地下结构工程浅埋暗挖的超前支护-管棚法施工

1.管棚法施工工法概述

当隧道位于松软地层中，或遇到坍方，需要从坍方体中穿过，或浅埋隧道要求限制地表沉陷量，或在很差的地质条件下进洞时，均可采用管棚进行预支护。

管棚施工法或称伞拱法，是地下结构工程浅埋暗挖时的超前支护结构。其实质是在拟开挖的地下隧道或结构工程的衬砌拱圈隐埋弧线上，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起临时超前支护作用，防止土层坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续支护工艺安全运作。由于管径较粗，故管棚的承载能力比超前锚杆（或小钢管）要大。在所有的预支护措施中，它是支护能力最强大的，但其施工技术也较复杂，造价较高。管棚应与钢拱架（格栅钢拱架或型钢拱架）一起使用，如图20.22 所示。

图20.22　管棚设置

2.管棚施工工艺

（1）洞口管棚先施作套拱，洞内应开挖管棚工作室，工作室应比设计断面大30～50 cm。

（2）施工导拱，安装导管（见图 20.23），沿隧道开挖工作面的拱部，呈扇形向地层中钻一排孔眼，导管直径比钢管管径大20～30 mm。

（3）施钻工作平台，工作平台必须能承受钻机的活载能力，因此必须牢固可靠，在洞口段施工，最好设在地面上。

（4）钻机就位，施钻到设计位置（先施作有孔钢管，后施作无孔钢管）。钻孔外插角约为 1°～2°。孔眼间距为30～50 cm。钻眼需要用到大型水平钻（如土星-880 型液压钻机）。管棚钻机钻孔如图20.24 所示。

（5）将钢管捅入钻孔内形成管棚（见图20.25），钢管采用外径为 70～180 mm 的热轧无缝钢管，单根长 4～6 m，前后两排管棚应有不小于 3.0 m 的搭接长度，管棚搭接如图 20.26所示。

图20.23　在导拱上安装导管

图20.24　管棚钻机钻孔

图20.25　把钢管插入钻孔形成管棚

图20.26　管棚搭接

（6）钢管注浆。为了达到注浆效果，在管壁上需留注浆孔，孔径为 10～16 mm，孔眼间距为 100～200 mm。呈梅花形布置。钢管构造如图 20.27 所示。注浆有两种方式：一种是通过管壁上的注浆管向地层内注浆，这既加固了地层又增加了钢管刚度；另一种主要是为了增加钢管刚度，向钢管内注入混凝土，因管径较粗，为增加刚度还可以在管内置入钢筋笼，再注入混凝土。

图20.27　钢管构造

（7）施作导拱下部墙，先做一边，再做另一边，防止拱下沉。

（8）洞内开挖，洞内开挖一般采用半断面进行，即先挖上部，在做完锚杆胶喷射混凝土后，再做下部。如是液压台车施工，可做全断面开挖，开挖进尺不大于 1.5 m，一般为 1 m。挖完一次，做一次的锚杆喷射混凝土或安装钢支架，以此循环进行直至做完全部管棚段。其详细工艺流程如图20.28 所示。

图20.28　管棚施工详细工艺流程

管棚钻孔、安设施工注意事项如下：

① 当钻进地层易于成孔时，一般采用先钻孔、后铺管的方法（引孔顶入法），即钻孔完成经检查合格后，将管棚连续接长，由钻机旋转顶进将其装入孔内。

② 当地质状况复杂，遇有砂卵石、岩堆、漂石或破碎带不易成孔时，可采用跟管钻进工艺。即将套管及钻杆同时钻入，成孔后取出内钻杆。

③ 每循环进行管棚施工前，应开挖管棚工作室，工作室的大小根据钻机的要求确定。管棚施工前，在长管棚设计位置安放至少三榀用工字钢组拼的管棚导向拱架，导向拱架内设置孔口管作为长管棚的导向管，要求在钻机作业过程中导向拱架不变形、不移位。

④ 洞口管棚一般采用套拱定位，套拱部位的开挖应视现场地质条件搜配套设备确定，要做到套拱底脚坚实、孔口管位置准确。

⑤ 管棚节间用丝扣连接。管棚单序孔第一节长6（9）m，双序孔第一节长3（4.5）m，其余管节长度均为6（9）m。(www.xing528.com)

