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1、隧道管棚超前支护,地下工程超前支护方法,超前支护技术是指在隧道开挖之前，通过向掌子面前方地层里注浆、冷冻、打入钢管、钢板、锚杆等技术措施在隧道横断面上形成一个拱形连续体，使其加固开挖面前方地层，同时利用其支撑力保持前方土体的稳定，减少地表沉降量的技术总称。研究表明，围岩注浆加固可提高其强度和变形模量，从根本上改善围岩的变形规律，前苏联的资料表明，砂岩在注浆后的强度可增加50%-70%，粉砂岩和泥质岩增加2-4倍，而岩石强度的增大可使支护荷载减少2/3-4/5。,实践表明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道。研究表明地面的整个沉降量的30%-40%和地下地
2、层的整个沉降量的40%-50%是在一般的支护开始发生作用之前发生的，超前支护对地面沉降有30-35%的抑制效果，对隧道顶上地层(拱顶)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地层对抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支护技术作为加固地层、稳定拱顶及掌子面、减少地表沉降的辅助施工工法，己经在地下工程施工中得到了广泛地应用。,隧道超前支护法一览,根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响，可将超前支护分为地层改良法和预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法，这种方法包括注浆、土壤加固、排水和地层冻结等；预支护法就是在隧道开挖前，先超前对围岩进行加固，以增加围岩的自稳能力，
3、并使开挖面周围应力干扰达到最小的方法。超前支护方法主要包括：管棚法，预衬砌法，水平旋喷注浆法，超前小导管法，超前锚杆法、冻结法等等。其中管棚法、水平旋喷注浆法、小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层。,管棚支护的主要作用和优点,（1）梁拱效应：先行施设的管棚，以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。（2）加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的。（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
4、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。（4）确保施工安全：管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。,管棚注浆支护,把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚注浆是一种长距离超前支护方法，超前距离长，刚度较大，适用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高。如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合，
5、除具有大管棚的特点外，能够防止管棚下方三角土体的塌落，这种长短结合的预支护效果更为理想。,管棚支护适用范围,根据国内外的施工实践，综合我国目前地下工程管棚支护应用的实际案例，管棚支护可适用于：软弱砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但
6、不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。,管棚支护的设计,管棚支护的设计参数主要包括：钢管直径、长度、间距、仰角、水平搭接长度、钢架间距、注浆参数等，当需要增大钢管的强度和刚度时，可在管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充。我国的相关规范规定：管棚用钢管直径宜为70-127mm；钢管中心间距宜为管径的2-3倍；管棚长度应根据地层情况选用，不宜小于10m；纵向两组管棚的搭接长度应大于3m。管棚支护参数可按工程类比法确定，并在施工中根据实际情况调整。,管径的选择,大部分工程的钢管直径在中50-180mm之间，习惯将管棚支护按管径分类为小管棚和大管
7、棚，小管棚管径一般在30-50mm，大管棚管径介于89-159mm，工程中多用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，对于支护条件要求较高的松软地层，应选取127mm钢管，土体凝聚力较高的粘性土，可选取89mm钢管，一般土层在多数情况下选取108mm钢管。,管棚钢管环向间距的确定,常规的沿隧道开挖轮廓线等间距设置管棚的方法是不科学的，应针对不同情况合理设计。钢拱架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。根据对工程实例的地质条件、工程断面尺寸、埋深等影响因素的总结和对比分析，得
8、出以下经验结论，可用于地下工程支护的施工依据：,管棚钢管直径范围一般为70-180mm，我们可将管棚支护按管径分类为小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管径一般在3250mm范围内，多采用管径为42mm的钢管，管长以3.5-5m为宜，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-1.5m。中管棚管径一般在50-89mm范围内，管长一般不超过20m，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-2m。大管棚一般可选用89-159mm的钢管，常用管径108mm，管长以不超过40m为宜，钢管一般分节长4m或6m，以丝扣连接，丝扣长不小于150mm，环向间距一般不大于3-5倍管径为宜。,外插角的合理确定
