1、隧道管棚超前支护,地下工程超前支护方法,超前支护技术是指在隧道开挖之前，通过向掌子面前方地层里注浆、冷冻、打入钢管、钢板、锚杆等技术措施在隧道横断面上形成一个拱形连续体，使其加固开挖面前方地层，同时利用其支撑力保持前方土体的稳定，减少地表沉降量的技术总称。 研究表明，围岩注浆加固可提高其强度和变形模量，从根本上改善围岩的变形规律， 前苏联的资料表明，砂岩在注浆后的强度可增加50%-70%，粉砂岩和泥质岩增加2-4倍，而岩石强度的增大可使支护荷载减少2/3 -4/5。,实践表明超前支护体系能够有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地层在稳定状态下开挖隧道。研究表明地面的整个沉降量的30%-40%和
2、地下地层的整个沉降量的40%-50%是在一般的支护开始发生作用之前发生的，超前支护对地面沉降有30-35%的抑制效果，对隧道顶上地层(拱顶)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地层对抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支护技术作为加固地层、稳定拱顶及掌子面、减少地表沉降的辅助施工工法，己经在地下工程施工中得到了广泛地应用。,根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响，可将超前支护分为地层改良法和预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法，这种方法包括注浆、土壤加固、排水和地层冻结等；预支护法就是在隧道开挖前，先超前对围岩进行加固，以增加围岩的自稳能力，并使开挖面周围
3、应力干扰达到最小的方法。超前支护方法主要包括：管棚法，机械预切糟法，预衬砌法，水平旋喷注浆法，超前小导管法，超前锚杆法、冻结法等等。其中管棚法、水平旋喷注浆法、小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层。,管棚注浆支护,就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚注浆是一种长距离超前支护方法，超前距离长，刚度较大，适用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高。如将管棚注浆与小导管补充注浆法结
4、合，除具有大管棚的特点外，能够防止管棚下方三角土体的塌落，这种长短结合的预支护效果更为理想。,管棚支护的主要作用和优点,（1）梁拱效应：先行施设的管棚，以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。 （2）加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的。 （3）环槽效应：掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围。 （4）确保施工安全：管棚支护刚
5、度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。,隧道超前支护法一览,根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响，可将超前支护分为地层改良法和预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法，这种方法包括注浆、土壤加固、排水和地层冻结等；预支护法就是在隧道开挖前，先超前对围岩进行加固，以增加围岩的自稳能力，并使开挖面周围应力干扰达到最小的方法。超前支护方法主要包括：管棚法，机械预切糟法，预衬砌法，水平旋喷注浆法，超前小导管法，超前锚杆法、冻结法等等。其中管棚法、水平旋喷注浆法、小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层。,管棚注浆支
6、护,就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚注浆是一种长距离超前支护方法，超前距离长，刚度较大，适用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高。如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合，除具有大管棚的特点外，能够防止管棚下方三角土体的塌落，这种长短结合的预支护效果更为理想。,管棚支护适用范围,根据国内外的施工实践，综合我国目前地下工程管棚支护应用的实际案例，管棚支护可适用于：软弱砂土质地层、砂
