趙杰斐 趙亞彬

（漢中市水利水電建筑勘測設(shè)計(jì)院 陜西漢中 723000）

1 管棚法超前支護(hù)技術(shù)簡介

管棚法超前支護(hù)也叫管棚法或傘拱法，管棚是為防止在隧洞開挖時(shí)引起地表下沉或圍巖松動(dòng)，在開挖掘進(jìn)前沿開挖工作面的上半斷面周邊按設(shè)計(jì)打入厚壁鋼管，在地層中構(gòu)筑的臨時(shí)承載棚防護(hù)下，為安全開挖預(yù)先提供增強(qiáng)地層承載力的臨時(shí)支護(hù)方法。

2 工程實(shí)例

2.1 總體施工方案

兩河村水電站輸水隧洞采用城門洞形斷面，為無壓隧洞。隧洞斷面設(shè)計(jì)凈尺寸為3m（寬）×4.3m（高）。根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，隧洞圍巖巖性為泥盆系中統(tǒng)微風(fēng)化～新鮮的大理巖夾千枚巖，片理產(chǎn)狀變化較大，走向與洞線夾角總體較小，對(duì)圍巖穩(wěn)定有一定不利影響，但片理傾角較陡，片理面結(jié)構(gòu)較緊密，裂隙多閉合，總體圍巖基本穩(wěn)定，圍巖類別為Ⅱ類，圍巖堅(jiān)固系數(shù)（f）為6～8。洞身段地下水位較高，一般均高于設(shè)計(jì)隧洞，但由于隧洞埋藏較深，裂隙不發(fā)育，或裂隙多閉合，巖體透水性較差，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模滲水現(xiàn)象。局部遇裂隙密集帶或斷層破碎帶，圍巖穩(wěn)定性差，屬于Ⅲ～Ⅳ類（局部穩(wěn)定性差～不穩(wěn)定）圍巖，且會(huì)出現(xiàn)較大滲水，需采取相應(yīng)的工程處理措施。在施工過程中，針對(duì)圍巖破碎，裂隙較多，不易成洞的不良地質(zhì)段，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，采用管棚法施工，管棚支護(hù)完成后再進(jìn)行洞室開挖，排險(xiǎn)出渣后及時(shí)采用I18工字鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，并掛鋼筋網(wǎng)片，噴射C20細(xì)石混凝土。為保證隧洞幾何尺寸，開挖斷面尺寸為3.8m（寬）×4.6m（高）。為確保隧洞開挖安全作業(yè)，設(shè)計(jì)管棚每節(jié)長3m，每榀鋼拱架拱圈處環(huán)向間距30cm布置15根φ50mm無縫鋼管；鋼拱架間距80cm并掛20cm×20cm的φ10mm鋼筋網(wǎng)片，每兩榀拱架之間環(huán)向間距80cm布置15根φ25鋼筋作為連接筋，完成后噴射20cm厚C20細(xì)石混凝土。

2.2 管棚施工方法

2.2.1 洞身管棚施工

施工時(shí)，在每榀鋼拱架拱角以上范圍采用φ50無縫鋼管（壁厚3mm）超前管棚支護(hù)輔助施工，環(huán)向共設(shè)15根，每跟鋼管長度3m，環(huán)向間距0.3m，外插角2～3°。套拱在隧洞開挖輪廓線以外施作。

（1）管棚施工工藝流程

圖1

（2）施工工藝

①測量放樣

根據(jù)隧洞進(jìn)口布設(shè)的三角導(dǎo)線網(wǎng)，用全站儀采用坐標(biāo)放樣進(jìn)行管棚起始中心點(diǎn)放樣。并在垂直于軸線兩側(cè)邊線上各放樣兩個(gè)邊線控制樁，以便隨時(shí)校核軸線點(diǎn)并檢查方向的正確性，然后在起始端安裝兩榀I18工字鋼以作定位，測設(shè)拱頂部位每根導(dǎo)管中心線方向，并用記號(hào)筆標(biāo)記于鋼拱架上，作為導(dǎo)向控制。

