铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值模拟
隧道工程管棚超前支护技术
三活瓣跟管钻具的组成 钻头活瓣结构
1.连接偏心钻头和钻头体的横销只起到悬挂钻头的 作，不承担扭矩，避免了销子的变形、折断所造 成孔内事故；
2.目前国内采用的偏心跟管钻头需要转动175°左右 才能实现钻头的张敛，而这种类型钻头的钻头体 正转一个很小角度（8°左右）即可使钻头直径增 大到设定的扩孔直径，钻头收回时，反转一个很 小角度即可使钻头直径缩小到设定的直径，减少 了钻头收回时被卡住的概率；
地质勘查
管棚加工与制作
浆液制作
管棚设计
建
测
钻钻
立
量
机孔
工
定
定与
作
位
位清
室
孔
插
注隧
入
浆道
管
加开
棚
固挖
设备材料准备
准备工作 安装管棚
套管定位
一节套管钻完 钻孔
安装下节套管
取出套管
孔深到位 退钻
继续钻孔
钻机移位
下一孔位
水
水泥
水泥浆池
注
浆
泵
稀释水玻璃
混 三通 合 器
钻孔注浆
常用的施工方法有夯管法、顶管法、钻孔等。但 钻孔法是目前最常用的成孔方法。随着钻探设备的专 业化分工越来越细，管棚专用钻机也应运而生。但管 棚钻进为近水平钻进，性质上与勘探钻孔有所不同， 对钻孔方向(空间位置)的精度要求很高，终孔测量一 旦发现孔斜或超出设计允许偏差，会造成严重的后果。
“ 海 王 星 ” 跟 管 系 统 如 图 2-9 所 示，这种系统的内外管系统基本和 “土星“跟管系统相似，内管定心 是通过回转内管（3），借助一个螺 旋伸缩接头（8）和套管在潜孔锤外 部的带有凸台（7）的套筒（6）一 齐向下移动，使凸台座落在套管（4） 底部套管靴（5）内的台阶上。此时 将潜孔锤（1）挤向一侧，并实现偏 心钻头（2）的扩底钻进，偏心钻进 进入套管并能提到地表。为防止套 管靴内部磨损，其内部在与凸台相 对应的位置上设有耐磨环。
隧道管棚超前支护施工方法与施工实例范本
隧道管棚超前支护施工方法与施工实例隧道开挖预支护的管棚法一、管棚法的基本概念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一.二、隧道开挖预支护中采用管棚工法的原因隧道开挖过程中,经常会遇到破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段,在这类地质条件下进行开挖,如果不进行超前预支护,很容易出现坍塌情况,导致安全事故,不仅给相关企业造成经济损失,增加工程成本,而且极大地影响工程施工进度和施工质量.在隧道施工下穿既有线路或建筑物及河流、湖泊的开挖前,如果不进行超前预支护,很容易造成隧道上既有线路或建筑物的沉降以及河流、湖泊涌水而带来各种安全隐患.对于隧道施工过程中遇到上述情况时,早期隧道开挖时,主要采用插板法、小导管超前注浆法、浅层地表锚杆注浆加固法等进行超前预支护.但这几种支护工法都有一些不足之处,就是支护范围和深度有限、加固强度不足,难以形成高强度支护整体,而且往往需要多个循环才能穿越需支护地层段,这样,不仅造成现场窝工、停工等情况,严重影响施工进度,而且有时其安全性也难以保证.随着施工技术的不断改进,管棚工法得到了普遍的利用.特别是在导向跟管钻进等技术及多种新的施工工艺引入后,管棚施工的精度、打设长度、沉降控制及施工工效有了长足的发展.管棚工法是采用专用钻机将钢管沿隧道开挖轮廓线外一节一节地打入需支护的地层中的预定位置,然后进行注浆,通过浆液在围岩中的扩散,形成一个类似钢筋混凝土的拱形帷幕,从而达到支护开挖线外侧围岩的作用.三、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：(一)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.(二)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.(三)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米以上,这样可以大大地减少预支护循环次数,加快施工进度.(四)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.(五)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.(六)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.四、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：(一)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.(二)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.此种情况管棚的钢管直径可偏大(φ299).五、管棚工作的原理管棚工作的原理主要有两方面;(一)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.(二)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粘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.六、管棚的设计参数(一)管棚尺寸参数：管棚尺寸参数主要包括管棚的长度、钢管直径、钢管壁厚及隧道内工作室的尺寸参数.1、管棚的长度一般为20-８0米,特殊情况下,管棚打设长度可以达到100米－300米.2、管棚直径常用的为φ89米米、φ108米米、φ159米米.3、管棚壁厚一般为6米米,中间用同直径的壁厚10－12米米钢管车丝扣连接.4、隧道内施作管棚时工作室一般外扩30厘米,当地层不允许时可用无工作室管棚施工法.5、在洞口施作管棚无需导向墙.(二)管棚位置参数：管棚位置参数主要包括开孔位置、倾角、外插角和环向间距.1、管棚中心位置距开挖线20-30厘米,开孔位置偏差为±2厘米.2、管棚倾角根据地质情况及隧道坡度确定.3、外插角一般为0.至1..4、环向间距根据现场地质条件、管棚管径确定,一般为25-40厘米.(三)管棚注浆参数：管棚注浆压力为0.8-1.2米Pa,浆液配比按0.8：1或1：1配制,注浆量根据管棚管径和管棚长度确定.