浅谈隧道超前支护施工技术
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摘要：经过近几年来的不断发展和实践，隧道超前支护作为一项保证隧道开挖安全、保护地面建筑以及控制地表沉降等的技术越来越受到重视，其应用也越来越广泛。随着隧道超前支护施工的不断发展，新工艺、新技术也不断涌现，极大的提高了隧道工程的施工安全和施工效率。而管棚支护作为超前支护的主要形式，近些年来在隧道开挖支护中发挥了重大作用。本文首先对隧道超前支护进行了概述，列举了管棚支护的优点，然后探讨了管棚的设计要点，最后重点探讨了管棚的施工技术要点。
关键词：隧道；超前支护；管棚；参数；注浆
Abstract: after years of development and practice of tunnel advance support as a to assure the safety of tunnel excavation and protection of buildings and ground surface subsidence control technology is more and more attention, and its application is becoming more and more widely. With the continuous development of the tunnel support construction in advance, the new craft, new technology constantly emerging, also greatly improve the efficiency of the tunnel construction safety and construction. The pipe roof support as the main form of advance support, in recent years played a major role in the tunnel excavation supporting. This article first to the tunnel advance support were summarized and listed the advantages of pipe roof support, and then discusses the design of pipe roof, finally probes into the pipe roof construction technology key points.
Key words: tunnel; Support in advance; Pipe roof; Parameters; grouting
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
隧道超前支护概述
隧道超前支护又名管棚支护工法，管棚工法是隧道开挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制围岩变形的一种预支护手段。其主要原理是在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外的设定部位水平铺设钢管，并可以通过钢管向围岩注浆，对管棚周围的围岩进行加固，使管棚成为隧道后续开挖的防护伞（棚），达到安全施工的目的。
管棚工法最早是作为山岭隧道施工的一种辅助方法，当隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段时，管棚及其超前注浆对隧道的稳定起到了保护作用。管棚作为隧道顶部和边墙的超前预支护，可以有效防止掌子面的坍塌及地层过量变位，为隧道开挖提供安全保障。同时管棚施工快、安全性高，被认为是隧道施工中预防事故的最有效、最合理的辅助措施之一。管棚支护工法有如下优点：
管棚工法所采用的钢管具有较高的钢性强度，而且管径相对较大，能够承载较大上部负荷。
管棚工法的注浆可以使浆液在管棚钢管周围沿着土体缝隙进行扩散，不仅能起来加固土体的作用，而且还能起到一定的止水效果。
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100m以上，这样可以大大地减少预支护循环次数，加快施工进度。
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。
最新技术可以在软弱地层中高精度一次性打设数百米设数百米设数百米设数百米的管棚。
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。
管棚的设计
（一）管棚套拱工字钢支撑施工
根据开挖断面、位置和高度，按设计加工工字钢弧段，用弯曲冷加工工字钢。其形状尺寸要符合设计要求，且拱的轴线应在同一平面内，不得扭曲。并在两端焊接钢板，使焊接缝饱满，不得有沙眼或漏焊处，钢拱架安装前应在清除油污、铁锈和泥土等。拱架脚应安设于坚实的基岩上，基岩松渣要清除干净，防止滑移和不均匀沉降。基岩必须具有足够的支撑力，否则要采取增加接触面积或处理基地等措施。确保上下两层工字钢之间的焊接，可以在上层基底上铺10cm～20cm的砂，以便下层工字钢与之焊接。为使焊接接头连接牢固，可采用螺栓连接和拼接板骑连接并举的方法。钢拱架基底标高，按线路纵坡布置，钢拱架之间应用纵向拉杆联系，拱顶与拱脚处必须设置纵向拉杆，其余部位可间隔1m左右增设，在钢拱支撑较少地段，洞口附近或可能产生偏压地段，还应加设纵向斜撑杆，并与定位或系统锚杆焊连。拱架与岩层面应填充密实，确保拱脚的稳定及表面的平整，且保护层不小于2cm。