②工字鋼安裝

為保證管棚結(jié)構(gòu)剛度，布設(shè)兩榀I18工字鋼，間距80cm。工字鋼拱圈半徑為1.678m（內(nèi)徑）。每榀鋼架共分為三個(gè)單元，必須保證鋼架中每節(jié)的尺寸與弧度都滿足設(shè)計(jì)要求，工字鋼的各單元需通過連接板進(jìn)行焊接，并使用螺栓連接牢靠，連接板必須緊密貼合，每節(jié)鋼架的兩端需焊連接板進(jìn)行加固，鋼架加工好后，需要進(jìn)行試拼并檢查，每榀鋼架各端總共需要8套螺栓和螺母。鋼架的下端需安放在穩(wěn)固的地層上，拱腳高度需低于上部設(shè)計(jì)開挖底線以下15～20cm。安裝鋼架時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的中線和水平位置進(jìn)行架設(shè)，安裝尺寸允許偏差范圍：橫向?yàn)?～+5cm，垂直度±2°噴護(hù)混凝土厚度為20cm，噴護(hù)混凝土?xí)r鋼架必須全部被混凝土覆蓋，鋼架保護(hù)層厚度不應(yīng)小于20mm。每榀鋼拱架兩側(cè)立桿增設(shè)長3m的φ25mm鎖腳錨桿8根；并在環(huán)形斷面布設(shè)20cm×20cm的φ10mm鋼筋網(wǎng)片，與鋼拱架焊接牢固，為保證網(wǎng)片的強(qiáng)度，焊接網(wǎng)片時(shí)每相鄰兩榀拱架環(huán)向間隔80cm焊接一道φ25mm的連接鋼筋，即每相鄰兩榀拱架焊接φ25mm連接鋼筋15根。拱腳開挖超深時(shí)，加設(shè)鋼板或混凝土墊塊。

③管棚的加工

a.成孔后要立即消孔并下管，以免因坍孔造成孔內(nèi)堵塞而無法順利安裝。

b.管棚直徑為φ50mm無縫鋼管，壁厚3mm，單根長度為3.0m。鋼管在同一截面的接頭數(shù)不得超過總管數(shù)的50%。

c.管棚在安裝前用高壓空氣對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行掃孔、清孔，清除孔內(nèi)浮渣，確?？讖剑讖讲坏眯∮?0mm）、孔深符合要求，防止堵孔。管棚采用頂進(jìn)法安裝。

④管棚鉆孔

a.鉆孔參數(shù)：

A．鉆孔直徑：50mm。

B．鉆孔平面誤差：不大于10cm。

b.鉆孔時(shí)的孔斜測定措施：

A．鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào)。

B．嚴(yán)格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧洞開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

C．扶正器扶正鉆具。

D．水準(zhǔn)儀根據(jù)高差調(diào)整角度。

c.掃孔

用φ30mm巖芯管進(jìn)行掃孔，目的是清除孔內(nèi)巖碴和順通孔道。巖芯管長度不小于3m為宜。如遇下管困難，需連續(xù)掃孔幾次，同時(shí)借助高壓空氣吹洗，直到孔內(nèi)清掃干凈。

d.下管：

A.管棚施工參數(shù)

鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管φ50mm，壁厚3mm，節(jié)長3m。

管距：環(huán)向間距30cm

外插角：2～3°（不包括線路縱坡）沿拱架頂拱環(huán)向布設(shè)。

B.下管

當(dāng)孔壁不易坍塌時(shí)，采用直接撞擊法將導(dǎo)管撞擊至設(shè)計(jì)位置，當(dāng)孔壁容易坍塌時(shí)，用導(dǎo)管與鉆頭同時(shí)鉆進(jìn)的方法。如鋼管頂進(jìn)遇到故障，頂不進(jìn)時(shí)，查清原因，必要時(shí)重新掃孔后再將鋼管頂進(jìn)。鉆進(jìn)過程中地質(zhì)情況判斷：根據(jù)鉆孔的速度，巖土取芯，視鉆壓力等情況判斷此段地質(zhì)情況，并及時(shí)作好施工記錄，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制地質(zhì)剖面圖和展開圖，為開挖施工提供參考依據(jù)。