(四)管棚施工精度：1、管棚打设倾角偏差根据管棚长度一般都能控制在±0.5.以内,外插角控制在3‰以内.2、管棚长度误差控制在±30厘米以内.3、管棚施工过程中因为成管快,注浆能及时跟进,因此上覆地层沉降基本上为零沉降.七、管棚适用条件及管棚施工实例(一)大多数隧道洞口属于浅埋和风化层,成洞较困难,采用管棚工法可以有效地解决洞口段的施工难题.对于洞口的超前预支护,管棚长度一般为30－40米左右,管径以φ108米米为主.通过管棚可以阻止洞口开挖时的应力释放.如图一所示为张石高速公路三甲村隧道进口管棚工程.该隧道开挖断面最大净宽为15米,开挖断面面积为144米2进口处地质条件为砂卵石地层,地层松散,钻进时不易成孔.针对现场地质情况,采用了潜孔锤跟管钻进成管法施作φ108米米管棚,成管后进行注浆加固.图一张石高速公路三甲村隧道进口管棚工程潜孔锤跟管钻进成管法是采用水平定向钻机通过锤头前端带有外锤头的潜孔锤冲击成管,外锤头通过丝扣跟管棚钢管连接,管棚打设到位后将外锤头与管棚钢管一同留在孔内,然后注浆加固围岩的管棚成管工法.潜孔锤跟管钻进成管法适用于砂卵层、风化破碎带等不易成孔地层的管棚施工,要求用强度较高的无缝钢管作管棚钢管,每节钢管长度必须与钻杆配套,通过丝扣连接,便于接管加尺.管壁厚度不得小于6米米,管壁太薄时容易出现断管的情况,影响管棚质量.管棚施工过程中要求现场供风压力不得低于6米Pa,确保孔内钻渣排出干净,保证管棚质量.施工精度控制：管棚打设到位后采用管棚导向仪进行钻孔测斜,根据测斜结果进一步分析确定钻孔钻进角度,并根据地层变化及时进行调整.(二)隧道穿越破碎带、松散带、软弱、涌沙地层等地段时,为保证隧道开挖施工安全,也需要施作超前预支护管棚工程.管棚长度需要根据支护段长度确定,管径多为φ108米米-φ159米米.图二武广客运专线金沙洲隧道管棚工程该隧道工程开挖时遇到的地质条件比较复杂,主要以松散风化岩为主,中间夹有松软的强风地层,局部存有空洞或较大岩层裂缝,在管棚施工时采用潜孔锤成孔后送管法施作φ159米米管棚进行超前预支护,微扩工作面(20-30厘米),采用多次循环,一次打设６０米.潜孔锤冲击成孔后送管法适用于风化岩层及软硬复合地层中,打设过程中要求采用风动力排渣,供风风压不得小于6米Pa,保证出渣量.钻孔打设到位后退出钻杆和潜孔锤,然后采取锲形钻头将管棚钢管送到孔内进行围岩加固注浆.图三管棚工作面微扩剖面图管棚精度控制：送管时需要用管棚导向仪进行钻孔测斜,发现偏差及时进行调整钻进角度(进孔角度).(三)隧道穿越既有线(如既有铁路、公路、高速公路、高速铁路等)、建筑物及构筑物等,管棚长度需要根据穿越长度设计管棚长度,管径根据现场地质条件及隧道上部覆土层厚度确定.如图四、图五所示郑西客运专线高桥隧道下穿既有铁路(同蒲铁路)的施工现场,该穿越隧道位于湿陷性黄土,主要发育垂直节理,极易下陷,而且设计为大断面开挖,开挖尺寸为15米×13米(宽×高),断面面积达160多米2.为了控制地表沉降,避免影响既有铁路的正常运行,在隧道开挖前采用风循环跟管钻进法一次性施作φ159米米管棚100米.图六所示为郑西客运专线阌乡隧道下穿连霍高速公路(下穿段施作80米长φ159米米管棚共三个循环).图四郑西客运专线高桥隧道下穿既有铁路的施工现场风动力跟管钻进法适用于湿陷性黄土及干燥粉土地层,通过风压在6米Pa以上的风力可以将钻渣排出,并在钻进的同时进行跟踪导向,控制钻孔偏差,确保管棚铺设精度.图五郑西客运专线高桥隧道外景图六郑西客运专线阌乡隧道下穿连霍高速公路(四)隧道开挖过程中的坍塌段超前预支护管棚,管棚长度一般都要一次性穿越坍塌段,并延长5-10米.管径根据现场地质条件及坍塌情况确定,一般为φ108米米-φ159米米.如图七为某隧道开挖时出现坍塌事故后抢险管棚工程.因在隧道开挖时出现了大范围的坍塌,导致隧道拱部大面积沉降,坍塌范围沿隧道开挖方向延长30米,致使隧道开挖无法继续进行.为了加固坍塌范围内土体,确保隧道开挖的继续,在该处采用水循环跟管钻进法施工长度为４8米的φ108米米管棚.图七某隧道开挖时坍塌抢险管棚工程水循环跟管钻进法适用于松散带、粘土层、沙层、淤泥层、回填土及强风化地层等.采用水循环排渣、造浆护壁、冷却钻头,并在钻进的同时采用管棚导向仪进行跟踪定向,控制管棚铺设轨迹.(五)隧道穿越富水地层中管棚超前预支护时,管棚长度应在富水段两端各延长10米左右,管径采用φ108米米或φ159米米.通过管棚注浆浆液的扩散,能够起到一定止水效果.针对这类地层,则采用水泥浆作为循环液的跟管钻进成管法施作管棚,然后进行注浆加固.如果采用水平旋喷桩进行超前预支护效果会更好,可以有效地实现止水和土体加固.图八为深圳地铁五号线西丽一号永久风道隧道管棚工程,采用水泥浆循环跟管定向钻进成管法施作φ108米米管棚.图九为深圳地铁五号线一号永久风道隧道水平旋喷桩工程.通过施作管棚和水平旋喷桩,不仅控制了地表沉降,而且起到了止水效果,确保了隧道开挖的顺利进行.图八深圳地铁五号线西丽1号永久风道隧道管棚图九深圳地铁五号线西丽1号永久风道水平旋喷桩(六)管幕工法是管棚工法的一种特例,主要适用于长距离下穿既有线超前预支护工程.如图十示为哈大高速铁路隧道下穿既有军用铁路专线鞍山隧道管幕工程.该隧道开挖断面尺寸13.4米×11.3米,断面面积为160多米2,覆土层最小厚度为4米左右,管幕铺设精度要求较高,而且管径较大,为φ299米米无缝钢管.管幕施工过程必须控制地表沉降量,确保既有专用铁路线的正常运行及隧道开挖的顺利进行,因此只能先用无线导向仪进行导向孔施工,再采取挤扩拉管法进行管幕钢管铺设,控制拉管过程中的出土量,防止地表沉降,最后进行注浆加固隧道上覆土层,实现超前预支护功能.图十哈大高速铁路鞍山隧道管幕工程附件：工程施工现场应急预案及安全保证措施一、编制原则1、以人为本,安全第一原则。
超前管棚支护隧道CRD法施工数值模拟研究