9、,角度过小，将可能导致管棚远端下垂至隧道开挖幅员内影响后期施工；相反，角度过大，管棚离开挖幅员距离过大，管棚下方的三角土体坍塌给洞身开挖支护带来很大困难，还应根据管棚钻机工作室空间大小，以及钻杆长度等情况综合考虑确定。小管棚外插角常取5-15，中管棚常取2-8，长管棚多取1-3。钢拱架支撑一般用工字钢，或工字钢与格栅钢架间隔使用，间距一般不大于1米，特殊情况下需加密。,管棚布置形式,管棚布置形式,管棚布置形式,管棚布置形式,门型布置,全周布置与上部一侧布置,管棚布置形式,管棚施工工艺流程,钻孔流程,注浆流程,成孔方法,常用的施工方法有夯管法、顶管法、钻孔等。但钻孔法是目前最常用的成孔方法。随着
10、钻探设备的专业化分工越来越细，管棚专用钻机也应运而生。但管棚钻进为近水平钻进，性质上与勘探钻孔有所不同，对钻孔方向(空间位置)的精度要求很高，终孔测量一旦发现孔斜或超出设计允许偏差，会造成严重的后果。,管棚钻孔轨迹控制方法,管棚钢管钻孔一旦出现孔斜或超出设计允许偏差，会妨碍邻近钢管的钻设，造成洞体形状参差不齐，支护效果不好等结果；若钢管下沉到一定程度，开挖时还需要切除，造成间隔增大，易坍塌。为此，钻进时可采取中压给进、中等转速、中等循环液量钻进；钻孔平面误差径向应控制在20cm内，角度误差小于1以免因孔径过大而造成管棚钢管偏斜和向下弯曲。在实际施工中水平钻孔弯曲一般较难避免，因此除提高管棚定位
11、精度外，可再给以适当的上抬量(根据现场地质情况定)，以补偿部分钻孔下垂量。,钢管的安装,管棚钢管在跟进过程中要派专人进行套接加长，管棚相接时，保证管棚中线在同一轴线上，顺丝拧紧，不应出现扭曲现象，并确保连接头与管棚钢管丝扣紧密结合，不出现不同轴、偏心现象。考虑到钢管受力、结构整体及施工方便等因素，同一断面内的钢管接头数一般不大于50%，且相邻钢管的接头位置至少错开1m，常用的作法是将钢管按奇、偶编号，可确保钢管接头错开，钢管接头采用丝扣连接。钢管的分节长度一般为4m到6m，管壁加工梅花状透浆孔，管棚安装可采用人工或机械下管的方式。,钢管的安装,注 浆,管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果
12、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，在城市浅埋地段对地面建筑物造成影响。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,在设计给出浆液种类、预期注浆效果等条件下，为保证施工质量，在实际注浆施工前宜进行现场原位注入试验，确定最优注浆参数等来指导注浆，以保证注浆效果。为防止出现塌孔或注浆窜孔，可在钻孔时隔孔位钻孔，加大孔与孔之间的距离，待注浆完成凝固后再钻相连孔位，这样可有效保证钻孔和注浆质量
13、，管棚和注浆混凝土形成厚拱，实现管棚纵向成梁、横向成拱的承载作用。,注 浆,为减少相邻管孔注浆间的相互影响，注浆顺序通常采用由下往上，左右对称进行；但由于塌体内有许多块石相互支架，致使塌体内空洞大而多，这些空洞有的直接与塌空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固带无法形成，为此，根据经验采用间歇注浆法，即当长时间注浆压力上不来时，说明浆液顺空隙泄流至塌空区，这时将浆液凝结时间调整至30-50秒，注浆1-5分钟，停40秒，待原注入浆液初凝变稠后再注，如此反复，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。,管棚超
14、前支护技术发展趋势,在目前的超前支护方法中,主要有超前锚杆、超前小导管注浆和超前管棚。超前锚杆和超前小导管注浆具有施工便捷、技术易掌握、机械化配套程度要求不高等优点,但支护长度小(仅3 5 m),锚杆或小导管伸入工作面前端滑动线内距离短,开挖循环进尺受限制,一般在浅埋松散地层中循环进尺多控制在15 17 m,循环次数增加,工序交换频繁,特别是在自稳能力极差的围岩中,锚杆和导管前端仍在滑移面内,起不到超前支撑保护的作用,极易造成工作面失稳,存在较大的安全隐患。因此，长管棚的应用越来越普遍。,长管棚超前支护施工技术的支护作用机理在于,主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果,一方面进行钻孔、下设钢管,
15、当钢管穿过松散软弱围岩、岩石(土)等破坏区后,伸入到原状土部位时,有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定,起到骨架、格栅作用;另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出,并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散、软弱的地层中,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。,意大利产管棚钻机,DDL-300型钻机,七坡隧道管棚,1、管棚设计1.1管棚施工设计参数(1)钢管规格：采用108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管，节长分别为3 m、6m。钢管前段呈尖锥状。(2)管距：环向间距中至中为40cm。(3)外插角：与水平线角度为1（不包括路线纵坡）。(
