大管棚超前支护技术在龙头山隧道洞口浅埋段主洞施工中的应用_secret

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工程概况

xx隧道是目前国内第一座分离式双向八车道高速公路隧道（特大断面隧道）。xx隧道单洞总长 2012 米 ，净宽 2 × 18 米 ；隧道 ( 左线长 1010m ，右线长 1002m ) 最大埋深 98m ，最大开挖跨度 20.7m 。隧道施工采用双侧壁导坑开挖技术。

隧道洞口处主要为坡残积土及全 - 强风化花岗岩，结构松散，不稳定，土黄色、硬塑 ~ 半坚硬，含 15 ～ 20% 石英砂岩，可见原岩结构，偶含少量风化碎石块。

• 大管棚超前支护的必要性及相关的工作原理

由于隧道断面大，洞口处岩体风化十分严重，土体松散，所以洞口开挖面极易发生坍塌，施工进洞困难。采用大管棚结合小导管对洞口段堆积体进行注浆固结然后再开挖，这样可以有效保证洞口边仰坡安全，而且使开挖部位形成棚幕和一层壳体，从而大大增加了进洞施工的安全性，确保顺利进洞。

超前支护的基本工作原理是在待开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内，环向按照一定的间距超前打入钢管，并在钢管内进行压力注浆。环向钢管形成棚架，为开挖及初期支护作业提供了安全保障；浆液固结后钢管和围岩之间组成了一个共同的固结圈，从而在隧道的纵向和横向分别形成一个刚度较大的梁结构和拱结构。这个结构能有效提高围岩的承载力及自稳能力，减小围岩的变形；同时，隧道开挖后与钢架一起共同组成刚度较大的支护结构，以抵挡隧道开挖后产生的围岩

压力和变形。

• 大管棚超前支护设计 3.1 大管棚设计参数

（ 1 ）钢管规格：采用Φ 108mm 壁厚 6mm 的热轧无缝钢管，长 40m 。钢花管内设置钢筋笼，钢筋笼主筋 4 Φ 25 ，采用Φ 42 钢环（壁厚 3mm ）作固定环，固定环节长 5cm ，与钢筋笼主筋焊接，如下图所示；

（ 2 ）管距：环向间距为 40cm ；外插角： 1 °～ 3 °； （ 3 ）同一环管棚中接头的位置应相互错开不小于 1m ，管棚节长度为 6m + 6m + 6m + 6m + 6m + 6m + 4m 或 4m + 6m + 6m + 6m + 6m + 6m + 6m 。

（ 4 ）施工时应先打编号为单号的钢花管，注浆后再打编号为双号的钢花管。编号为双号的钢花管可作为注浆质量的检查管，若单号钢花管注浆有不密实之处，应在双号钢花管中注浆填实。

3.2 管棚浆液参数

（ 1 ）注浆材料及配合比：注浆浆液采用 M30 水泥浆，水灰比为 1:1 ；

（ 2 ）注浆压力： 2 ～ 2.5MPa ； （ 3 ）浆液扩散半径：不小于 0.5m ； 3.3 大管棚超前支护与小导管的结合

为了使大管棚超前支护更好的发挥作用，在管棚支护的同时结合了小导管（见导向墙施工图）。具体为：第一环长管棚范围内不设注浆小导管，但小导管与长管棚至少有 100cm 的搭接长度；注浆导管分两排，第一排长 500cm ，外插角为 6 °；第二排长 450cm ，外插角为 15 °；搭接长度不小于 100cm ；注浆导管四周采用混凝土封孔，封孔深度为 20cm ；注浆材料为 M30 水泥浆液，水灰比为 1 ： 1 ，注浆压力为 0.5 ～ 1.0MPa 。 • 大管棚的施工及相关的技术要求 大管棚简要的施工工艺流程如图：

4.1 施工前的准备工作 4.1.1 疏排水源

疏导洞身附近的水源，砌筑顶沟；增设环型截水沟，拦截地表水；建立枝状排水系统，使地表水尽快顺畅地排出洞口不稳定范围。 4.1.2 导向墙施作

导向墙对于控制钢管的钻孔方向至关重要 , 同时也可兼作止浆墙。导向墙的厚度为 90cm ，材料采用 C20 的钢筋混凝土，其中按设计钻孔位置预埋Φ 127mm 壁厚 5.5mm 的导向钢管 , 并将孔口预埋一定的上抬量。具体的施工图如下：