超前管棚支护隧道CRD法施工数值模拟研究聂建省【摘要】本文分析了超前管棚支护机理,并运用有限元分析软件对该隧道浅埋破碎段进行了仿真数值模拟,分别对不采用和采用超前管棚时围岩的位移情况、应力变化情况进行了模拟,定量分析了超前管棚在浅埋破碎地层中的加固效果.结果表明:超前管棚“简支梁”支护效果明显;采用超前管棚注浆支护能显著抑制软弱破碎围岩的变形及沉降,减少隧道支护结构的受力;CRD工法与超前管棚预支护相结合的施工方法能很好的控制围岩变形,可大大满足隧道的运营安全和沉降要求.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2019(038)019【总页数】5页(P105-109)【关键词】CRD工法;超前管棚预支护;支护机理;数值模拟;ANSYS【作者】聂建省【作者单位】兰州铁路技师学院,兰州730000【正文语种】中文【中图分类】U455.490 引言破碎岩体是公路隧道工程中常见的地层条件，在类型划分中位居稳定性较差的III、IV、V级[1]。
其自稳性差，在隧道开挖失去支承后极易发生坍塌，围岩自稳时间很短或基本没有自稳时间，来不及完成临时支护。
如何在此类岩体中安全经济地施工隧道一直是工程界关注的问题之一。
工程实践和研究表明[2]，当隧道施工中遇到稳定性较差的III、IV、V级围岩、严重偏压地段，尤其是隧道洞口段，围岩自稳能力极差，需采用超前支护工法才能顺利进行开挖。
其中超前管棚法是抑制洞口、拱顶先行位移、地表面下沉，保护周边环境的一种有效方法[3]。
而采用双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、CD工法或CRD工法可以抑制高铁隧道这类大断面隧道的围岩变形。
针对V级围岩，尤以CRD工法更适合于破碎围岩段的大断面隧道。
应当注意到，明确采用CRD工法超前管棚的支护时，对工程做出更为有效的指导是迫切和有意义的。
对此，本文首先分析超前管棚支护的机理，并结合金峰公路隧道实际采用的CRD 工法与超前管棚预支护相结合的施工方法，针对隧道破碎的浅埋段施工过程，应用有限元软件分析及数值模拟。
大管棚、小管棚超前支护施工
大管棚、小管棚超前支护施工隧道进、出口进洞均采用Φ89壁厚：5mm长：30m间距：40cm的大管棚进行注压浆对洞口浅埋的超前加强支护，角度为1~3度；洞内采用Φ50壁厚：4mm 长5m间距40cm的小导管进行压注浆超前支护。
角度为6°。
大管棚施作的主要内容：施作导向墙预埋导向管，设置钻机平台，测定孔位，钻孔，钻机退出，注压浆，封孔，““见图4超前管棚施工工艺流程框图“管棚采用无缝钢管加工成花管，以便注浆加固岩体，前端加工成锥形，以便送入或打入，并防止浆液前冲，梅花布设溢浆孔孔径8mm，间距为15cm，其中大管棚尾部5m，小导管尾部1m范围不钻孔，防止漏浆，末端最好焊接直径为6mm的环形箍筋，防止打入是管身开裂，影响注浆管每小段的连接。
每节间丝扣连接，钻孔采用电煤钻钻孔，在钻进过程中采用光耙测斜仪量测钻孔的偏斜度，小导管人工直接送入。
超前管棚安设后，用速凝砂浆封口，并用喷射混凝土封闭工作面，采用KBY-50/70型注浆泵注浆，注浆参数为：水泥浆水灰比：1;1注浆压力：0.5～1.0mpa注浆前进行注浆试验，并根据试验的情况调整注浆参数。
注浆顺序两侧对称向中间，自下而上逐孔注浆，强度达到设计后方能开挖。
2、系统锚杆施工系统锚杆采用的中空注浆锚杆，锚杆长4m（径向）或5m（内侧水平），环向间距为1m，采用风钻钻孔，钻孔直径为Φ40mm。
成孔后用高压风清孔，人工送入，用速凝砂浆封口，注浆压力保证在0.5~1.0mpa，扩散半径最大，对围岩加固的效果最佳，对裂隙较发育的不良地质V级围岩有很好的改善效果，抗拔力符合设计要求，锚杆的末端与拱架焊接。
3、刚拱架支撑施工在加工场地放出大样，采用弯曲机分节加工制作，主要在安设控制（中线、高程、垂直度）质量，施工中主要采用支距、悬距法来控制。
4、钢筋网施工主要注意控制加工尺寸和把每块网片连成整体。
5、临时支护的施工（临时侧壁支护、临时仰拱）临时侧壁支护采用I16型钢拱架纵向间距与主动一致，网片尺寸15*15，采用Φ22mm砂浆锚杆，Φ50小导管超前支护的一个临时支护体系。
隧道超前支护和地层预加固措施 超前大管棚
1. 构造组成
管棚是利用钢拱架沿开挖轮廓 线以较小的外插角、向开挖面前方 打入钢管或钢插板构成的棚架来形 成对开挖面前方围岩的预支护。
超前大管棚
大管棚支护示意图
先行插入围岩的钢管作为纵向支撑； 钢拱架作环向支撑； 锚杆、钢筋网喷射混凝土作为连接和整合介质。
超前大管棚
2. 性能特点及适用条件
超前大管棚
5. 管棚钻进流程
准备工作
套管定位
安装管棚
取出套管
钻孔
一节套管钻完
退钻
孔深到位
安装下节套管 继续钻孔
钻机移位
下一孔位
超前大管棚
模块六 超前支护与与加固围岩
6. 注浆流程（以双液浆为例）
水
水泥
水泥浆池 稀释水玻璃
注
混 三通
浆
合
钻孔注浆
泵
器
超前大管棚 7. 注浆及浆液扩散示意图
超前大管棚 超前管棚进洞施作步骤：
开
棚
固
挖
设备材料准备
超前大管棚
4. 管棚钻孔、安设施工要求
➢(引孔顶入法)当钻进地层易于成孔时，一般采用先钻孔、后插管的方法。即 钻孔完成经检查合格后，将管棚连接接长，由钻孔旋转顶进将其装入孔内。 ➢(跟管钻进法)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， 顶进棚管，拔出外套管。
进洞前施作套拱
钻孔
超前大管棚 钻杆接长
超前大ห้องสมุดไป่ตู้棚
钢管顶入
焊接注浆接头
超前大管棚 注浆作业
超前大管棚
注浆后接头密封
管棚支护下开挖
特点： 整体刚度较大，对围岩变形的限制能力较强，且能提前承受
隧道中的超前大管棚支护施工
成 败 。所 以 在导 向孑 施 工 的每 一 环 节 都应 受 到 重 视 注意 。 Ｌ
１）钻机就位 。施工 中为确保钻杆 中心与设计管棚 中心位置对 齐 ， 采 用支架进行 钻机 固定 ；同时为确保 支架位置 与管 棚 中心位置保 持一 致 ，每次管棚施 工前都要对 支架及钻孔进 行对位 。支 架根据隧道结 构 形式搭设 ，与栅 格连接 固定 。２ 导 向系统 。根据 隧道埋深确 定应使 用 ） 的导 向系统 ，导 向系统一般有Ｅ ＬＰ Ｅ Ｃ ＩＳ 无线地下定位系统和地磁定位系 统 ，当埋深在８ ｍ以下时采用地磁地下定位系统 。３）泥浆系统。由引言 知 ，一般超前管棚 经过 的地层地质条件较差 ， 在例如粉细沙这样间歇性 小 、遇水容易坍 塌的地层 中，膨润土泥浆的作用就变得非常明 。不仅 起护壁作用 ，还可以冷却钻头 ，排除钻屑 。
定性
参考 文 献 ［ 韩 立军， 茂林， １ ］ 张 贺永 年， 林登 阁岩 土 加 固技 术冲 国矿业大学 出版社 ， ０ ，． ２ ５９ ０ ［ 林 希鹤， 清 国， ２ 】 卢 马艳 春． 超前 管棚支 护在 隧道工 程 中的应 用． 铁道 建筑，０ ６８ ２０ ，