（二）管棚设计参数
管棚设计宜根据地质情况及施工条件参照下列要求进行：
1、管棚棚管采用热轧无缝钢管，钢管导向端做成尖形，承压端焊上钢箍，管口预留止浆段，注浆孔沿孔壁呈梅花形布置。
2、两根相邻管棚接缝应在垂直面上错开一定距离，全部管棚的接缝应交错布置。
3、钢管直径选用80～180mm，钢管中心间距为30～50cm。
4、钢管长度一般为10～45m，当采用分段连接时采用4～6m，钢管采用丝扣连接方式，丝扣长度≮15cm。
5、钢管沿隧道开挖轮廓线纵向近水平外插设置,外插角为1～5度。
6、钢管施工径向误差≯20cm，沿相邻钢管方向≯5cm。
7、纵向管棚水平搭接长度≮115m。
（三）注浆参数
1、注浆多采用水灰比1∶1单液水泥浆，在早期强度要求较高时可采用双液浆。
2、注浆压力:0.2～2MPa。
3、止浆墙根据围岩条件确定，可采用10～20cm厚喷混凝土或20～50cm厚混凝土封闭
4、注浆前先进行注浆现场试验，根据实际情况确定合理注浆参数。
三、管棚施工技术要点
施工工艺流程图如下：
管棚施工工艺流程图
（一）施工前的准备工作
1、为保证管棚旋工质量，必须做好孔口定位，在进行正式钻孔前，可选两个以上钻孔先行试钻，摸索经验，找出弯曲规律，而后进行正式钻进，特别是在复杂地层中，这项工作必不可少。
2、在进行高压注浆之前，一定要将各孔口封堵完好，以免造成浆液外漏，影响注浆效果和管棚施工质量。
3、钢管之间的连接要保证质量，以免在开挖过程中钢管脱节，引起坍方。
4、为保证安全和管棚功效，在开挖之前，有必要对全断面施作一帽缘工程，起到支撑管棚和固定钢管的作用。
5、输排地表水，即在洞口仰坡稳定地层增设环形节水沟一道，拦截地表水，建立支状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围，以防积水下渗。
6、引排地下水，即为引排洞口段地下水，在适当位置钻设几个降水井，以降低洞口周围地下水位。
（二）施工工艺
1、钻孔
钻孔钻孔施工中应注意如下事项：
（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，则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，特别是当钻头遇到夹泥夹沙层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象；
（4）为避免钻杆太长，钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度控制在３°～５°之间，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。
2、安设管棚
安设管棚管棚安设的注意事项如下：
（1）钻孔完成后须及时安设管棚钢管，避免出现塌孔；
（2）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长１５ｃｍ；
（3）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。
3、注浆施工
（1）注浆准备
管棚安装完成后，旋上孔口阀，连接注浆管路。利用注浆泵先压水检查管路是否漏水，设备状态是否正常，而后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充塞的密实性，核实岩石的渗透性。
（2）浆液配制
在注浆前由试验确定浆液配比、注浆压力等注浆参数。浆液配比选择要考虑岩石裂隙情况及浆液扩散半径，现场通过试验确定。配制浆液时，要注意加料顺序和速度，防止浆液结块。
（3）注浆施工
清孔后，按由下至上的顺序施工，浆液先稀后浓、注浆量先大后小，如遇串浆或跑浆则隔孔灌压。
（4）结束标准
采用终压和注浆量双控制。以单管设计注浆量为标准，当注浆压力达到设计终压≮20min，进浆量仍达不到设计标准时，也可结束注浆。
（5）效果检查
开挖检查浆液渗透及固结状况，根据压力浆量曲线分析判断，没达到设计要求时，应进行补孔注浆。
（三）监控量测
在隧道的管棚施工中监控量测是十分重要的。在施工单位尤其是复线隧道施工中关于设计的监控量测必须是经过深思熟虑的。量测计划应该根据围岩条件、类型、支护方法参数、施工技术、量测项目拟定。量测项目包括变形、位移、围岩的受力状态，在这个基础上调整支护参数和施工工序、控制每个工序的时间，甚至变更设计和日常的施工管理。通过这些修正，支撑结构比以前更有效。此外，根据收敛值、地表下沉量和围岩压力量测数据，由监控量测专门小组提出分析结果，采取有效措施，以确保进度和施工安全。
地表下沉及洞室周边位移观测采用工具为：XY5―2l型隧道位移计、DSZ2精密水平仪、钢尺。
喷混凝土内力、钢支撑内力量测采用工具为：PZX-1型振弦频率检测仪、XYF压力盒、XJG一2型钢筋计。
量测间隔时间：1～1 5天，1―2次／天；1 6天～1个月，1次／2天；1～3个月，1～2次／周：大于3个月，1～3次／月。
结语
综上，超前管棚支护技术通过注浆将松散的堆积体固结起来，利用管棚支护围岩，注浆体和管棚连成一个整体而受力，有效地阻止了松散体坍塌，为隧道洞身安全和顺利施工创造了条件，是新奥法与其他辅助施工方法的完美结合。施工时，要根据管棚的设计要求和现场的施工条件以及实现经济效益最大化选择合适的施工工艺，要做到既能按时完成任务，又能保证管棚的质量，从而确保隧道超前支护工程的质量。
参考文献
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