公路隧道大管棚超前支护技术与工程实践

１引言随着我国经济建设的迅速发展，高速公路建设及其工程设计、施工技术也得到了飞速发展，公路等级不断提高，道路裁弯取直，使得隧道工程在公路里程中的比例越来越大。

而部分隧道所处地段地质情况差或隧道断面大、埋深浅等，这就造成围岩难以自稳，施工无法进行。

众多工程实践证明，在控制围岩稳定性方面，尤其是在隧道洞口段，超前大管棚技术是克服上述情况最为有效的辅助施工方法之一。

２大管棚受力机理大管棚法一般多在隧道洞口段施工时采用，它是在隧道开挖之前，沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆，来增加钢管外周围岩的抗剪强度，并使钢管与围岩一体化，形成由钢管和围岩构成的棚架体系。

有时还可加钢筋笼，并与强有力的型钢钢架组合成预支护系统，以支撑和加固自稳能力极低的围岩，对防止软弱围岩下沉、松弛和坍塌等有显著效果。

在开挖隧道洞口时，随着下部土体的开挖，管棚端部悬空。

由于管棚钢管的绝大部分长度位于已预加固地层内，受到地层固定约束，使得悬空段相当于一段弹性支撑上的短悬臂梁，起到支撑洞口上公路隧道大管棚超前支护技术与工程实践张长亮１，石平２，金美海１（１．重庆交通大学，重庆４０００７４；２．中铁十五局第二工程有限公司第三指挥部，重庆４０００７４）摘要：超前大管棚支护是隧道施工中穿越软弱破碎围岩的一种有效的加固施工方法。

通过介绍超前大管棚在不良地质隧道施工中的受力原理、大管棚设计与施工要点及适用范围等内容，并结合重庆玉峰山隧道出口洞口段超前大管棚施工实例，对超前管棚在施工中的应用价值做一论证，有助于该方法的应用推广。

关键词：隧道；超前支护；大管棚；施工中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：Ａ文章编号：１００２－４７８６（２００７）０８－０１６４－０４ＥｘｃｅｅｄｉｎｇＳｕｐｐｏｒｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＰｒｏｊｅｃｔＰｒａｃｔｉｃｅｏｆＨｉｇｈｗａｙＴｕｎｎｅｌＬａｒｇｅＰｉｐｅ－ｓｈｅｌｆＺＨＡＮＧＣｈａｎｇ－ｌｉａｎｇ１，ＳＨＩＰｉｎｇ２，ＪＩＮＭｅｉ－ｈａｉ１（１．ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＴｈｉｒｄＨｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓｏｆｔｈｅＳｅｃｏｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＦｉｆｔｅｅｎｔｈＢｕｒｅａｕ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｃｅｅｄｉｎｇｌａｒｇｅｐｉｐｅ－ｓｈｅｌｆｓｕｐｐｏｒｔｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｗｈｉｃｈｃａｎｔｒａｖｅｒｓｅｇｏｎｅｎｅｓｓａｎｄｂｒｅａｋｗａｌｌｒｏｃｋｉｎｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｏｆｅｘｃｅｅｄｉｎｇｌａｒｇｅｐｉｐｅ－ｓｈｅｌｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｕｎｎｅｌｅｘｉｔｓｅｃｔｉｏｎｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＹｕｆｅｎｇｍｏｕｎｔａｉｎ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｋｅｙｐｏｉｎｔｓａｎｄａｐｐｌｙｒａｎｇｅｏｆｅｘｃｅｅｄｉｎｇｌａｒｇｅｐｉｐｅ－ｓｈｅｌｆｉｎｂａｄｇｅｏ－ｇｒａｐｈｉｃａｌｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｅｘｃｅｅｄｉｎｇｌａｒｇｅｐｉｐｅ－ｓｈｅｌｆｈａｓｂｅｅｎｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｔｕｎｎｅｌ；ｅｘｃｅｅｄｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔ；ｌａｒｇｅｐｉｐｅ－ｓｈｅｌｆ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ１６４开挖成形立模检查浇筑套拱钻机就位钻孔下管注浆方向控制图２大管棚施工工艺流程图图１管棚的支护形态模式图部荷载的作用。

其工作原理为：ａ）通过管棚注浆，使拱顶形成加固的保护环，该加固环发挥“承载拱”的作用，承受拱上部的岩层重力，使拱内部围岩仅承受拱部围岩的形变压力；ｂ）当超前管棚沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固环的形变小，传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给支护拱架，由于支撑拱架间的相互连接，形成整体支护，从而有效地保证了掘进施工和初期支护的安全。