7、卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。,管棚支护的设计,管棚支护的设计参数主要包括：钢管直径、长度、间距、仰角、水平搭接长度、钢架间距、注浆参数等，当
8、需要增大钢管的强度和刚度时，可在管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充。我国铁路隧道施工规范规定：管棚用钢管直径宜为70-127mm；钢管中心间距宜为管径的2-3倍；管棚长度应根据地层情况选用，不宜小于10m；纵向两组管棚的搭接长度应大于3m。管棚支护参数可按工程类比法确定，并在施工中根据实际情况调整。,管径的选择,大部分工程的钢管直径在中50-180mm之间，有学者将管棚支护按管径分类为小管棚和大管棚，小管棚管径一般在30-50mm，大管棚管径介于89-159mm，工程中多用108mm的钢管，环向间距以不大于3-5倍管径为宜。管棚钢管的选择根据计算结果和技术经济因素分析，对于支护条件要求较高的松软
9、地层，应选取127mm钢管，土体凝聚力较高的粘性土，可选取89mm钢管，一般土层在多数情况下选取108mm钢管。,管棚钢管环向间距的确定,常规的沿隧道开挖轮廓线等间距设置管棚的方法是不科学的，应针对不同情况合理设计。钢拱架布置间距根据塌方体的松散与开挖难易程度及施工效果，可在40-80cm范围内调整选择，特殊情况下需加密。根据对工程实例的地质条件、工程断面尺寸、埋深等影响因素的总结和对比分析，得出以下经验结论，可用于地下工程支护的施工依据：,管棚钢管环向间距的确定,管棚钢管直径范围一般为70-180mm，我们可将管棚支护按管径分类为小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管径一般在3250mm范围内，多
10、采用管径为42mm的钢管，管长以3.5-5m为宜，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-1.5m。中管棚管径一般在50-89mm范围内，管长一般不超过20m，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-2m。大管棚一般可选用89-159mm的钢管，常用管径108mm，管长以不超过40m为宜，钢管一般分节长4m或6m，以丝扣连接，丝扣长不小于150mm，环向间距一般不大于3-5倍管径为宜。,外插角的合理确定,角度过小，将可能导致管棚远端下垂至隧道开挖幅员内影响后期施工；相反，角度过大，管棚离开挖幅员距离过大，管棚下方的三角土体坍塌给洞身开挖支护带来很大困难，还应根据管棚钻机工作室空
11、间大小，以及钻杆长度等情况综合考虑确定。小管棚外插角常取5-15，中管棚常取2-8，长管棚多取1-3。钢拱架支撑一般用工字钢，或工字钢与格栅钢架间隔使用，间距一般不大于1米，特殊情况下需加密。,管棚布置形式,管棚布置形式,管棚布置形式,管棚布置形式,门型布置,全周布置与上部一侧布置,管棚布置形式,管棚施工工艺流程,钻孔流程,注浆流程,成孔方法,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
12、差，会造成严重的后果。,钻孔方法,常规回转钻进硬质合金（刮刀、牙轮等）钻进； 常规风动潜孔锤钻进； ODEX法风动潜孔锤跟管钻进； 双动力头跟管钻进； 长螺旋跟管钻进； ,潜孔锤跟管钻进,“土星”跟管钻进法,孔锤通过焊在套钻头和潜管靴（3）内壁上的三个凸块（4）来控制中心。当偏心钻头向下伸出套管靴时，凸块处于控制潜孔锤位置，这时实现偏心扩孔钻进，套管同时跟进，当钻孔完成钻具往上提拉时，凸块位于控制钻头体位置，且有一凸块嵌入钻头体凹槽，偏心钻头即可进入套管并提出地表。,“海王星”跟管钻进法,“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
13、（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。,潜孔锤跟管钻具按钻头能否改变直径可分为两大类：即钻头变径跟管钻具和钻头不变径跟管钻具。钻头变径跟管钻具目前主要有单偏心变径跟管钻具、双（三）偏心变径跟管钻具和径向变径跟管钻具等结构。除单偏心变径跟管钻具属于偏心跟管外，其余结构的钻头变径跟管钻具由于钻头翼瓣在张敛的过程中沿钻具中心轴线是对称的，因此应属