16、4)钢花管：钢管上钻注浆孔，孔径8mm，孔间距75cm，呈梅花型布置。钢花管尾部（孔口段）1.5m不钻花孔作为止浆段。(5)导向管：采用127mm，长2m的热轧无缝钢管，并模筑60cm厚的C25混凝土来固定导向管。(6)数量：37孔。,1.2管棚设计注浆(1)灌注浆液：采用水泥浆注浆。(2)注浆参数：水泥浆水灰比：1：1；(3)注浆压力：初始压力0.51.0Mpa，终止压力2.0Mpa。注浆前应进行现场注浆试验，根据现场实际情况调整注浆参数,2、施工工序及工艺2.1套拱制作及导向管安装为确保超前大管棚施工的准确性和有效性，进行超前大管棚施工前，必须进行导向管施工，C25级混凝土套拱施工，导向管
17、直接焊接在拱架上方。隧道导向管安装里程为ZK35+568-ZK35+570，ZK38+280-ZK38+282，K35+587-K35+589，K38+260-K38+262。,套拱施工工艺如下：(1)测量放线，确定施工里程及钢拱架加工尺寸。(2)套拱钢拱架：现场架立3榀I18钢拱架，间距为75cm，钢拱架距套拱边缘距离为25cm，导向管布置于支撑钢拱架上方，钢拱架之间采用22钢筋进行连接固定。连接筋环向间距为100cm。(3)安装固定导向管；导向管采用127mm的无缝钢管进行加工制作。其安设的平面位置、外插角的准确度直接影响管棚的质量。现场施作由测量人员利用全站仪在钢架上测量定出其平面位置，
18、设定导向管的倾角、外插角，然后将导向管按要求与附近钢拱架焊接，同时在导向管内外两侧用2根20钢筋环向焊接成一整体，防止混凝土施工过程中产生位移。此外，导向管靠近掌子面端头必须密贴掌子面。(4)导向管两端采用尼龙编制袋进行封堵，便于随后的混凝土施工。(5)现场采用C25混凝土进行浇筑,待混凝土强度达到设计强度80后，方可进行管棚钻孔作业。,2.2搭建钻机平台 以洞口预留核心土作为钻机平台，局部用15cm15cm400cm的方木辅助搭建，由下向上，由两边至中间，根据孔位依次搭好，要求钻机平台搭建牢固，以利于安装固定钻机，防止钻机不均匀下沉、摆动、倾斜而影响钻孔质量，钻机距工作面不小于2 m。2.3
19、钻机就位钻机运至洞口，将钻机安放固定在平台上，连接管路，接通电源。,2.4成孔(1)根据套拱中预埋的钢套管作为导向管进行钻孔。掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。(2)钻孔前先检查钻机机械状况是否正常；钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进，当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进。(3)钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹砂层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。(4)开孔时钻速要慢，压力要小，根据地层及钻进情况随时调整钻压及钻速以保证成孔精度。钻进中，如遇异常，应立即停钻，
20、查明原因。,(5)施钻时，钻机大臂必须顶紧在掌子面上，以防止过大颤动，提高施钻精度。(6)钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（注意不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。(7)施工技术人员认真作好钻进过程的各种原始记录及相关影像资料的收集，包括钻进时间、钻进过程中发生的各种现象、钻孔孔口岩屑等，以便于进行工程地质判断、描述，作为后期洞身开挖的地质预探预报和指导洞身开挖的依据。,2.5安装钢管(1
21、)钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。(2)钻孔完成后用高压水清孔并进行钢管顶进作业，每孔内的第一根钢管前端做成锥状，以防管头堵塞、顶弯或劈裂；管棚管节加工成3m、6m每节，下管时注意相邻孔内的管接头前后错开，避免接头在同一断面受力；管节间采用丝扣连接。(3)推进钢管时推进压力控制在4.06.0Mpa，低速推进。(4)及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀，并检查焊接强度和密实度。(5)钢管尾端外留1.0米，与洞口管棚封端构成一体。,2.6注浆方法(1)注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，据以施工。(2)注浆过程中随时检查孔口、
22、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。(3)注浆压力达到1.52.0Mpa，并持压5min以上，可停止注浆，并及时封堵注浆口。(4)注浆过程应派专人负责，填写注浆记录表，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。(5)注浆完毕用铁锤敲击钢管，如响亮清脆，说明浆液未填充满，需采取补注或重注；如响声低哑，则说明浆液已填充满钢管。,3、技术要求(1)严格执行工程监理制度，
23、作业人员自检，质检工程师复检，合格后及时通知监理工程师检查签认。(2)钻孔前必须精确测定孔的平面位置、仰角、外插角，并对每个孔进行编号，方便质量控制。(3)经常量测钻孔的斜度，发现施工误差超限应及时纠正或调整，确保钻孔满足设计及规范要求。,4、质量标准隧道长管棚质量标准严格按照公路工程质量检验评定标准JTG F80/1-2004及公路隧道施工技术规范JTG F60/2009中规定的标准执行：1、钢管的型号、质量和规格等应符合设计和规范要求；2、钢管插入孔内的长度不得短于设计长度的95%；3、长度30000mm；4、孔位允许偏差：50mm；5、钻孔深度允许偏差：50mm；5、孔径符合设计及规范要求；6、角度（度）允许偏差：1。,