［ 吕少锋 － ３ 】 隧道与地 下工程 施工技 术案例 精选 ． 中国 电力 出版社 ， ０ ，． ２ ９４ ０
３ ３ 扩 孔 ．
１ 作 用原 理 １ 通过管棚 注浆 ，使拱顶预先形成 加固的保护环 。而加 固环发挥 ）
“ 承载拱”的作用 ，承受拱上部的地面荷载和岩层重量 ，使拱内部 围岩仅 承受拱部 围岩的形变压力 ，从而创造了理想的开挖条件 。２）当超前管棚 沿隧道开挖轮廓周边密布时 ， 加固环的变形变小 ， 传递给隧道支护结构的 上部荷载大大减小 ，同时通过环形同结层与管棚 ，将拱部围岩的形变应力 传递给支撑拱架。由于支撑拱架间的相互连接。形成整体支护 ，有效地保 证 了掘进施工和初期支护 的安全。３ ）梁效应 ：先行施设的管棚 ，以工作 面和后方支撑为支点形成—个梁式结构 ，防止了围岩的松弛和滑塌 。 ２ 设计 参数 管棚设计参数一般要求为 ：管棚棚管采用热轧无 缝钢管 ， 管导向 钢 端做成尖形 ，承压端焊上钢箍 ，管 １预 留止浆段 ，注浆孔沿孔壁呈梅花 ： ３ 形布置。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。钢 管直径选用８ － ８ｍｍ，钢管中心间距 为３－ ０ ｍ；钢 Ｏ １０ ０ ５ｃ 管长度一般为 １－ ５ ０４ ｍ，当采用分段连接时采用４ ６ － ｍ，钢管采用丝扣 连接 方式 ， 丝扣长度 《１ｅ ５ｍ；钢管沿 隧道开挖轮廓线纵 向近水平外插设置 ， 外插角为 １５ ；钢管施工径 向误差 ２ｅ —ｏ ０ｍ，沿相邻钢管方向 ５ ｍ；纵 ｃ 向管棚水平搭接长度 《１ ｍ。 ． ５ 而 对 于 注浆 材 料 ，则 有 ： １ ）注浆多采用水灰 比ｌ１ ：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 － Ｍ ａ ） ． ２ Ｐ ；３ 止浆墙根据 围岩条件确定 ，可 ２ 采用ｌ－ ０ｍ Ｏ ２ ｃ 厚喷混凝土或２－ ０ｍ ０ ５ ｃ 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。 ３ 施工 工序 管棚施工法的主要 工序有导 向孑 钻进一扩孔施工～ 进钢管施工一 Ｌ 畸 管棚注浆施工。 其流程为 ：首先进行施工准备 ，同时钢管加工 。完成后将钻机安放 就位，同时利用导 向系统进行导向孔 钻进 ，之后扩孑 ，夯进钢管并进行 Ｌ 管棚钢管清洗，最后实施管棚注浆工序。完成后 即可进行隧道开挖 。
隧道超前管棚支护与超前小导管支护工程实例
营盘山隧道隧址区发育的地层主要有为第四系上更新统残坡积层和志留系上统茅山组砂岩，岩体破碎，成洞条件差，施工对地面沉降影响相当大，会给周围建筑物及施工造成极大危害。因此，对围岩进行超前支护加固能有效控制地表沉降，达到保护周围环境、有效的保证隧道开挖面的稳固。
营盘山隧道超前支护洞口采用超前管棚注浆加固围岩，洞身采用超前小导管注浆加固围岩。
套拱及管棚
（1）套拱设置
营盘山隧道套管设置首先用全站仪以坐标法在格栅拱上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。拱墙设置I20a工字钢4榀，间距0.6m/榀。以隧道开挖拱顶中线为轴线，环向间距40cm,两边对称的在最后一榀工字钢上固定10cm高的木楔，每侧17个。φ114导向管布置位置按照每个对应的木楔布置，导向管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移，且各端头位于对应的木楔之上。按照导向墙断面尺寸2.0×0.6m，安装底模、侧模及外模，固定牢固后浇筑C25砼。待砼浇筑完成24小时后拆除模板。
图3.2.2超前小导管预注浆工艺流程图
导管应在开挖轮廓线上按设计位置及角度打入，孔位误差不得大于5cm，角度误差不得大于3°，超过允许误差时，应在距离偏大的孔间补管后再注浆。
钢管每根实际打入长度不得短于设计长度的95%，否则开挖1米后补管、注浆。检查钻孔、打管质量时，应画出草图，以孔位编号、逐孔、逐根检查并填写记录。
（2）小导管注浆
超前小导管预注浆参数选择：注浆压力0.5～1.0Mpa，水泥浆水灰比1∶1，水泥标号为42.5号。施工中每孔注浆量达到设计注浆量时，或注浆压力达到1.0Mpa时，持续15分钟，可以结束注浆。超前小导管尾端焊于型钢支架腹部。单孔注浆量不得小于计算值的80%，超过偏差必须补管注浆。
隧道洞身超前支护施工方案(大管棚施工)
施工技术方案一、工程概况沙沟隧道位于B7合同沙沟段，路线由左幅起点K96+000=右幅K96+000处分幅，至左幅止点HZK99+804.96=右幅K99+838.45处合拢。
其右幅隧道起止桩号为：K97+737.88～K98+351.25，全长613.37m，元谋端位于R=854.0661m， LS=120m的右转曲线上，武定端位于直线段上，纵坡元谋端+3.834%，余端+2.9%的单向坡，最大埋深约为146.6m。
左幅隧道起止桩号为：K97+674～K98+276，全长602m，元谋端位于R=776.909m， LS=120m的右转曲线上，武定端位于直线段上，纵坡采用+2.9%的单向坡，最大埋深约为101.79m。
设计图纸为左、右分离的双洞单向行车双车道隧道。
单跨净宽为11.20米，净高为7.1米。
本隧道按规范和救灾要求，洞内预留、预埋了供照明、通信、消防、等设施用的洞室和管、槽。
右幅设计图纸设计了共长50m的S1B及S2型衬砌，其余各段为S1A型明洞衬砌，S3、S4型复合式衬砌。
S2型衬砌段设计图采用了大管棚，，S4型衬砌段采用超前小导管，S4型衬砌段采用Φ28的超前砂浆锚杆，对前方围岩进行注浆加固后再开挖。
本分项工程为右幅S1B及S2型复合式衬砌段超前支护工程。
桩号分别为：K97+739.5～K97+764.5及K98+321～K97+346属于洞身浅埋段，主要工程量如下：超前管棚φ108×6：32141.7kg，锁脚锚杆：1560kg，C:S注浆：90.72m3二、工期及人员设备安排沙沟隧道右幅衬砌段超前支护开工时间为2005年11月2日，至2006年2月28日完成施工。
