长大管棚超前支护在铁路隧道洞口施工中的应用

张 哲

（中交路桥华北工程有限公司，北京 100000）

1 工程概况

新建池州至黄山高速铁路站前工程，施工总价承包HCZQ-4标位于黄山市黄山区和黟县境内，起讫里程DK86+860.115～DK121+625。

正线全长为34.765 km，跨双溪河、S218、汤刘河、武备河、晓源水、X031、虞山溪、Y031等，止于黟县源川村。

2 管棚受力原理与计算模型

2.1 受力原理

在隧道洞口段施工时，通常运用大管棚超前支护法，以此达到支撑和加固围岩的效果，有效预防软弱围岩下沉、松弛和坍塌等现象。

工作原理：利用管棚注浆使拱顶预先形成加固的保护环。该保护环可以为隧道施工创造良好的开挖条件，承担了承载拱的重要功能，降低拱内部围岩的承载压力；如果超前管棚沿着隧道挖掘的方位展开分布，加固环的变形力显著减弱，导致隧道支护荷大幅度降低。还能够将形变应力第一时间传输到支撑拱架中。互相扶持的拱架可以成为整体支护，确保掘进施工如期进行以及支护的绝对安全[1]。

2.2 计算模型

挖掘隧道洞口时，下部土体自然会被挖掘出来，管棚端部处于悬空。管棚钢管大多处于加固地层内部，还受到地层的大加约束。悬空部分最重要的效用为有效支撑上部荷载，如果施工场地在隧道内部，钢管的前段与后段存在差异。此时，中间悬空的钢管段可以简化，简化后变为简支梁，管棚能够有效承载两方面的荷载，即上部土体荷载、路面荷载。

3 大管棚施工设计

3.1 大管棚设计参数

（1）导管是无缝钢管形式，外径尺寸为108 mm，管壁厚度为6 mm。

（2）环向间距保持在40 cm左右。

（3）外插角以1°为最佳。

（4）对于大管棚每环施作而言，长度在60 m左右，钢管前段基本形状为锥形。

（5）热轧无缝钢管，外径114 mm，管壁厚度6 mm。

（6）在钢管内部设置钢筋笼，钢筋笼的主要组成部分包括主筋、固定环。

（7）在钢管上部钻入注浆孔，注浆孔的直径16 mm，注浆孔的纵向间距为113 mm，形状为梅花形，尾部预留大约100 cm的距离，作为止浆段。

3.2 注浆参数设计

（1）灌注的浆液主要有两种，即水泥浆液、水泥玻璃双液浆。

（2）水泥浆、水灰比为1∶1（重量比），注浆压力为0.5～2.0 MPa。

（3）≥0.5 m。

（4）开展注浆作业之前，先进行现场注浆试验，通常试验收集注浆参数和积累钢管注浆施工的经验，根据所得结果科学确定注浆参数。

单根钢管注浆量：

式中：Rk——浆液扩散半径，取0.65 m；L——钢花管长（m）；ζ——注浆饱满系数，取0.85；η——空隙率（%），风化岩层取2%～3%，断层破碎带取5%～8%，溶槽溶隙地层取10%～15%，黏土取20%～40%，砂土取40%～60%。

4 大管棚施工

4.1 施工准备

（1）管棚施工的第一步为尝试进行钻孔，符合施工条件后开始正式施工，保证施工质量。

（2）为保证注浆顺利进行以及管棚施工的有序进展，高压注浆前，务必封堵各个孔口。

（3）开挖前，为了防止出现脱节的情况，必须确保钢管连接时不能出现差错[2]。

4.2 不良地质处理

针对试钻不理想地段，应对不良地质进行处理，一般采用超前小导管注浆，如果效果不理想可以采用山体注浆。

（1）超前小的导管施工。

对小导管进行施工前，先喷射混凝土，混凝土厚度最低为3 cm，最高为5 cm，以对拱部进行封闭，有效防止工作面出现裂缝。后续循环可以充分利用循环间的搭接部分，并将其作为止浆墙。

小导管采用Ф42小导管，长5～7 m，间距1.5 m×1.5 m，造孔时可以使用钻孔台车，也可以使用手持式风钻造孔。造孔间距可以根据现场情况进行调整，围岩不理想地段可以适当减小小导管间距。