2.2.2 洞身支護(hù)施工

經(jīng)超前管棚加固并開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)方式采用工字鋼拱架掛鋼筋網(wǎng)噴射C20細(xì)石混凝土的支護(hù)方式施工。

2.3 洞室開挖

2.3.1 施工控制要點(diǎn)

開挖采用短進(jìn)尺、少藥量、多布孔、強(qiáng)支護(hù)的施工原則。視巖石情況分2～3次進(jìn)行爆破作業(yè)，每次進(jìn)尺控制在1m左右。

采取全斷面開挖的方法。在開挖時(shí)，控制開挖進(jìn)尺1m左右，然后施工拱部范圍的管棚。拱部的管棚在施工鉆孔時(shí)，需要對(duì)鉆孔的方向進(jìn)行精確的控制，拱頂范圍內(nèi)的鋼管均以隧洞的中心線為基礎(chǔ)上仰2°，采用全站儀確定中線，配合以水準(zhǔn)儀垂球吊線的方法測定仰角，準(zhǔn)確的進(jìn)行定位，直到結(jié)束。

根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件以及施工條件，一個(gè)工作面可以使用兩臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行作業(yè)，施工的順序從拱頂開始，兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行施工，鉆孔時(shí)鉆機(jī)距工作面距離一般情況下不少于2m，同時(shí)鉆孔以風(fēng)動(dòng)潛水沖擊鉆進(jìn)法為主。

開鉆時(shí)，先采用低速和低壓，等待成孔后，再進(jìn)行加速和加壓。鉆進(jìn)的過程中，必須沿鉆機(jī)定的基線進(jìn)行鉆孔，隨時(shí)測定鉆孔方向準(zhǔn)確度，根據(jù)地質(zhì)條件的不同變化，選擇不同類型的鉆頭，當(dāng)遇到稍軟的巖石時(shí)，使用合金管鉆進(jìn)行鉆進(jìn)。若遇到比較堅(jiān)硬的巖石不能鉆進(jìn)時(shí)，使用沖擊鉆頭，擊破巖石。由于巖土對(duì)管壁的阻力較大，前段開孔時(shí)采用φ42mm鉆頭，容易使鋼管頂進(jìn)，鉆進(jìn)過程若遇到特殊的復(fù)雜地層，如過不能鉆進(jìn)或者難以成孔時(shí)，可以采用預(yù)注漿加固，再鉆進(jìn)成孔。

2.3.2 施工過程技術(shù)措施

（1）在鉆孔過程中用全站儀測定量測鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設(shè)計(jì)要求，及時(shí)糾正。

（2）在鉆進(jìn)過程中注意控制水量不過分沖刷孔壁，應(yīng)能形成泥漿護(hù)壁。

3 結(jié)束語

管棚法是近些年來發(fā)展迅速的一種在軟弱巖石中進(jìn)行隧洞開挖的新技術(shù)。管棚法最早是作為隧洞開挖施工時(shí)采用的一種輔助方法，在軟巖隧洞施工中穿越軟弱地層，破松散帶、碎帶、涌砂、涌水層發(fā)揮了非常重要的作用。前期預(yù)埋超前管棚作為頂板和側(cè)壁支撐，為后面的隧洞開挖提供了堅(jiān)實(shí)、牢固的基礎(chǔ)。通過實(shí)踐證明，該工法具有不需要大型機(jī)具設(shè)備、工藝簡單、較安全、施工時(shí)間短、見效快等特點(diǎn)，因此在地下工程軟弱圍巖施工中被廣泛采用，被認(rèn)為是隧洞施工中解決冒頂和局部坍塌的最有效，最合理的施工方法。

[1]周順華，董新平.管棚工法的計(jì)算原理及其應(yīng)用.同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

[2]石仙龍.管棚法處理隧道特大坍方段的應(yīng)用技術(shù).中國科技博覽，2011（31）：621.

[3]文妮.采用管棚法處理淺埋隧道坍方段的技術(shù)應(yīng)用.科技創(chuàng)新與應(yīng)用2016（9）：250.