管棚法超前支護技術在施工中的應用

趙杰斐 趙亞彬

（漢中市水利水電建筑勘測設計院 陜西漢中 723000）

1 管棚法超前支護技術簡介

管棚法超前支護也叫管棚法或傘拱法，管棚是為防止在隧洞開挖時引起地表下沉或圍巖松動，在開挖掘進前沿開挖工作面的上半斷面周邊按設計打入厚壁鋼管，在地層中構筑的臨時承載棚防護下，為安全開挖預先提供增強地層承載力的臨時支護方法。

2 工程實例

2.1 總體施工方案

兩河村水電站輸水隧洞采用城門洞形斷面，為無壓隧洞。隧洞斷面設計凈尺寸為3m（寬）×4.3m（高）。根據(jù)前期地質勘察結果，隧洞圍巖巖性為泥盆系中統(tǒng)微風化～新鮮的大理巖夾千枚巖，片理產狀變化較大，走向與洞線夾角總體較小，對圍巖穩(wěn)定有一定不利影響，但片理傾角較陡，片理面結構較緊密，裂隙多閉合，總體圍巖基本穩(wěn)定，圍巖類別為Ⅱ類，圍巖堅固系數(shù)（f）為6～8。洞身段地下水位較高，一般均高于設計隧洞，但由于隧洞埋藏較深，裂隙不發(fā)育，或裂隙多閉合，巖體透水性較差，不會發(fā)生大規(guī)模滲水現(xiàn)象。局部遇裂隙密集帶或斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定性差，屬于Ⅲ～Ⅳ類（局部穩(wěn)定性差～不穩(wěn)定）圍巖，且會出現(xiàn)較大滲水，需采取相應的工程處理措施。在施工過程中，針對圍巖破碎，裂隙較多，不易成洞的不良地質段，結合類似工程施工經(jīng)驗，采用管棚法施工，管棚支護完成后再進行洞室開挖，排險出渣后及時采用I18工字鋼拱架進行支護，并掛鋼筋網(wǎng)片，噴射C20細石混凝土。為保證隧洞幾何尺寸，開挖斷面尺寸為3.8m（寬）×4.6m（高）。為確保隧洞開挖安全作業(yè)，設計管棚每節(jié)長3m，每榀鋼拱架拱圈處環(huán)向間距30cm布置15根φ50mm無縫鋼管；鋼拱架間距80cm并掛20cm×20cm的φ10mm鋼筋網(wǎng)片，每兩榀拱架之間環(huán)向間距80cm布置15根φ25鋼筋作為連接筋，完成后噴射20cm厚C20細石混凝土。

2.2 管棚施工方法

2.2.1 洞身管棚施工

施工時，在每榀鋼拱架拱角以上范圍采用φ50無縫鋼管（壁厚3mm）超前管棚支護輔助施工，環(huán)向共設15根，每跟鋼管長度3m，環(huán)向間距0.3m，外插角2～3°。套拱在隧洞開挖輪廓線以外施作。

（1）管棚施工工藝流程

圖1

（2）施工工藝

①測量放樣

根據(jù)隧洞進口布設的三角導線網(wǎng)，用全站儀采用坐標放樣進行管棚起始中心點放樣。并在垂直于軸線兩側邊線上各放樣兩個邊線控制樁，以便隨時校核軸線點并檢查方向的正確性，然后在起始端安裝兩榀I18工字鋼以作定位，測設拱頂部位每根導管中心線方向，并用記號筆標記于鋼拱架上，作為導向控制。

②工字鋼安裝

為保證管棚結構剛度，布設兩榀I18工字鋼，間距80cm。工字鋼拱圈半徑為1.678m（內徑）。每榀鋼架共分為三個單元，必須保證鋼架中每節(jié)的尺寸與弧度都滿足設計要求，工字鋼的各單元需通過連接板進行焊接，并使用螺栓連接牢靠，連接板必須緊密貼合，每節(jié)鋼架的兩端需焊連接板進行加固，鋼架加工好后，需要進行試拼并檢查，每榀鋼架各端總共需要8套螺栓和螺母。鋼架的下端需安放在穩(wěn)固的地層上，拱腳高度需低于上部設計開挖底線以下15～20cm。安裝鋼架時必須嚴格按照設計的中線和水平位置進行架設，安裝尺寸允許偏差范圍：橫向為0～+5cm，垂直度±2°噴護混凝土厚度為20cm，噴護混凝土時鋼架必須全部被混凝土覆蓋，鋼架保護層厚度不應小于20mm。每榀鋼拱架兩側立桿增設長3m的φ25mm鎖腳錨桿8根；并在環(huán)形斷面布設20cm×20cm的φ10mm鋼筋網(wǎng)片，與鋼拱架焊接牢固，為保證網(wǎng)片的強度，焊接網(wǎng)片時每相鄰兩榀拱架環(huán)向間隔80cm焊接一道φ25mm的連接鋼筋，即每相鄰兩榀拱架焊接φ25mm連接鋼筋15根。拱腳開挖超深時，加設鋼板或混凝土墊塊。