本分项工程具体由曾红春负责，项目总工胡建全负责技术，质检工程师伍勇民，试验工程师何泽勇，现场人员高秀平，安全员王宝褔，投入技术、质检、试验、管理各1人；旁站人员1人，民工35人，后勤人员3人；机械投入见《云南永武高速公路元谋至武定段进场设备报验单》。
隧道工程项目中的超前管棚注浆施工工艺
隧道工程项目中的超前管棚注浆施工工艺摘要：目前,中国工程实践取得了飞速发展,铁路和高速公路隧道不断建设。
与中短隧道相比,深长隧道施工中不利地质条件的发生概率也大大增加,如断层断裂带、软岩、地图等。
这给传统的施工方法带来了巨大的挑战,只有工程经验无法应对更复杂的地质条件,安全性得不到保证。
本文对隧道工程项目中的超前管棚注浆施工工艺进行分析，以供参考。
关键词：隧道工程；超前管棚注浆；施工工艺引言山区隧道断裂带岩性复杂,围岩断裂,在地下水供应充足的情况下,极易发生高压水下水等地质灾害,严重影响施工安全和工期。
为了有效地预测和控制隧道断裂带的水流,防止隧道内水流突发等地质灾害的发生,需要采取专门的断层地质处理措施,支撑管道前流是隧道施工中穿越周围软弱断裂岩石的有效加固方法,而前幕是预防事故发生的最有效措施之一,在富水隧道施工中具有广泛的应用。
先进的管幕和组合预支撑的窗帘填充可以充分发挥堵水和加固窗帘的作用,并利用窗帘预支的作用发挥其优势,达到安全快速施工的目的。
1隧道管棚超前支护基于基础柔性梁理论的管枕分析模型的研究比较成熟,但在模型的建立过程中,在对管枕荷载分布范围和约束形式的认识上还存在一些矛盾,并且由于模型的解决,对管枕的结构和施工参数对管枕支撑效果的影响、隧道开挖过程的作用机理、适用的岩石环境条件、设计和施工的合理性和经济性等尚未得到普遍的结论。
然而,仍有许多不确定性需要进一步研究。
在此基础上,在环境岩石与管幕结构相互作用的基础上,采用双参数弹性梁基础理论,建立管罩力学分析模型,采用有限差分法求解管罩变系数。
深入分析隧道开挖过程中隧道前支架的变形规律、内力和荷载传递,通过对周围岩石变形特性、应力特性、初始支撑等的比较分析。
栋进一步分析了管壳、管径、管间距、平面加固等因素对管道载荷传递和前支架效应的影响,为研究管道的力学行为、作用机理、适宜的管道围岩条件提供了理论依据,对复杂环境下隧道链的设计和施工具有重要意义。
无工作室超前大管棚及三洞五步法在膨胀土隧道中的应用
无工作室超前大管棚及三洞五步法在膨胀土隧道中的应用摘要：膨胀土具有“浸水膨胀，失水收缩”特性，膨胀土围岩将对隧道的稳定和安全产生影响，因此应改善膨胀土隧道的施工技术。
结合太兴铁路专线小河沟膨胀土隧道施工实践，提出了无工作室超前大管棚过塌方段技术及“三洞五步法”施工开挖技术，并通过数值模拟及监控量测数据说明两种技术的可行性，这对维护围岩稳定、支护结构安全、保证施工顺利进行以及缩短工期和节约投资等都有着极其重要的意义，对于同类隧道的施工具有重要的借鉴意义。
关键词：膨胀土隧道；塌方段；无工作室超前大管棚；三洞五步法Application of Non-cavern Advance Large Pipe Roof and Three-hole Five Step Excavation Method in Expansive Soil TunnelLiu Yan Liang(China Railway 14th Bureau Group, Jinan，Shandong 250061，China)Abstract：Expansive soil is swelling when soaking and shrinkage when losing water, then expansive soil will affect the stability and safety of tunnel, so we must improve the construction technology of expansive soil tunnels. Combined with the construction practice of Xiaohegou tunnel in TAIXING railway, the non-cavern advance large pipe roof is introduced into the collapse of tunnel and the “Three-hole Five-step Excavation Method” is also represented. In addition, the numerical simulation and monitoring are used to support the effectiveness of these technologies. This excavation method is of practical significance for keeping tunnel stability, shortening the construction period and investments. This study is also very significant for construction of simple tunnels.Key words：expansive soil tunnel; the collapse of tunnel; the non-cavern advance large pipe roof; Three-hole Five-step Excavation Method0 引言若干年来，民间一直流传着许多对于膨胀土的形象比喻和称呼。
隧道大管棚超前支护施工图解
隧道大管棚超前支护施工图解导读:隧道的地质一般较松软，有时候还会涌水、涌砂层，而管棚施工在这中间就起到了超前支护的作用,因此又称之为管棚超前支护，管棚刚度较大,施工时如再次发生塌方,塌渣也是落在管棚上部岩渣上,起到缓冲作用.即使管棚失稳,其破坏也较缓慢，为隧道开挖提供了坚实的基础。
一、施工步骤1、施作导向墙在洞口里程外起拱线以下路基土石方留一长约5m平台，然后在洞外洞口交界处架立钢架,间距按管棚施工图要求,用连接筋焊接成一整体。
在钢支撑上安设导向钢管，数量、环向间距和外插角与大管棚一致。
导向钢管的安装要测量定位,使钢管位置与方向准确无误，导向钢管与钢架焊为整体。
支立模板，然后灌注导向墙，导向墙完成后，喷射混凝土封闭周围仰坡面,以防止浆液从周围仰坡渗漏。