⑥ 管棚安装后，管口用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间的空隙，连接压浆管及三通接头。

⑦管棚注浆前，应向开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射 10 cm 的C25 混凝土，以防钢管注浆时岩面缝隙跑浆。

管棚钻机应具备可钻深孔的大转矩，又要有能破碎地层中坚硬孤石的高冲击力，应能准确定位，可多方位钻孔，深孔钻进精确度高。管棚钻机最好轻便、移动灵活方便。

3.管棚的作用与工作原理

（1）管棚的作用。

管棚工程在隧道开挖前的预支护中的作用主要有以下两方面：

① 提高围岩土体强度，提高开挖线拱部土体承载力，加固隧道围岩，确保隧道施工安全。在隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段时，管棚的这种作用比较明显。

② 控制地表沉降。在隧道穿越既有线、下穿既有建筑物、构筑物等时，管棚的作用主要就是控制地表沉降，防止既有线路、建筑物、构筑物因隧道开挖而遭到破坏，确保既有线路、建筑物和构筑物的安全及隧道开挖的顺利进行。

（2）管棚工作的原理。

管棚工作的原理主要有以下两方面：

① 利用简支梁作用的原理；由于管棚的直径大、刚度大，同时又是较密排布置的，当钢管两端支撑梁的刚度达到足够大之后，开挖引起的变形量非常小，这时候管棚就相当于一道简支梁，阻隔隧道开挖时释放应力对围岩的作用。

② 利用水泥浆液的流动性和围岩的裂缝或孔隙，使注入的水泥浆液能与土体进行黏合而形成一种类似混凝土的固结体，从而起到加固围岩土体的功能。对于含水较小的地层还能起到一定的止水效果。

4.施工准备

（1）施工前必须根据施工图标示的工程及水文地质资料进行研究。

（2）根据工程进展情况，提前加工好大管棚。

（3）根据现场的地质条件进行试验确定注浆液的各种参数，来指导现场施工。

（4）检查机具设备和风、水、电等管线路，并试运转，确保各项作业正常进行。

5.管棚工法的优点

管棚工法与前期超前预支护工法相比，具有明显的优点，主要表现在以下几方面：

（1）管棚工法所采用的钢管具有较高的刚性强度，而且管径相对较大，能够承载较大上部负荷。

（2）管棚支护需要与型钢拱架配合使用，钢管作为纵向支护，型钢拱架作为横向支护，同时作为管棚末端的支撑。管棚注浆后，其与围岩共同组成刚度和承载力较大的承载拱，随着掘进的推进，它将支承岩巷上面的破碎围岩。

（3）管棚采用充填挤压注浆，稠度较大的浆液通过管壁孔注入周围岩体，对其充填挤压，改善管棚附近围岩的整体性，并起阻水帷幕的作用。

（4）管棚工法打设的钢管长度较大。目前施作管棚长度可以达到 100 m 以上，这样可以大大地减少预支护循环次数，加快施工进度。

（5）管棚工法能够通过专用导向仪精确控制管棚钢管铺设的轨迹线，确保管棚钢管按设计要求铺设，有利于控制隧道施工时的开挖量，减少施工成本。

（6）最新技术可以在软弱地层中高精度一次性打设数百米的管棚。

（7）管棚工法因为采用大功率的水平定向钻机，施工效率比较高，大幅度地减少隧道开挖过程中辅助时间，提高施工效率。

（8）管棚与初期支护配合可发挥更强大的支护作用。

（9）管棚可作为独立的加固围岩方法，用作永久支护结构。

应当指出，管棚钢管注入砂浆后将会形成类似钢管混凝土的“钢管砂浆”，从而大大提高砂浆的抗压强度，所以没有必要再于钢管中放入钢筋笼。

管棚支护的刚度大，能阻止和限制围岩变形，提前承受早期围岩压力，它的承载力和加固范围比超前小导管预注浆大。管棚支护，可以防止围岩松弛，减少拱顶下沉和地表沉降，提高掘进工作面的稳定性，有效降低塌方的危险，但管棚支护的施工技术复杂，精度要求高，造价高，施工速度慢。因此，只有在必需时才采用管棚超前支护。