4.1.3 钢花管制作

钢花管按照设计要求制作，管头加工成锥形以便送入，为确保接头质量，以长 15cm 的丝扣连接，或在端头连接处采用一根长 1.0m 的Φ 100 钢管，伸入Φ 108 钢管中 40cm ，在端部用电焊将管之间焊缝焊满，剩余 60cm 用作送入前一根钢管的尾部，并用电焊焊满，起连接和导向的作用。为防止浆液倒流，每根管棚尾部均焊接有止浆板，止浆板采用 2cm 厚钢板制作，中间钻有Φ 20 带罗纹的眼，以备注浆时用。 4.2 管棚的施作

4.2.1 测量放样、钻机定位

测量放样出隧道设计轮廓线并按 40cm 的间距标出管棚的位置。将钻机移动并定位至标定位置。 4.2.2 钻孔

使用顶驱液动锤按设计角度 1 °～ 2 °，把套管与钻杆同时同步冲击回转钻入岩土层内至设计度。套管与钻具同时跟进，产生护孔功能，避免内钻杆在提出孔后产生塌孔或涌水事故，提供临时护孔，方便往孔内插管注浆。

钻孔要求精度高，终孔位置准确，各开孔的孔眼与终孔的孔眼落在同一周界面上，避免产生较大的偏差和变形。同时要确保钻孔的同轴度，以避免管棚送入时受卡。 4.2.3 清孔

钻孔完结后，先把套管内孔注水清洗洁净后，才把钻杆取出。套管仍保留在孔内供护孔作用。 4.2.4 顶进钢管棚

把按设计要求加工好的钢花管顶入套管内，接头采用 15cm 长的厚壁管箍，上满丝扣；并把钢管轻轻打入岩土地内，以固定钢管不易滑出孔口。钢管插进完毕后，取出套管，钻进其它孔眼。套管取出时，冒落的岩土会于孔内压紧钢管。钢管口与孔口周壁用水泥密封。 当管棚安装完毕后，用小木楔在钢管与围岩壁楔紧，再用防水胶泥（锚固剂）将空隙封闭住。 4.2.5 再次清孔并插入钢筋笼

再次清孔并将钢筋笼插入钢花管内，使之与钢花管成为一体。 4.3 注浆

利用浆液的渗透作用和压密作用将周围岩体预先加固并封堵围岩的裂隙水，这样既能起到超前预支护的作用，同时也加强了管棚的强度

和刚度。 4.3.1 工艺流程

4.3.2 注浆的技术要求

（ 1 ）注浆时一般总是先注无水孔，后注有水孔。在无水地段可从拱脚起顺序注浆。注浆速度根据注浆孔出水量大小而定，一般从快到慢。注浆结束时将闸阀关闭，卸下进浆管，进入下一循环。 （ 2 ）注浆结束的标准：①注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆 10min 以上；②进浆量一般为 20 ～ 30L/min 。注浆结束后用 10 号水泥砂浆充填管棚钢管，增强钢管的强度和刚度。 （ 3 ）时刻注意观察注浆管周围防水胶泥变化情况，防止浆液压力增加时将其冲裂。

（ 4 ）注浆过程中随时检查孔口、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，可能发生堵管，应停机检查。 • 效果评价

（ 1 ）对注浆加固区进行钻芯取样，浆液的填充情况基本良好。 （ 2 ）开挖过程中进行掌子面观察，没有发现大量涌水出现。 （ 3 ）对洞口段的收敛变形、拱顶下沉、边坡位移、拱圈位移、接触压力、锚杆受力、钢拱架及钢筋应力等方面进行了全面的监测。 监测结果表明：布设监测点的断面基本处于稳定状态，能够满足设计和规范要求；只有个别断面处于不稳定状态，表现为不均匀沉降，经过施工单位的及时补救使断面后来的监测数据基本趋于稳定。 • 结语

工程实践证明，大管棚施工方法在xx隧道洞口开挖中的应用是成功的。大管棚工法的梁效应和固结效应，既能阻止松散围岩的坍塌又能有效控制沉降，为隧道洞身的安全、顺利通过创造了条件。