14、于同心跟管钻具。钻头不变径跟管钻具均采用内外钻头结构，一般套管需要回转，此类钻具属同心跟管钻具。相对来说钻头变径跟管钻具使用的比例较大，约占市场使用的95%，这都是由它的结构特点所决定的。,钻头不变径跟管的主要缺点有,1、钻具在工作时，内外管同时回转，易造成内外管之间的环状间隙被岩粉堵塞或被大块岩屑卡住，造成内管反转失灵，内外管无法分离。这种方法需要大扭矩的回转钻机，能源消耗大，不利于环保； 2、由于钻头不变径跟管钻具的钻进是同口径进入，尤其是遇到漂石时，钻进将非常困难，即使钻孔成功，由于钻孔缩径，起拔套管也非常麻烦，甚至经常造成套管断裂等孔内事故。,吉林大学郑治川成果,三活瓣跟管钻具的组成,
15、钻头活瓣结构,钻头活瓣张开,钻头活瓣闭合,单偏心跟管钻头型,张开状态,单偏心跟管钻头型,该型钻头优点,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； 3.单偏心跟管钻头型的扭矩是通过在钻头体上设有一肾形的长圆孔和在偏心钻头上设有一肾形的长圆轴的配合来传递的； 4.易于实现较大的变径要求。,长螺旋跟管钻
16、进,管棚钻孔轨迹控制方法,管棚钢管钻孔一旦出现孔斜或超出设计允许偏差，会妨碍邻近钢管的钻设，造成洞体形状参差不齐，支护效果不好等结果；若钢管下沉到一定程度，开挖时还需要切除，造成间隔增大，易坍塌。为此，钻进时可采取中压给进、中等转速、中等循环液量钻进；钻孔平面误差径向应控制在20cm内，角度误差小于1以免因孔径过大而造成管棚钢管偏斜和向下弯曲。在实际施工中水平钻孔弯曲一般较难避免，因此除提高管棚定位精度外，可再给以适当的上抬量(根据现场地质情况定)，以补偿部分钻孔下垂量。,钢管的安装,管棚钢管在跟进过程中要派专人进行套接加长，管棚相接时，保证管棚中线在同一轴线上，顺丝拧紧，不应出现扭曲现象，并
17、确保连接头与管棚钢管丝扣紧密结合，不出现不同轴、偏心现象。考虑到钢管受力、结构整体及施工方便等因素，同一断面内的钢管接头数一般不大于50%，且相邻钢管的接头位置至少错开1m，常用的作法是将钢管按奇、偶编号，可确保钢管接头错开，钢管接头采用丝扣连接。钢管的分节长度一般为4m到6m，管壁加工梅花状透浆孔，管棚安装可采用人工或机械下管的方式。,钢管的安装,注 浆,管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果的优劣同样影响着整个管棚体系的施工质量。因此，注浆要根据地质情况选用合适的浆液、压力和合理的流量，在注浆过程中压力小则注不进，压力过大则会造成地面外鼓、崩裂，在城市浅埋地段对地面建筑物造成影响。注浆
18、时，一般采用先低压、中流量注入，注浆过程压力逐渐升高，注浆流量逐渐减少；当压力升至终压时，继续压注5min，再结束注浆。,注 浆,在设计给出浆液种类、预期注浆效果等条件下，为保证施工质量，在实际注浆施工前宜进行现场原位注入试验，确定最优注浆参数等来指导注浆，以保证注浆效果。为防止出现塌孔或注浆窜孔，可在钻孔时隔孔位钻孔，加大孔与孔之间的距离，待注浆完成凝固后再钻相连孔位，这样可有效保证钻孔和注浆质量，管棚和注浆混凝土形成厚拱，实现管棚纵向成梁、横向成拱的承载作用。,注 浆,为减少相邻管孔注浆间的相互影响，注浆顺序通常采用由下往上，左右对称进行；但由于塌体内有许多块石相互支架，致使塌体内空洞大而
19、多，这些空洞有的直接与塌空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固带无法形成，为此，根据经验采用间歇注浆法，即当长时间注浆压力上不来时，说明浆液顺空隙泄流至塌空区，这时将浆液凝结时间调整至30-50秒，注浆1-5分钟，停40秒，待原注入浆液初凝变稠后再注，如此反复，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。,管棚超前支护技术发展趋势,在目前的超前支护方法中, 主要有超前锚杆、超前小导管注浆和超前管棚。超前锚杆和超前小导管注浆具有施工便捷、技术易掌握、机械化配套程度要求不高等优点, 但支护长度小(仅3 5 m
20、) , 锚杆或小导管伸入工作面前端滑动线内距离短, 开挖循环进尺受限制, 一般在浅埋松散地层中循环进尺多控制在15 17 m , 循环次数增加, 工序交换频繁, 特别是在自稳能力极差的围岩中, 锚杆和导管前端仍在滑移面内, 起不到超前支撑保护的作用, 极易造成工作面失稳, 存在较大的安全隐患。因此，长管棚的应用越来越普遍。,长管棚超前支护施工技术的支护作用机理在于, 主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果, 一方面进行钻孔、下设钢管, 当钢管穿过松散软弱围岩、岩石(土) 等破坏区后, 伸入到原状土部位时, 有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定, 起到骨架、格栅作用; 另一方面通过注浆使浆液从钢花管