搭设钻孔平台脚手架、安装钻机.2、钻孔采用潜孔钻机，从导向管内隔孔钻孔。
开孔时，低压满转,待成孔1。
0m后，适当加压，钻进过程中利用倾斜仪等测量设备有效控制钻孔质量,保证终孔偏斜率在1/2000以内。
3、安装大管棚钢管管棚钢管安装顶进前先进行孔道扫空作业，目的是清除孔内岩碴，和顺通孔道。
管棚钢管由机械顶进,钢管节段间用丝扣连接,顶进时,采用6m或3m节长的管节交替使用,以保证隧道纵向同一断面内的接头数不大于50%，管壁上按照设计钻注浆孔。
管棚顶到位后，钢管与导向管间隙用速凝水泥等材料堵塞严密,以防注浆时冒浆.4、注浆注浆前先将孔内泥浆清干净（可用高压水冲洗），再进行注浆。
浆液采用水泥砂浆，注浆压力1.0~2.0Mpa，注浆参数根据现场试验予以调整.管棚施工过程中为了防止注浆过程中发生串浆，每钻完一个孔，随即安设该孔的钢管并注浆，然后再进行下一孔的施工。
以上就是管棚超前支护施工的图解工艺流程，管棚超前支护是在进洞口的地质条件非常差（如：沙土、破碎严重的岩石、黄土等）的情况下使用，一般长度就20-30米左右，管棚为壁厚3.5mm的钢管，直径一般为108mm。
地铁隧道管棚支护方案数值模拟及现场数据分析
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2103-5640-2313地铁隧道管棚支护方案数值模拟及现场数据分析李伟(中交三公局第一工程有限公司 北京 100012)摘 要：地铁隧道在开挖施工过程中使地层发生变形，地层的变化会对其上部建筑物产生一定影响，因此，分析隧道开挖对地层变形的影响规律是研究计算和评价建筑物损害程度的重要前提，本文借助MIDAS GTS、FLAC3D数值模拟软件，分析隧道开挖后导致地层变形的特征及地表沉降规律，并研究了管棚支护参数对地层变形特征和地表沉降的影响，着重分析了围岩应力分布、变形和地表沉降的影响，为浅埋隧道的施工提供合理的理论依据。
关键词：隧道开挖 数值模拟 变形特征 管棚支护参数 应力分布中图分类号：TU94 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2021)06(a)-0016-04Simulation Study on Pipe Shed and Excavation Mode of MetroTunnel SectionLI Wei(The First Engineering Co., Ltd. of China Communications Third Public Bureau, Beijing, 100012 China)Abstract: In the process of excavation and construction of subway tunnel, the stratum will deform, and the change of stratum will have a certain impact on its upper buildings. Therefore, the analysis of the inf luence law of tunnel excavation on stratum deformation is an important prerequisite for studying and evaluating the damage degree of buildings, This paper analyzes the characteristics of ground deformation and the law of surface settlement caused by tunnel excavation, and studies the inf luence of pipe roof support parameters on stratum deformation characteristics and surface settlement, focusing on the analysis of the inf luence of surrounding rock stress distribution, deformation and surface settlement, so as to provide reasonable theoretical basis for the construction of shallow buried tunnel.Key Words: Tunnel excavation; Numerical simulation; Deformation characteristics; Pipe roof support parameters; Stress distribution作者简介：李伟（1984—），男，本科，工程师，研究方向为公路运输。
隧道管棚超前支护施工技术
隧道管棚超前支护施工技术一、前言隧道工程在地下施工过程中，由于地质条件复杂、施工空间受限等因素，常常面临着掌子面稳定性问题。
为了确保隧道施工的安全和顺利进行，采用超前支护技术是非常必要的。
隧道管棚超前支护技术是一种常用的超前支护方法，通过在隧道掌子面前方设置管棚，对掌子面进行稳定，从而保证施工的安全和顺利进行。
本论文将详细介绍隧道管棚超前支护施工技术，包括施工工艺、施工设备、施工质量控制等方面。
二、隧道管棚超前支护施工工艺1. 管棚设计根据隧道工程的特点和地质条件，进行管棚设计。
管棚的参数包括管棚的直径、长度、间距等，应根据工程实际情况进行合理选择。
管棚的材料一般选择钢管或者钢筋混凝土管，根据工程需要可以选择不同材质的管材。
2. 管棚施工管棚施工前，应先进行地质勘察，了解地质条件，确定管棚的布置位置和深度。
然后进行管棚的组装和安装，安装过程中应保证管棚的稳定性和密封性。
管棚安装完成后，进行注浆施工，注浆材料一般为水泥浆或者化学浆，注浆压力应根据实际情况进行调整。
3. 超前支护施工超前支护施工主要包括超前锚杆施工和超前混凝土施工。
超前锚杆施工是通过在管棚内部设置锚杆，对管棚进行固定，提高管棚的稳定性。
超前混凝土施工是通过在管棚内部浇筑混凝土，形成混凝土拱，对隧道掌子面进行稳定。
三、隧道管棚超前支护施工设备1. 管棚组装设备管棚组装设备包括管棚架、管棚连接件等，用于组装和连接管棚。
