堵和施作掌子面喷射混凝土止浆墙。钢管与导向管间隙用速凝水泥或其他材料堵塞，管口用麻丝和锚固剂封堵，堵塞时设置进浆孔和排气孔。封闭钢管尾部，后用环形楔环顶紧，最后用电焊将楔形环焊接在管棚上。

2.5 注浆

2.5.1 浆液配制

水泥浆液搅拌在卧式搅拌机内进行，本工程浆液采用水灰比为1∶1的水泥浆液，根据拌和机容量大小，严格按要求投料;配制浆液时，要注意加料顺序和速度，注浆过程中不停搅拌浆液。浆液随配随用，要有良好的流动性、可注性，拌好的浆液在进入贮浆槽及注浆泵之前均应被过滤。

2.5.2 注浆施工

（1）注浆前在洞口管棚起点套拱衬砌内轮廓线和外轮廓线处喷射一层混凝土作为止浆墙，对掌子面进行封闭，防止注浆时漏浆。注浆前用高压风对管棚钢管进行吹洗，防止杂物堵塞注浆孔。注浆前先检查管路畅通和机械运转状况，确认机械正常后进行浆液各项检验指标试验，确定合理的注浆参数。

（2）本工程采用1台BW-250/50型注浆泵注浆，注浆顺序为先低孔后高孔，先无水孔后有水孔，可从拱脚起向隧道拱顶钢管方向推进。注浆采用分段注浆，浆液先稀后浓，注浆速度一般由快到慢，初压为0.5～1.0 MPa，终压为5.0 MPa，注意控制注浆量，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。注浆时，注意检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串漿现象，发生串浆时要及时堵塞串浆孔。

（3）注浆结束后及时封闭止浆阀，先对钢管进行清孔，清孔完毕后立即用M30水泥砂浆充填钢管，注浆管口埋入砂浆深度≥30 cm，以增加钢管强度。

2.6 施工效果

本工程采取相应施工控制措施，大管棚施工精度高，相应地加快了施工进度，有效地控制地表下沉，减少了超挖与回填量及施工时间，提高了工效，取得了较好的社会和经济效益。

3 结语

总之，隧道大管棚超前支护施工条件复杂，施工工序繁琐，施工质量要求高，因此，在工程施工过程中，应该结合工程项目实际情况，合理地制定工程施工方案，加强对施工质量控制，确保施工质量和施工安全，保证隧道的建设质量以及社会和经济效益的实现。

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[4]薛守壮.隧道大管棚超前支护施工关键技术及实施要点解析[J].科技视界，2016（13）：235.

收稿日期：2020-05-08