21、孔眼中压出,并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散、软弱的地层中, 从而形成复合稳定的固结体, 使周围地层的力学性质得到改变, 稳定性能得到加强, 可以防止土层坍塌和地表下沉。,意大利产管棚钻机,DDL-300型钻机,固体矿床的金刚石钻进，硬质合金钻进。同时也可以用于工程地质勘探钻进及基桩孔钻进。广泛应用于地质勘查，工程勘查，锚固护 ，旋喷注浆，管棚支护等工程施工作业。,隧道全液压履带管棚钻机-KR80412-3科莱（德国）,美国卡特彼勒3056DI-T水冷发动机，功率：114kW;工作重量：14.2吨(配200V钻架和KD1624凿岩机)，钻孔深度：水平30m,钻孔口径89-250mm,也可
22、用于锚索孔钻进施工。,超前管棚注浆施工案例,本合同段隧道浅埋类围岩段采用超前长管棚注浆支护，管棚采用108mm，壁厚4mm的钢管。管棚与钢拱架配合使用并从拱架腹部穿过。在拱架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔，外插角约3，以不侵入隧道开挖线越小越好，孔径比管棚钢管直径大2030mm，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。钢管前端加工成尖锥形，尾部焊接10加劲筋补强。钢管上入岩部分梅花形布置12mm注浆孔，注浆孔间距15cm。钢管方向与路线中线平行，纵向搭接长度大于1.5m。,隧道施工工艺流程,测量放样钻眼装药联线放炮通风清浮石仰拱装载机装矸（中心水沟挖掘机装矸）自卸汽车排矸施作系统锚杆喷射砼,1.主要工
23、艺流程,钻孔、安设注浆管在隧道开挖轮廓线以外现浇C25混凝土护拱，搭设钻机平台，用工程水平钻机钻孔，达到设计深度后扫孔，安装注浆管，并在孔口1.5m2.5m处安设与钻孔直径相同的橡胶套，用水泥砂浆封闭孔口，防止浆液沿注浆管与钻孔壁的缝隙挤出。采用钻注的顺序进行施工。,1.主要工艺流程,配浆及注浆用超细水泥配制注浆液，采用后退式分段注浆，关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，试验压力等于注浆终压，如有漏水及时检修。注浆时采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐步减小，当压力升至终压时，继续压注5min 再结束注浆。注浆孔在注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆填充，以增
24、强管棚的刚度和强度。,1. 主要工艺流程,注浆结束标准每段注浆施工正常，注浆压力达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%及以上，或虽未达到设计终压，但注浆量已达设计注浆量，即可结束单孔注浆，设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注水试验地层吸水率0.05L/min，粘土固结强度大于0.4Mpa时即可结束全段注浆。,2、超前小导管注浆施工,超前小导管采用42mm，壁厚3.5mm的无缝钢管。钢管上入岩部分梅花形布置6mm注浆孔，注浆孔间距12cm。导管前端加工成尖锥形，尾部焊接6.5加劲筋补强。注浆机选用液压注浆机。施工时，先用仪器测量放线，画出开挖外轮廓线，定出小导管中心线位置。导管采用
25、钻孔施工时，孔眼深度应大于导管长度；采用锤击或钻机顶入时，其顶入长度不小于管长的90%。注浆采用液压注浆机。注浆前应喷射混凝土封闭作业面，防止漏浆，喷层厚度不小于5cm。导管注浆时，尾部应设封堵塞，当灌注水泥浆时，应在封堵塞上设注浆孔和排气孔。注浆时，排气孔出浆后应立即停止注浆。,3、锚杆施工,1）22砂浆超前锚杆锚杆钻孔前根据设计要求和围岩情况，定出孔位，作出标记。钻孔做到圆而直，其孔径和孔深符合设计要求，孔内积水和岩粉应吹洗干净；锚杆孔口岩面应整平，并使岩面与钻孔方向垂直，如不垂直，安装锚杆时可用特制垫板调整，使托板密贴岩面。锚杆施工预张拉力时，预张拉力值宜为锚固力的50%80%，安装后要