管棚架是用来支撑管棚的框架结构，管棚连接件是用来连接管棚的各个部分的。
2. 注浆设备注浆设备用于向管棚内部注浆，提高管棚的稳定性和密封性。
注浆设备包括注浆泵、注浆管、注浆阀等。
3. 超前锚杆施工设备超前锚杆施工设备包括锚杆钻机、锚杆杆体、锚杆注浆泵等，用于进行超前锚杆施工。
4. 超前混凝土施工设备超前混凝土施工设备包括混凝土泵、混凝土输送管、混凝土浇筑模板等，用于进行超前混凝土施工。
四、隧道管棚超前支护施工质量控制1. 管棚设计质量控制管棚设计质量控制主要包括管棚参数的选择和管棚布置的合理性。
隧道管棚超前支护施工步骤图解
隧道管棚超前支护施工步骤图解
管棚施工法常应用于隧道工程中，特别是洞口位置处，围岩多风化破碎，岩质较差，为保证其进洞安全，常采用管棚作为超前支护。
管棚法作为一种重要的暗挖施工法在日本、美国及欧洲各国被广泛采用。
管棚施工原理
管棚在实际工程中起简支梁作用，两端的支撑梁便是简支梁的弹性支撑，上覆地层的变形主要包括管棚的挠曲变形量和端头支撑梁的变形两部分。
在日本和韩国该方法应用于隧道穿越既有铁路线或公路线，这样可以控制隧道开挖对既有线路产生的不良影响。
管棚支护结构，一般按松弛荷载理论进行设计。
钢管采用内注水泥浆、化学浆液或细石混凝土、劲性骨架来增加钢管刚度。
根据围岩地质条件和施工条件进行力学计算。
钢管直径多选用80～180mm，钢管中心距离一般为30～50cm。
钢管长度视软弱破碎围岩的厚度而定，一般为10～45m。
钢管以较小的仰角沿岩面打入，形成了一个梁结构来承担围岩的压力。
施工步骤
1.安装套拱中导向管：
2.绑扎套拱钢筋网
3.套拱底模安装
4.套拱钢筋绑扎
5.套拱模板加固及泵管安装
6.套拱拆模后施钻管棚孔
7.套拱施钻管棚孔
8.利用挖机套拱送管棚施工
9.管棚注浆后封孔
10.套拱施作完成
11.钢拱架、小导管、钢筋网标准施工
12.每间隔一榀钢格栅或一榀钢拱架安装小导管，及小导管布置范围
隧道管棚施工方案的要点就讲到这里。
为保证隧道管棚施工的完整性，因此我们一定要掌握好以上这些施工的要点，这样在施工过程中才能更加顺利的进行。
隧道管棚超前支护技术及其数值模拟
隧道管棚超前支护技术及其数值模拟1、引言随着经济和社会的发展，在交通建设中需要在繁忙的公路、铁路和既有建筑物下修建各种地下和隧道工程[1] 。
管棚支护作为一种长距离加固技术，在隧道工程中有着广泛的应用[2-3] 。
管棚支护能有效控制围岩的松弛，限制隧道的地表沉降、拱顶下沉和周边收敛，使开挖面前方一定范围内的围岩处于稳定状态。
管棚施作后，开挖前方岩体的强度得到提高，形成了一个稳定承载环。
此外，通过钢管对围岩注浆，使得浆液以填充、渗透、劈裂、挤压等方式，赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后并占据其位置，使得原来较为松散的土粒胶结成一个整体，提高围岩本身的自稳能力[4-5] 。
在隧道工程中，通过对有无管棚支护隧道进行变形和应力监测，评价隧道管棚支护的作用效果，成本巨大。
这里借用数值模拟的方法，对有无管棚支护隧道开挖过程中变形和应力的变化进行分析，并对管棚支护作用效果进行评价。
2、管棚支护的力学模型对于管棚支护的作用效果，可以采用数值模拟的方法进行分析。
将大管棚注浆加固围岩视为在隧道开挖轮廓线外形成一定厚度厚的环状加固圈，通过改善围岩参数的方法用梁单元或壳单元模拟加固地层。
如在某隧道施工中，采用大管棚超前支护辅以超前小导管注浆，假定在地层中形成坚固的、连续的壳结构，并基于管棚的力学效果，将管棚简化为0.5m 厚的预支护结构，如图 1 所示。
3、隧道开挖过程的数值模拟3.1 计算模型的建立选取计算模型的水平方向（x向）长度为18m纵向（y 向）长度为72m竖向高度（Z向）为22m高速公路的宽取为20m, 整个模型的坐标原点（0 0 0 ）为四部开挖的交界点。
隧道的围岩采用六面体单元（brick element ），初期支护采用壳体单元（shell element ），管棚采用壳体单元（shell element ），计算模型如图 2 所示。
模型边界条件为：水平方向的位移约束，fix x range x -18.1 -17.9 ，fix x range x 17.9 18.1 ；隧道轴向前后两侧边界的约束：fix y range y -0.1 0.1 ，fix y range y 71.9 72.1 ；底部边界的位移约束：fix z range z -8.1 -7.9 ，顶部为自由面不约束。
管棚超前预支护技术数值模拟研究
软化掌子面 。
地下 暗挖施工有许 多不 可预见 因素 在 内， 周 边环 境影响 、 地质情况复 杂等等 问题往往 给施工 带来 诸多 不便 。这就需要施工各方在开工前做好足够 的周边环
以坐标 原 点 为开 挖 中心 ， 以 轴 、 轴 正 负 方 向
５ ０ ｍ为模型边界 ， 因模拟第一施工段开挖 ， 模型厚度取 ３ ０ ｍ， 形成 １ ０ ０ ｍ Ｘ １ ０ ０ ｍ× ３ ０ ｍ立方 体模型 。巷 道为 圆 筒形巷道 ， 直径 ７ ． ２ ｍ， 由 平 面 延 Ｙ轴 正 方 向开挖 。 直径 ２ ７ ． ２ ｍ 的范 围 内皆为注 浆加 固区。第一 施 工段
境调查 ， 掌握第一手 的地质情 况及 管线埋 设 资料。根 据实际 ， 编制 出有针 对性 的施 工方 案和应 急预 案。只
（ ５ ） 安 排专人 负责暗挖通道 施工作业 区域上 方
有这样 ， 暗挖施工才能有条不紊地按照预期 目标完成 。
［ 收稿 日期 ］ ２ ０ １ ５— ０ ４— ２ ７ ［ 作 者简 介］ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 叶 罡（ １ ９ ７ ７一） ， 男， 浙 江建德人 ， 硕士 ， 高级 工
钢拱架 沿径 向铺 设 ， 形成 拱结构 ， 改善 土体质 量 、 提 高
围岩整体 强度的 同时 ， 又能保护建设 生产的顺利进行 。
２ 模 型 建 立
地层 应力 高 、 岩体 松软等弱点 ， 对 于维护巷道的 自稳能
力， 减少巷 道变形 等得 到显著改善 ， 对 于矿井 的安全建 设、 生产 和运输都起 到了积极作 用。
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自进入雨季以来，受雨水渗透影响，围岩抗剪强度减弱， 施工中经常发生塌方事故，造成重大损失。为保障安全施工， 控制隧道变形，变更设计拟采用大管棚注浆措施，加固掌子 面前方围岩，控制围岩变形。
