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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。
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。