26、定时检查，发现松动及时紧固。 2）D25中空注浆锚杆各类围岩锚杆采用D25中空注浆系统锚杆，锚杆长度为3.03.5m，梅花型布置。采用风钻钻孔，钻至规定深度后，用高压风吹孔，打入锚杆，然后用注浆泵由锚杆中孔向孔底灌满砂浆，安装垫板螺栓。,锚杆施工要点及注意事项,孔位按设计布置，偏差小于10cm，孔深误差10cm。钻孔直径大于锚杆直径15mm。锚杆插入长度不小于设计长度。 钻孔本身成直线，不弯曲。方向沿隧道周边径向，但不平行于岩面。 施作锚杆时，同时预埋格栅钢架的定位锚杆。锚杆插入后不得随意敲击，三天内不准悬挂重物。,锚杆施工要点及注意事项,灌孔前清孔，顺锚杆孔用高压风清除孔内积水、岩粉、碎屑等
27、杂物。 注浆使用灌浆罐和注浆管，孔口压力小于0.4MPa。顺着锚杆孔注浆，直到孔口有浆液流出为止。砂浆随备随用，在砂浆初凝前使用完每100根锚杆随机抽样三根，作拉拔试验，以了解锚杆的锚固质量。,4、钢筋网施工,各类围岩均布置钢筋网。钢筋网采用6圆钢，间距为5 cm15cm，钢筋网在现场单根安装。钢筋网与锚杆联接牢固，随着喷面的起伏铺设。钢筋网之间及与已喷砼段的钢筋网搭接牢固，且搭接长度不小于200mm。钢筋网需挂靠牢固，在喷射混凝土时钢筋网不得晃动。,5、喷射(湿喷)混凝土施工,A、喷射砼配合比设计原则 选择喷射砼的配合比，既要考虑砼强度和其它物理力学性能的要求，又要考虑喷射工艺的要求。水泥、
28、砂、石子及各种外加剂必须符合设计和规范要求。设计步骤：确定骨料的最大粒径和砂率确定水泥用量确定水灰比及用水量确定砂、石用量试喷调整、确定施工配合比。,5、喷射(湿喷)混凝土施工,B、喷射工艺流程： 原材料检查：对使用的各种原材料进行质量检查，合格后方能使用。 机械设备检查：对机械进行技术检查，对水、风、电路进行试通检查，合格后方可运转。 施工现场检查：检查受喷面，清除危岩浮土，用高压风吹扫岩面，埋设厚度标志。,5、喷射(湿喷)混凝土施工,C、喷射砼顺序 喷射砼顺序:垂直方向为自下而上，水平方向从左到右或从右到左，并呈螺旋轨迹运动，一圈压半圈，纵向按顺序进行，旋转半径一般为15cm，每次蛇行长度
29、为34m。岩面不平时，应先喷凹处找平。喷射砼时，其喷射砼速度不宜太慢或太快，适时加以调整。,5、喷射(湿喷)混凝土施工,D、喷射质量检查 按规范检查喷射表面，是否有松动、开裂、下坠、滑移等现象，如有及时清除重喷。 喷体达一定强度后可用锤击听声，对空鼓脱壳处及时进行处理。钻眼量测，厚度不够处补喷。及时测定回弹率和实际配合比，以指导下步施工。对喷体试件进行力学试验。,隧道管棚施工工序图片详解,超前小导管与管棚的区别:超前小导管的处理范围一般也就6米左右，小导管为壁厚5mm的钢管，直径一般为42mm。是通过小导管注浆将掌子面前方的较为破碎的围岩进行固结的一种方法，使围岩形成一个整体后再进行下一步工序
30、。而管棚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。当然洞内地质条件非常差的时候也可以用管棚（如：洞内遇到冒顶现象造成的沿洞轴线长度较大，放量较大）。,1.利用工字钢套拱拱架安装套拱中导向管：,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，
31、及小导管布置范围：,附实例： 公路隧道洞133超前预支护长大管棚施工技术,内容,1 前言 2 方案比选 3 方案特点 4 施工工艺流程及操作要点 5 主要结论和创新点 6 经济效益分析及推广应用前景,1 前言,施工背景 根据地质钻探SGZK-NYSSD-6钻孔资料和连续超前地质预报表明，南阳山隧道SK50+477435.5段洞身穿越泥岩及砂砾交界地层。拱顶泥岩层围岩节理发育，岩性软弱，厚度0.62.0m不等，泥岩之上的砂砾层厚度22m左右，砂砾层主要由砾石及砂粒组成，砾石含量55%左右，钻孔岩芯采取率低，岩芯呈散体状，砂砾岩胶结较差，砂砾层松散、富水。施工中泥岩层渗水，遇水软化，产生收敛变形，
32、局部可能出现线状水流、涌水现象，隧道洞室开挖若拱顶揭穿该层极易产生冒顶塌方现象，围岩稳定性极差。为规避隧道施工风险，保证隧道安全施工，寻求安全、经济、合理超前预支护方案穿越松散砂砾地层。,1 前言,研究意义 随着高速公路建设的快速发展，公路隧道的修建里程也随之增加，与此同时，隧道穿越软弱破碎、松散、整体性较差围岩施工中面临的技术问题、技术难题也日渐突出，特别是在通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地层，施工难度大，施工风险较高，安全性差。因此选择合理的施工方案和支护参数，有效地控制施工引起地表沉降，保证地层安全稳定，尽量减少对周围建筑物或环境的影响，保证围岩软弱和浅埋地段等不良地质条件下隧道的
