摘要：超前管棚支护是隧洞施工中穿越软弱岩和破碎围岩的一种有效的加固技术。本文主要结合某工程实例，论述了超前管棚支护施工原理、管棚设计以及施工控制要点，希望能够为同类工程借鉴和参考。
关键词：隧洞；超前；管棚支护；钻孔；注浆
1工程概况
某隧洞埋深为6~9m，揭露围岩为泥加石，隧洞多处渗水，为含水地层，隧洞开挖施工过程中洞内多次垮塌，地表连续塌陷严重，洞室极不稳定，影响民房及道路安全；对此建议对该段特殊地段隧洞加强超前支护措施，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，稳定性能得到加强，可以防止土层坍塌和地表下沉，且确保工程顺利进行和施工及周边环境安全。结合以往隧洞施工经验，加强超前支护措施采用超前支护体系能够有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地层在稳定状态下开挖隧洞；超前支护体系管棚超前支护施工技术，管棚超前支护技术加固地层、稳定拱顶及掌子面，对抑制地面沉降有非常重要的作用。
2管棚超前支护施工原理
管棚超前支护技术指的是将一组钢管沿着开挖轮廓已经钻好的孔中打入地层中，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，对来自于管棚上部的荷载进行支撑和承受，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，起到对软弱破碎的地层进行加固，进而对地层的自稳能力进行提高。管棚超前支护技术适合用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地具有较好的防渗止水的效果。管棚超前支护施工原理如下：（1）梁拱效应：先行施设的管棚，将掌子面和后方支撑作为支点，从而形成一个梁式结构，两者能够形成环绕隧洞轮廓的壳状结构，能够对围岩松动和垮塌进行有效的抑制。（2）加固效应：注浆浆液经过管壁孔压入到围岩孔隙中，能够使得原本松散的岩土固结，进而对软弱围岩的物理力学性质进行改善，对围岩的自承能力进行增强，起到对钢管周边软弱围岩进行加固的目的。（3）环槽效应：掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围。
3管棚超前支护的设计
3.1管径的选择
大管棚管径介于准89~准159mm，工程中多用准108mm的钢管，环向间距以不大于3~5倍管径为宜。管棚钢管的选择根据计算结果和技术经济因素分析，如果松软土层支护要求比较高，应当选择准127mm钢管，对于土体凝聚力比较高的粘性土，可以选择准89mm钢管，通常情况下会选择，本工程结合实际情况最终确定一般土层选择准108mm钢管。
3.2管棚钢管环向间距的确定
针对不同情况合理设计，钢支撑布置间距根据塌方体的松散与开挖难易程度及施工效果，可在40~80cm范围内调整选择，特殊情况下需加密，本段确定为40cm间距。根据对实际的地质条件、工程断面尺寸、埋深等影响因素的对比分析，大管棚管径准108mm，管长不超过40m为宜，本次设置为10m一循环，单节钢管长1.5m，以丝扣连接，丝扣长150mm；环向间距一般不大于3~5倍管径为宜，本段设置为35m，特殊情况下需加密。
3.3管棚布置形式
采用门形布置，隧洞除底部外，布置成半圆、侧壁的门形。用于隧洞基础是稳定的，断面内地层及上部地层不稳定的场合，如图1。
4超前管棚支护施工要点
4.1总体施工工艺