注浆液采用水泥净浆，水泥∶水=1∶1。

（2）山体注浆。

对小导管注浆效果不理想地段可采用山体注浆，山体注浆前先喷射混凝土，混凝土厚度最低为3 cm，最高为5 cm，以对山体进行封闭，有效防止工作面出现裂缝[3]。

山体注浆采用Ф108 mm无缝钢管，从山体顶垂直钻孔，钻孔间距1.5 m×3 m，钻孔深度根据现场情况不要侵占隧道轮廓线为宜。

注浆液采用水泥净浆，水泥∶水=1∶1。

4.3 导向墙施工

长管棚需要设置导向墙，导向墙宽1 m，截面为1 m2。导向墙的施工范围为洞口衬砌外轮廓外。设置工字钢，工字钢型号为I18轻型工字钢，数量为2排，同时将导向管焊接于导向墙中，导向管采用Ф140 mm钢管。浇筑导向墙混凝土时运用的标号为C20混凝土。

4.4 钻孔

（1）为避免漏浆等情况的出现，有必要将素混凝土喷射于掌子面，将其作为止浆墙。

（2）钻机采用KG940A型露天潜孔钻车，只有对机械进行系统检查，并确保一切正常时，才可以进行钻孔，钻孔时应根据实际情况确定是否加入泥浆或水泥浆[4]。

（3）为防止出现加钻的情况，必须对钻进速度进行有效的掌控，确保前进的匀速性，特别是遭受到夹泥层时，更应当注意进度。

（4）对于开钻上挑角度而言，最低为3°，最高为5°，不仅应对钻进角度进行有效控制，同时应对钻进方向进行有效控制。

（5）环向间距40 cm。

（6）如果遇到比较复杂的地质情况，可以利用跟管钻进的技术。

4.5 大管棚安装

（1）大管棚设计参数。

①热轧无缝钢管及钢花管，长度通常在10～16 m，用每节长4～6 m的热轧无缝钢管Ф108 mm，壁厚6 mm，采用丝扣连接的方式，钢管及钢花管同一截面内的接头数必须少于管数的50%。

②钢花管上钻注浆孔，孔径在10～16 mm之间，控制间距为11 cm，采用梅花形布置，尾部留不钻孔止浆段110 cm。

③径向不大于20 cm，相邻钢管之间环向不大于5 cm。

（2）大管棚安装。

①大管棚安装前先对导向墙上导向管从左往右进行编号，安装顺序为先奇数号管棚再偶数号管棚。

②偶数号管棚连接的方式应与奇数号管棚的连接方式不同，以此达到同一截面内的接头数不超过管数的50%。例如30 m的长管棚奇数孔可采用6 m+4 m+6 m+4 m+6 m+4 m，偶数孔可采用4 m+6 m+4 m+6 m+4 m+6 m。

③大管棚安装可利用人工或机械的方式安装。

（3）注意事项。

①为了有效防止塌孔现象的出现，应在钻孔完成后设置管棚钢管。

②钢管严禁一次性全部进入，应利用逐节进入的形式，最好的连接材料是丝扣，丝扣长度保持在15 cm左右[5]。

③钢管与钻孔不可避免会形成一定的缝隙，对于这些缝隙，必须第一时间展开填充，在钢管的外漏部位焊接一个止浆阀，确保焊接的强度和密实度。

4.6 注浆施工

（1）注浆前，确保管路与机械处于正常状态，对导管内部的灰尘、杂物等进行及时清除，与注浆管进行有效连接，使用塑胶泥对孔口予以封闭。

（2）注浆时，应对各处的情况进行及时、全面检查，只有一切正常才能继续进行注浆，如果出现特殊情况，应第一时间采取补救举措[6]。

（3）如果注浆压力在2.5 MPa以上，压力持续时间超过5 min，必须立刻停止注浆作业。

（4）在注浆的过程中，及时、全面填写《注浆记录表》，对各项数据信息进行精准记录，对压力表值进行观测，对联通装置进行监控。

4.7 注浆效果评定

全方位、认真细致地观察注浆的充填状况；对孔内涌水颜色及孔内涌水量进行观察，涌水清澈、涌水量为0.4 m/L时才能施工，否则需要立即进行补充。

5 结语

长大管棚超前支护技术能够使岩层的物理力学性质得到有效改善，尤其是松软岩层，利用此技术时，水泥浆能够对岩石缝隙进行充分填充，对围岩进行固结；大管棚与注浆施工工艺简单、操作简便，不需要大型机械就能够完成施工，取得显著的效果，具有较高的社会效益与经济效益等；在隧道进出口端浅埋级围岩工程中，该技术应用的效果比较好，保证了工程的有序完成。综上所述，长大管棚超前支护技术不仅能在隧道掘进工程中发挥重要作用，在处理塌方时作用也非常关键。其具有可靠性及较高的支护能力，在较多地段都有所应用，特别是沙土质段，应用效果更显著。长大管棚超前支护技术能够有效提升施工的安全度，确保岩体处于相对稳定的状态，有效防止地表出现下沉、松弛等情况。