33、安全施工是亟需解决技术难题。,2 方案比选,预支护方案对比选择隧道施工中顺利通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地层的预支护方法众多，常规施工方法有超前小导管、超前锚杆、钻孔注浆等预支护体系,但支护效果在减少对周围建筑物的影响、有效保证地层安全稳定性、控制地表沉降、支护体系自身承载能力等方面不尽相同。,2 方案比选,超前锚杆或超前小导管 超前锚杆或超前小导管，施工方法为沿隧道开挖轮廓线拱圈外纵向以一定外插角向前方打入锚杆或小导管，以撑托拱部以上临空围岩，起插板作用，通过锚杆或导管注浆固结一定范围围岩，提高围岩自承能力，提高围岩稳定性。可与格栅钢架、混凝土共同组成预支护系统，具有类似管棚的支护作
34、用，但一次超前预支护一般为13m，加固洞壁范围围岩有限，预支护能力较弱。,2 方案比选,超前钻孔注浆超前钻孔注浆预加固地层是把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具设备压入所需加固的地层中，经过凝胶硬化作用后充填和堵塞地层中缝隙，减小注浆区地层渗水系数及隧道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱和松散岩体，注浆孔深一般在1530m。使围岩强度和自稳能力得到提高，在加固地层、封堵水源方面效果较佳，但固结围岩自承能力有限。,2 方案比选,管棚管棚超前支护的基本工作原理是在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，并通过钢管向松散岩层内压注水泥浆液，固结管棚周边的围岩，改善
35、松散破碎岩层的物理力学性质。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；浆液固结后的围岩和钢管共同组成了一个固结圈，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，有效提高围岩的承载力及自稳能力，减小围岩的变形，提前承受早期围岩压力，起到超前支护的作用，以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形。同时，隧道开挖后与钢架一起共同组成刚度较大的预支护结构。,2 方案比选,通过以上施工方案对比分析，隧道在穿越松散砂砾层时，通过注浆改善松散破碎岩层的物理力学性质，在拟开挖段上方形成具有较强承载能力的整体排架式加固拱圈，能阻止和限制围岩变形，要求预支护体系自身能提前承受早期围岩压力，起到
36、超前支护的作用，保证隧道施工安全，采用管棚法较为安全和合理。,2 方案比选,管棚管径选择一般洞口工程选择89mm或108mm管径钢管，但必须根据隧道穿越地层围岩状况、施工位置、管棚自身承载能力、穿越能力、施工安全和工期要求等特设条件，选择钢管直径。南阳山隧道穿越砂砾地层段落地处洞内，洞身所穿越地层为松散、富水砂砾层，砂砾层无任何自承能力，要求管棚自身受力能力要强，加之施工位置特殊，工期要求较紧，管棚自身受力能力必须保证隧道安全施工，最终选择133mm长大管棚。,3 方案特点,大管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑,构成纵、横整体,刚度较大,能阻止和限制围岩变形,并能提前承受早期围
37、岩压力，施工安全可靠。 大管棚一次超前量较大,支护过程中搭接较少,节省材料。亦可减少安装钢管次数,并减少与开挖作业之间的干扰,适用于大中型机械进行大断面开挖。 与其它支护方法相比，管棚支护技术机具简单及工艺简单，工期短、效率高，支护效果好，经济和社会效益明显。 大管棚施工可预知管棚范围内复杂围岩的准确情况,对随后的注浆、开挖提供第一手地质资料,有利于施工方案的确定。,3 方案特点,大管棚支护示意图,4 施工工艺流程及操作要点,施工工艺流程 施工技术准备 施工材料设备准备 管棚工作室制作 搭设操作平台 测量定位 钻机就位 管棚加工 钻孔与清孔 管棚安装 浆液制备与注浆 隧道开挖 隧道监控量测,施
