管棚前探梁预支护在拱形巷道施工中的应用

管棚前探梁预支护在拱形巷道施工中的应用
【摘要】在掘进工作面为了杜绝空顶作业，有效的控制顶板事故的发生，在掘进工作面使用前探梁支护是十分必要的。

本文介绍了管棚前探梁预支护在拱形巷道中的应用，系统的探讨了管棚前探梁预支护技术在实际工程中的施工方法和施工工艺，旨在为同行提供参考。

【关键词】管棚支护；前探梁支护；拱形巷道；施工工艺
1 管棚超前支护技术适用条件
管棚超前预支护技术应用在地下硐室或巷道的开挖，在拟开挖洞口外轮廓，按照设计要求，以一定的间距，沿硐室轴线以设计的倾角进行钻机钻孔，打入钢管，在硐室设计位置形成一排钢管架，然后按设计向钢管内注浆，让钢管形成整体帷幕，使拟开挖硐室在未开挖之前便有了支护结构。

此种支护方法的能够使注浆后的钢管形成的整体支护结构发挥“承载拱”的作用即注浆加固区能够预先形成拱形保护结构，用于承载上覆荷载及围岩的重量，保护拱内安全施工。

另外，管棚施工应用钢拱架配合使用，荷载通过管棚传递给环形钢拱架和前方未开挖岩土体，同时将拱部围岩的形变应力传递给下部钢拱架。

随着工程的进行，钢拱架相互连接，形成整体支护，给掘进施工和开挖硐室初期支护提供了可靠保障。

2 管棚前探梁预支护布置形式
管棚预支护系统能够在环向形成钢管棚架，为开挖及初期支护作业提供安全保障，U型钢拱架沿径向铺设，形成拱结构，进一步稳定上部软弱岩层，保障施工安全，巷道开挖完成后钢管与钢拱架共同组成刚度较大的支护体系——梁结构与拱结构共同作用的支护体系。

钢管内进行压力注浆，将钢管固结为环状支护，这不仅改善了岩土体的质量，提高了围岩的整体强度，增强了开挖的稳定性，并且通过注浆材料的胶结作用，将土层空隙填充压密，增加了岩土体致密性，形成隔水帷幕，能够起到很好的防渗水作用。

图1所示为几种管棚布置形式：1）扇形布置，用于拱部附近地层不稳定的场合；2）半圆形布置，用于起拱线以上地层不稳定的场合；3）门形布置，用于断面内地层及上部地层不稳定的场合；4）全周布置，用于软弱地层等地质状况极差的场合。

3 工程实践
3.1 工程概况
某煤矿南翼-780m胶带机大巷和轨道大巷是连接中央区和南区的主要大巷，施工中两条大巷均要穿过FD108-1～F114-l等断层构成的地质异常区，断层最大组合落差140m、宽670m。

由于地质构造带段岩体异常破碎、松散、含水，掘进时巷道变形量太大，还有“似泥石流”现象，给施工和支护工作造成了极大的困难并存在重大安全隐患。

目前，南翼胶带机大巷尚有86.0m未掘段、南端7.0m跨
冒封闭段共93.0m没有贯通，部分施工段巷道变形严重、返修后仍未稳定，已成为整个建设工程的瓶颈。

施工过程中存在着重大安全隐患，需采取有效措施确保施工安全。

3.2 支护参数设计
（1）管棚桩规格
每根管棚桩由1个108mm管靴、30m或31m长108mm钢管和一个30mm 厚法兰盘组成。

第一个施工段管棚桩设计长度30m，其余施工段管棚桩设计长度31m。

Ф108钢管采用R780地质钢管制作，外径108mm、壁厚8mm、由单节1.5m 管节（不含公丝扣长）组成。

钢管之间通过丝扣连接，连接丝扣为梯形扣，管节一头车母扣，一头车公扣，公、母扣长100mm。

一部分钢管加工成花管，即在一节钢管的0.5m和1.0m处对穿1对直径8mm的孔，两对对穿孔方向互成90°。

每根管棚桩前端20m用花管连接，后端10m用钢管连接，尾端焊接30mm厚法兰盘。

（2）孔口导向管规格，采用D40地质管制作，外径146mm、壁厚6mm、长度2m，—端焊接30mm厚法兰盘。

（3）孔口导向管开孔处间距（管棚桩开孔处间距），环向中到中间距0.25m。

（4）注浆材料，注装材料选择42.5R普通娃酸盐水泥和化学注浆材料固邦特。

（5）钢筋笼规格，为了增大管棚桩的承载能力，在管棚桩内塞入钢筋笼，每节钢筋笼长3.0m。

固定环采用直径40mm、厚4mm的钢管，上面平行焊接3根直径10mm的螺纹钢。

3.3 支护技术施工工艺
（1）孔口导向管固定施工工艺
由测量技术人员放线，精确找出孔口导向管开孔位置，尽量调正导向管接近施工设计所需的方位角和倾角，调整好钻机位置和角度，开孔时发现套管偏斜等情况时应立即调整，以保证跟管精度。

采用直径168mm无芯钻头钻孔1.8m，将导向管下入孔内（留在外的一头带有法兰盘），用外壁注浆方式固管，注入水灰比0.5：1的单液水泥装，当浆液从导向管内壁溢出时结束注浆。

（2）管棚桩施工工艺
管棚桩施工利用YG-80型全液压工程钻机、73×l500mm地质钻杆、QCW80风动潜孔冲击器跟管钻进和QCW80偏心钻头超前扩底钻进技术，使用井下压风作为潜孔锤动力，同时冷却钻头、排除岩屑。

当钻孔钻进到设计深度后，退出中
心钻具，将钢管留在孔内形成管棚桩。

单个管棚桩施工的顺序为：钻孔并同步跟入钢管→清孔→在钢管内安放钢筋笼→注装。

1）作业平台搭设：作业平台采用10#工字钢（100×63×4.5mm），按“井”字型搭设，顺序由下到上，由两边到中间，根据孔位依次搭好，牢固连接，防止在钻孔时，钻机摆动、倾斜而影响钻孔质量。

2）钻具组合：lllmm偏心钻头→风动潜孔锤→73钻杆→压风笼头。

3）跟管钻进：以孔口导向管为准调正钻机，管棚桩从导向管中穿过。

开钻时先低速低压，逐渐加速加压，钻进时以排屑顺畅为准，以免造成卡钻。

钻进阻力过大时要停止钻进加强吹孔。

4）清孔：跟管钻进至终孔位置，抽出钻具时用压风吹去管棚桩内残留岩屑。

5）下入钢筋笼和注装：下入钢筋笼和注浆主要作用在于增大管棚桩的承载能力，注浆还可以增加松散岩层的粘结力。

4 结论
（1）管棚前探梁预支护能够利用“梁拱效应”，充分发挥出它的预支护效用。

它利用迎头前方岩体和后方初期支护作为两个支点，形成梁结构，用来承担上部岩体荷载，并将荷载传递、衰减，从而达到保护巷道的目的，起到了支护效用；
（2）管棚预支护技术对于限制迎头围岩的变形和维迎头围岩的稳定起到一定的作用，对保证巷道施工安全起到了积极的作用。

参考文献：
[1]杨甲豹.破碎围岩中管棚预支护理论及应用研究[D].湖南：中南大学，2010.
[2]武鹏飞，田取珍.构造破碎带巷道注浆加固技术[J].采矿技术，2010（3）.。