根据隧道的开挖方法、断面、地质及埋深等条件，设定作用在一根钢管上的的荷载，以支撑和前方围岩为支点，按梁模式计算，见图１。

３大管棚施工设计３．１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。

３．２大管棚设计参数在大管棚设计中，要充分考虑地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，以确定管棚的配置、形状施工范围、管棚间隔及断面等参数。

以下为大管棚设计参数的参照要求：ａ）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；ｂ）钢管直径首选用８０ｍｍ～１８０ｍｍ，钢管中心间距为３０ｃｍ～５０ｃｍ；ｃ）钢管长度一般为１０ｍ～４５ｍ，当分段连接时采用４ｍ～６ｍ，钢管间用丝扣连接，丝扣长度不小于１５ｃｍ；ｄ）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°；ｅ）钢管施工径向误差不大于２０ｃｍ，沿相邻钢管方向不大于５ｃｍ。

３．３注浆参数设计大管棚设计中所用注浆参数主要有如下四个：ａ）灌注浆液水泥浆液，地下水丰富时可采用水泥玻璃双液浆；ｂ）注浆参数水泥浆、水灰比为１：１（重量比），注浆压力为２．０ＭＰａ～２．５ＭＰａ；ｃ）注浆扩散半径不小于０．５ｍ；ｄ）注浆前应进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，并取得钢管注浆施工经验。

试验得单根钢管注浆量为：Ｑ＝π・ｒ２・Ｌ＋π・Ｒ２・Ｌ・η・α・β式中，ｒ为钢管半径；Ｌ为钢管总长度；Ｒ为浆液扩散半径；η为地层孔隙率，堆积体经测试为９％；α为浆液有效充填率，取０．９；β为浆液损耗系数，取１．１５。

４大管棚施工大管棚施工工艺流程如图２所示。

４．１大管棚施工前准备工作大管棚施工前须做好如下准备工作：ａ）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；ｂ）在进行高压注浆之前，一定要将各孔口封堵１６５完好，以免造成浆液外漏，影响注浆效果和管棚施工质量；ｃ）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；ｄ）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；ｅ）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；ｆ）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。

４．２施工工艺４．２．１钻孔钻孔施工中应注意如下事项：ａ）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；ｂ）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；ｃ）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；ｄ）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。

４．２．２安设管棚管棚安设的注意事项如下：ａ）钻孔完成后须及时安设管棚钢管，避免出现塌孔；ｂ）钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长１５ｃｍ；ｃ）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。

４．３管棚注浆施工４．３．１施工程序及方法管棚注浆施工程序及方法如下：ａ）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；ｂ）注浆过程中须随时检查孔口、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，则可能发生堵管，应停机检查；ｃ）当注浆压力达到２．５ＭＰａ，并持压５ｍｉｎ以上时，可停止注浆，并及时封堵注浆口；ｄ）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。

４．３．２注浆效果评定对于注浆效果应加以评定，具体如下：ａ）对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况；ｂ）在进行无孔钢管钻孔时观察孔内涌水颜色及涌水量，水的颜色如较澄清或夹带水泥渣块，或涌水量小于０．４Ｌ／ｍｉｎ，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。

５工程应用实例５．１工程概况玉峰山隧道位于重庆市渝北区的玉峰山，为单向行驶的双洞公路特长深埋隧道，两洞相距３０ｍ，为人字坡，洞深平面上呈直线形。

设计行车时速为１００ｋｍ／ｈ的双线６车道高速公路，整体式路基宽３３ｍ，分离式路基宽１６．７５ｍ，隧道内轮廓拱顶净高８．００ｍ，净宽１５．４６ｍ，内净空面积为１００．６９ｍ２。

５．２大管棚施工在重庆外环高速公路北段玉峰山隧道出口洞口段，由于埋深较浅、岩层软弱破碎，且右洞严重偏压，因此在施工中采用大管棚施工技术，最终取得了良好的效果。

５．２．１管棚套拱工字钢支撑施工先施作５排２０ａ工字钢，工字钢间距为４５ｃｍ，在工字钢拱部１２０°范围内均匀布设５５个导向管，导向管环距为３５ｃｍ，对导向管与五榀工字钢支撑进行焊接，并采用!１６钢筋将大管棚的导向管焊接在工字钢套拱上。