X: 90.000 按最不利工况，取隧道毛洞单洞跨度为11.96米，高为11.86
Y: 360.000
米。 Z: 0.000
Mag.: 1
Ang.: 22.500
6
边界条件与本构模型
为减小边界效应的影响，取隧道中心线和隧道底板的交点 为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍的隧道的开 挖直径，即左、右边界为60m，下边界为36m，上边界为地 表，隧道轴线方向取20m。计算模型的左、右、前、后边 界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。
3
工程概况
隧道全长1803m，最大埋深82m，最小埋深仅5m，位于里 程DK75+054~DK75+089。由于该浅埋段，埋深及浅，同时处 于汇水区，受雨水影响严重，其稳定性较差，极易发生塌方， 因此拟采用台阶法结合管棚注浆预支护技术。
4
地层信息
该地段为黄土地貌，与工程性质相关的土层主要是出露地 表的上第三系（N）膨胀性黄土，膨胀潜势为等级为中， 土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂 隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口 光滑，局部夹钙质结核。
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
9
支护结构模拟
在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成， 主筋直径为Φ18，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋 焊接，按1.5m间距设置，管棚梁结构如图4所示。
10
支护结构模拟
为了考虑管内混凝土及加筋对管棚力学性质的影响，在数 值模拟计算过程中，将管内混凝土的作用采用等效弹模的 方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，计算方法 如下公式
E E0S0 Eg Sg Es Ss S
式中：E 为折算后管棚的弹性模量；S为管棚截面积；E0管 棚钢管弹性模量；S0为管棚钢管有效截面积；Eg为混凝土 的有效截面积；Sg为混凝土的弹性模量，取1.5×1010Pa； Es为 钢筋的有效截面积；Ss为钢筋的弹性模量。
11
支护结构模拟
8
支护结构模拟
管棚采用89mm直径的无缝钢管，设计在拱部120°范围打 设，每环长10m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插 角5～10°，注1:1的水泥浆，为增加管棚的抗弯能力。
在注浆过程完成后，管棚内充满混凝土浆液，待浆液凝结 后，管棚相当于钢管混凝土梁。
FLAC3D 3.00
Step 999 Model Perspective 10:49:04 Sat Jun 16 2012
土层 膨胀性黄土
密度 kg/m3
弹性模量 MPa
泊松比
粘聚力 KPa
摩擦角
1916
18.41
0.35
25
30
5
地层建模
C3D 3.00数值模型浅埋段的开挖施工，拟采用有限差分软件FLAC3D
spective 1 2013
，图1为建立的小河沟隧道的数值模型图。模型包括33407
Rotation: 个模型节点，和29580个单元，隧道断面形状为直墙拱型，
Center: X: 7.420e-001 Y: 5.809e+000 Z: -4.228e+000 Dist: 3.009e+002
Rotation: X: 130.000 Y: 300.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
6.66×10-4
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
FLAC3D 3.00
Step 2929 Model Perspective 09:43:43 Thu Jun 21 2012
Center: X: 3.146e+000 Y: 1.137e+001 Z: -1.979e+000 Dist: 3.875e+002
管棚梁、初支的等效参数如下表所示
名称
密度 / Kg/m3
弹性模量 泊松比 / GPa
截面积/ m2 X轴惯性矩/ m4
管棚梁单元
4840
初支壳单元
2500
临时仰拱壳单元 2500
97.1 31.9 46.98
0.3
6.218×10-3
3.078×10-6
0.25
0.3
2.25×10-3
0.25
0.2
Rotation: X: 100.000 Y: 340.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
Block Group
12
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值模拟
中科院计算技术研究所
1
管棚的应用
管棚法是常用超前支护工法，通过在拟开挖的地下隧道衬砌 拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，并注 浆形成管棚注浆帷幕壳体，防止地表下沉和土层坍塌，具有 良好的预加固效果，在城市地铁、山岭隧道、软土隧道等复 杂工程地质环境中被国内外工程界广泛采用。
围岩土体的本构模型采用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑 性模型。
7
支护结构模拟
在数值模拟中，将管棚钢管作为简支梁处理，采用梁单元 进行模拟。
因为管棚末端部与孔口管焊接成整体，孔口管固定在钢拱 架周边，因此端部可以承受较大的弯矩和具有较大的竖向 抗力，可以将端部按固定支座考虑。
对于插入土体中的管棚部分，由于注浆，使得钢管与周围 岩体结合在一块，因此将梁单元的节点与周围岩体应力单 元位移协调，从而限制钢管空间内的平动自由度，但由于 钢管本身与周围加固体之间的刚度差异很大，因此将梁单 元的三个转动自由度不作约束。