38、工工艺流程,4 施工工艺流程及操作要点,施工技术准备管棚采用直径133mm无缝钢管，壁厚大于6mm ,管棚环向间距35cm，管棚采用分段制作，丝扣连接,每节长度为35m。隧道断面拱部150范围内布置管棚，每环管棚51根，根据隧道穿越砂砾层长度分两个循环施作超前大管棚。第一循环管棚布置在SK50+483m掌子面上，管棚长度为18m，外插角58（如图一）；第二循环管棚布置在SK50+468m处掌子面上，管棚长度为37.5m，外插角13（如图二）。第一环管棚与第二环管棚搭接长度3m，第二环管棚穿越砂砾层后，伸入泥岩层5m（如图三）。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工
39、艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,施工材料设备准备 制作管棚工作室的同时，将施工所需空压机、潜孔钻机、钻机液压系统、管棚加工车床、钻机平台机架及管棚钢管准备到位。检查、调试、安装各种机械设备，保证机具施工过程运转正常。将133mm、127mm无缝钢管进场，对无缝管外观质量、壁厚等进行验收，保证合格材料进场，并进行管棚钢管、连接钢管的车丝和加工。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,管棚工作室制作隧道洞口进行管棚施工时，须采用套拱作为管棚导向墙。明洞开挖至明暗交接处时，预留管棚施工平台，为保证棚打设精度，一般明洞衬砌外缘设计管棚导向套拱。而隧道洞内施作管棚较洞外复
40、杂，为保证管棚施工安全，根据超前地质预报资料，准确判断隧道穿越砂砾层桩号及段落，隧道开挖未进入砂砾层之前必须完成隧道扩挖，完成管棚工作室制作。同时保证管棚工作室段落支护结构安全，对管棚工作室布点进行监控量测。根据管棚钻机长度、高度、管棚施作角度等提前扩挖隧道断面，形成管棚工作室，工作室长度和高度必须满足管棚施工占用空间和搭设管棚施工平台要求，空间过小影响管棚角度，从而影响管棚施工质量。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,搭设操作平台根据管棚工作室与管棚施工掌子面距离，将管棚工作平台及支架搭设完成,将钻机导梁固定于支架上,通过调整支撑杆来调整导梁的倾角,满足管棚设计倾角需要
41、。再将钻机固定于导梁上,工作平台搭建和安装必须牢固、稳定，保证施工过程安全，防止施工中钻机振动过大发生偏移和倾斜，影响管棚钻孔角度。,4 施工工艺流程及操作要点,操作平台,4 施工工艺流程及操作要点,测量定位洞内管棚一般无管棚导向墙,不规则断面管棚施钻点放样较为困难，采用全站仪免棱镜三维坐标进行管棚钻点放样，先在孔口附近测量任意点三维坐标，根据测点桩号与理论钻点桩号差、测点与中线偏距、理论钻点与中线偏距、管棚外插角的水平分角、竖直分角等，计算出实际掌子面放样点的三维坐标，进行管棚施工放样，解决了不规则断面管棚钻点定位难题，大大提高放样速度和放样准确度。现场实地放样每根管棚的具体位置,采用水泥钉
42、作准确标记，并用醒目的油漆对空口位置作明显标识，对管棚位置进行编号。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,钻机就位钻机就位时根据施工放样准确位置安装和固定钻机，并严格进行机位调整。H型钢轨找平误差3mm，底盘对角线误差3mm，四柱对角误差5mm。 采用三维空间控制钻机就位和钻孔，保证管棚打入角度精度。钻机入孔的方位角及倾角必须根据测量数据严格控制，保证打入管棚角度符合要求，钻杆前端准确就位于测量放样点位，钻机后端根据三维坐标测量数据严格调整水平分角和竖直分角，保证钻孔角度符合要求。为避免钻杆及钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象, 钻孔角度可根据地质条件和钻孔情况
43、作适当调整, 并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,管棚加工管棚钢管采用133mm无缝钢管，分段管棚长度应为3的倍数较合适，可以减少材料浪费。管棚钢管加工成每节长为3.05.0m之间，管口丝扣车深度为6cm母扣，管体每0.5m梅花状设注浆孔，孔径大小1.0cm，连接管采用1278mm无缝钢管，公扣长12cm。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,钻孔与清孔根据管棚穿越泥岩及砂砾层地质条件，泥岩层含水量较大、粘性强，无水干钻法容易出现抱钻现象，而砂砾层富水、松散，成孔难度大，钻孔过程易出现塌孔、卡钻现象，采用先成孔后送管方