首先施作套拱混凝土，用套拱作为长管棚的导向墙，套拱在明洞外廓线以外施作，套拱内埋设4榀I20b工字型钢支撑，拱架间用准22钢筋连接，连接钢筋环向间距1.0m；钢支撑与管棚导向钢管焊成整体。导向钢管采用准150×4钢管，施工中严格控制导向钢管安设的平面位置、倾角、外插角的准确度值。施工前用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定导向钢管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。确保导向钢管牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。隧道洞口长管棚均采用准108、壁厚6mm无缝钢管，以公母丝扣连接，施工中分段安装，同一断面接头不大于50％，相临接头距离大于1m，其仰角为1~3°。钢管环向间距为50cm。利用管棚钻机钻孔，注浆孔采用干钻法成孔，利用高压水将孔内余碴清洗干净，以防塞管时卡管；钢管连接采用准102，15cm长内丝联接。考虑到冬季施工，在明洞开挖及防护完毕后在明暗交界处搭建保温棚，保证管棚注浆质量。长管棚预注浆采用水泥浆（30MPa），注浆压力为0.5～1.0MPa，水泥浆水灰比1：1，水泥标号为425。用注浆泵将浆液压入孔内，通过钢管壁注浆孔来加固地层并紧密填充管棚，增强管棚的刚度和强度。注浆过程采用双指标控制即注浆量和注浆压力。必须同时满足注浆总量达到钻孔体积的1.5倍，注浆压力达到1.0MPa时才符合要求。
4.2施工控制要点
4.2.1钻孔
钻孔之前用全站仪准确定方向和角度，钻孔过程中经常进行校核检查。钻孔顺序为由高孔位向低孔位间隔进行，钻孔深度24m，一次钻到位。钻孔采用直径准130mm钻头，孔深大于管长0.5m以上。钻机开孔时钻速宜低，钻深100cm后转入正常钻速。若出现卡钻或塌孔时，应拔出重钻或更换钻头。必要时可采取先注浆后补钻的方法。钻进过程中要注意钻杆的方向和角度，防止相邻孔位发生对穿现象。同时在钻进过程中要注意围岩地质的变化，并适时记录，为以后的洞身开挖提供第一手资料。钻孔达到要求深度后，按照同样方法拆卸钻杆，钻机退回准备进行下一个孔的钻进。鉴于洞口地质破碎，应每钻一个孔即安装一根管棚钢管，并进行注浆，防止塌孔。
4.2.2安装管棚
奇数钢管每节长为6m，管棚长度24m，接长3次；偶数钢管两个端头每节长为3m，管棚长度24m，中间接长3次6m钢管即可。管棚接长时先将第一节钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。第一根钢管前端要焊接成锥状，以防止管头顶弯或劈裂。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30～40cm时，人工装上第二节钢管。人工持链钳进行钢管联结，使两节钢管联成一体。根据管棚的设计长度，按同样方法继续接长钢管。
4.2.3注浆
管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果的优劣同样影响着整个管棚体系的施工质量。因此，注浆要根据地质情况选用合适的浆液、压力和合理的流量，在注浆过程中压力小则注不进，压力过大则会造成地面外鼓、崩裂，在浅埋地段对地面建筑物造成影响。注浆前平整注浆所需场地，检查机具设备，并准备注浆材料。注浆材料严格按照实验室提供的配料单进行，且准备要足够充分。注浆要严格按照实验室提供的配合比进行，且注浆前必须向监理工程师报检。注浆初压力为0.5～1.0MPa。灌浆采用纯压式单孔灌浆法，全孔一次性灌浆，根据经验值灌浆压力为0.5～3.0MPa，压力表安装在孔口处进浆管上；浆液水灰比按1、0.8、0.6三个比级进行。灌浆泵为扬程YC系列双液注浆泵。注浆时，一般采用先低压、中流量注入，注浆过程压力逐渐升高，注浆流量逐渐减少；当压力升至终压时，继续压注5min，再结束注浆。注浆结束后，利用止浆塞保持孔内压力，直至浆液完全凝固。浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求，不得随意变更。
5结语
超前管棚支护技术具有足够的可靠性，对于各类特殊以及困难地段具有较好的适用性，能够对围岩变形进行阻止和变形，并能够提前对早期围岩压力进行承受。在实际工程应用中，要结合实际情况合理的设计管棚，并采取合理的施工方案，做好施工工艺控制，进而确保超前支护效果。
参考文献
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作者:董三明 单位:中国水利水电第四工程局有限公司