③管棚的加工

a.成孔后要立即消孔并下管，以免因坍孔造成孔內堵塞而無法順利安裝。

b.管棚直徑為φ50mm無縫鋼管，壁厚3mm，單根長度為3.0m。鋼管在同一截面的接頭數(shù)不得超過總管數(shù)的50%。

c.管棚在安裝前用高壓空氣對孔內進行掃孔、清孔，清除孔內浮渣，確?？讖剑讖讲坏眯∮?0mm）、孔深符合要求，防止堵孔。管棚采用頂進法安裝。

④管棚鉆孔

a.鉆孔參數(shù)：

A．鉆孔直徑：50mm。

B．鉆孔平面誤差：不大于10cm。

b.鉆孔時的孔斜測定措施：

A．鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對每個孔進行編號。

B．嚴格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧洞開挖線內，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

C．扶正器扶正鉆具。

D．水準儀根據(jù)高差調整角度。

c.掃孔

用φ30mm巖芯管進行掃孔，目的是清除孔內巖碴和順通孔道。巖芯管長度不小于3m為宜。如遇下管困難，需連續(xù)掃孔幾次，同時借助高壓空氣吹洗，直到孔內清掃干凈。

d.下管：

A.管棚施工參數(shù)

鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管φ50mm，壁厚3mm，節(jié)長3m。

管距：環(huán)向間距30cm

外插角：2～3°（不包括線路縱坡）沿拱架頂拱環(huán)向布設。

B.下管

當孔壁不易坍塌時，采用直接撞擊法將導管撞擊至設計位置，當孔壁容易坍塌時，用導管與鉆頭同時鉆進的方法。如鋼管頂進遇到故障，頂不進時，查清原因，必要時重新掃孔后再將鋼管頂進。鉆進過程中地質情況判斷：根據(jù)鉆孔的速度，巖土取芯，視鉆壓力等情況判斷此段地質情況，并及時作好施工記錄，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制地質剖面圖和展開圖，為開挖施工提供參考依據(jù)。

2.2.2 洞身支護施工

經(jīng)超前管棚加固并開挖完成后，及時進行初期支護，支護方式采用工字鋼拱架掛鋼筋網(wǎng)噴射C20細石混凝土的支護方式施工。

2.3 洞室開挖

2.3.1 施工控制要點

開挖采用短進尺、少藥量、多布孔、強支護的施工原則。視巖石情況分2～3次進行爆破作業(yè)，每次進尺控制在1m左右。

采取全斷面開挖的方法。在開挖時，控制開挖進尺1m左右，然后施工拱部范圍的管棚。拱部的管棚在施工鉆孔時，需要對鉆孔的方向進行精確的控制，拱頂范圍內的鋼管均以隧洞的中心線為基礎上仰2°，采用全站儀確定中線，配合以水準儀垂球吊線的方法測定仰角，準確的進行定位，直到結束。

根據(jù)實際的地質條件以及施工條件，一個工作面可以使用兩臺鉆機進行作業(yè)，施工的順序從拱頂開始，兩側對稱進行施工，鉆孔時鉆機距工作面距離一般情況下不少于2m，同時鉆孔以風動潛水沖擊鉆進法為主。

開鉆時，先采用低速和低壓，等待成孔后，再進行加速和加壓。鉆進的過程中，必須沿鉆機定的基線進行鉆孔，隨時測定鉆孔方向準確度，根據(jù)地質條件的不同變化，選擇不同類型的鉆頭，當遇到稍軟的巖石時，使用合金管鉆進行鉆進。若遇到比較堅硬的巖石不能鉆進時，使用沖擊鉆頭，擊破巖石。由于巖土對管壁的阻力較大，前段開孔時采用φ42mm鉆頭，容易使鋼管頂進，鉆進過程若遇到特殊的復雜地層，如過不能鉆進或者難以成孔時，可以采用預注漿加固，再鉆進成孔。

2.3.2 施工過程技術措施

（1）在鉆孔過程中用全站儀測定量測鋼管鉆進的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設計要求，及時糾正。

（2）在鉆進過程中注意控制水量不過分沖刷孔壁，應能形成泥漿護壁。

3 結束語

管棚法是近些年來發(fā)展迅速的一種在軟弱巖石中進行隧洞開挖的新技術。管棚法最早是作為隧洞開挖施工時采用的一種輔助方法，在軟巖隧洞施工中穿越軟弱地層，破松散帶、碎帶、涌砂、涌水層發(fā)揮了非常重要的作用。前期預埋超前管棚作為頂板和側壁支撐，為后面的隧洞開挖提供了堅實、牢固的基礎。通過實踐證明，該工法具有不需要大型機具設備、工藝簡單、較安全、施工時間短、見效快等特點，因此在地下工程軟弱圍巖施工中被廣泛采用，被認為是隧洞施工中解決冒頂和局部坍塌的最有效，最合理的施工方法。

[1]周順華，董新平.管棚工法的計算原理及其應用.同濟大學出版社，2007.

[2]石仙龍.管棚法處理隧道特大坍方段的應用技術.中國科技博覽，2011（31）：621.

[3]文妮.采用管棚法處理淺埋隧道坍方段的技術應用.科技創(chuàng)新與應用2016（9）：250.