44、式，虽工艺简单，但钻孔过程存在塌孔现象，送管困难，根据特殊地层条件，钻孔中需解决抱钻、塌孔、卡钻等难题，成孔后需解决送管过程钢管与孔壁摩阻力大难题，且一次送管长度达到37.5m，最终采用国内较为先进的潜孔锤冲击跟管钻进施工工艺成孔和送管。,4 施工工艺流程及操作要点,钻进时潜孔冲击器震动冲击中心钻头，中心钻头传递冲击给管棚钻头并带动管棚钢管钻头转动钻进，每根管棚之间靠螺纹连接到钻孔所需的长度，管棚与回转动力头无连接。冲击器与内钻杆联接，内钻杆联接到钻孔所需的长度通过连接头的内螺纹与回转动力头连接，回转动力头通过连接头传递扭矩给管棚和钻杆，钻进时的排渣通过管棚和内钻杆的间隙排出，当钻进到所需长度
45、时，反向旋转内钻杆90度即可将中心钻头与管棚钻头分离，将内钻杆全部取出孔外，即可将管棚留在孔内。,4 施工工艺流程及操作要点,采用跟管钻进施工方案的同时，为保证133大管径钢管顺利穿越松散砂砾地层,送管长度符合要求，采用水泥浆液护壁钻孔，水泥浆液对孔壁取润滑作用，减小钻进过程钢管与孔壁摩阻力，浆液渗入围岩能起到固结作用，提高围岩稳定性和整体性，进一步减少钻孔过程易塌孔、卡钻现象，解决了砂砾层中普通钻孔工艺成孔困难难题。,4 施工工艺流程及操作要点,潜孔垂钻头,4 施工工艺流程及操作要点,跟管钻进示意,4 施工工艺流程及操作要点,管棚安装安装每节钢管前必须进行质量检查，管材不得有弯曲，丝扣四周壁
46、厚均匀，丝扣完好，管材内的铁屑、杂物及锈皮等必须清除干净。钻进中，每次加尺时要观察丝扣连接是否紧密，如果松动和间隙，将丝扣拧紧并进行焊接，保证跟管钻进过程不掉管。完成管棚钻孔和送管工作后，应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。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,浆液制备与注浆 浆液制备提高注浆效果，注浆浆液采用水泥水玻璃浆液，水玻璃掺量为水泥重量5，水泥浆液水灰比采用1:1；水玻璃浓度35波美度，模数为2.4。制备浆液加水的同时，将水玻璃按一定比例加入搅拌筒，让水玻璃充分溶解，再加入水泥，搅拌时间23min。配置好的浆液存放于低速搅拌器的储
47、浆罐内，防止浆液随存放时间产生沉淀、离析现象。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,注浆前先检查管路畅通和机械运转状况, 确认机械正常后进行浆液各项检验指标试验, 确定合理的注浆参数；注浆前掌子面必须先素喷一层混凝土作为止浆墙, 对掌子面进行封闭，确保 注浆过程不漏浆；管棚注浆方式采用间歇式注浆，即一机两孔换孔注浆。间歇时间不能大于1.5小时，让浆液有一定的凝固时间，防止连续注浆过程浆液无限制扩散。注浆顺序为先低孔后高孔，先注无水孔后注有水孔，从两拱脚向拱顶对称进行。注浆标准为单管注浆量达到设计值或注浆压力达到终压并稳压20分钟以上，孔内不再进浆，方可停止注浆。,4 施工工
48、艺流程及操作要点,注浆结束后及时封闭止浆阀，注浆过程中检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象, 如发生串浆,应立即停止该孔注浆，采用间歇式注浆封堵串浆口,间隔一孔或数孔注浆，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；注浆过程应派专人负责填写注浆记录表，记录注浆时间、浆液量、注浆压力等数据, 观察压力表值。,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,注浆及浆液扩散示意图,4 施工工艺流程及操作要点,隧道开挖待管棚注浆达到一定强度,可开始进行隧道开挖,开挖时根据围岩地质状况决定开挖方式、开
49、挖进尺及具体施工方案。南阳山隧道因管棚区穿越松散砂砾层，采用预留核心土上中下微台阶法开挖施工，预留变形量15cm，上中下台阶高分别按3m、2.5m、2.8m进行，每循环开挖进尺按50100cm控制，初期支护紧跟开挖完成，及时将仰拱封闭成环，组织二次衬砌施工。施工中，加强监控量测工作。,4 施工工艺流程及操作要点,隧道开挖,4 施工工艺流程及操作要点,隧道监控量测根据康临高速公路KL6合同段南阳山隧道监控量测实施方案，对SK50+460断面从开挖初期支护完成至二衬封闭进行了全过程测量。SK50+460断面共埋设7个测点，分别位于拱顶中心布置的A点，起拱线以上垂直距离3m拱腰处B、C点，起拱线处D、E点及下导坑路面标高以上1.0m处F、G点。,4 施工工艺流程及操作要点,监控量测布点示意图,4 施工工艺流程及操作要点,监控量测测点示意图,4 施工工艺流程及操作要点,4 施工工艺流程及操作要点,隧道监控量测拱部沉降曲线图表分析,
