长大管棚超前支护在铁路隧道洞口施工中的应用

王丽军WANG Li-jun

（中铁七局集团第三工程有限公司，西安 710032）

（The Third Engineering Co.，Ltd.of China Railway Seventh Group，Xi'an 710032，China）

1 工程概况

海南西环铁路凤三段新凤凰二号隧道全长805m，位于海南省三亚市凤凰镇，为客货共线双线铁路隧道，设计行车时速为200km/h，线路纵坡为3‰、-18‰的“人”字坡。隧道内轮廓拱顶净高8.15m，净宽11.5m，内净空面积81.37m2。该隧道进、出口洞口段埋深较浅，属浅埋型，多通过强风化层，距离较长，且具球风化现象，开挖稳定性差，结构面易被软化，可能出现岩块脱落或坍塌。根据现场地质情况，为了保证洞口边仰坡安全，能够顺利进洞，要求在隧道进出口段采用长度为60mΦ159 超前大管棚支护和注浆进行预加固处理。

2 管棚受力原理与计算模型

2.1 受力原理 一般会在隧道洞口段施工时采用大管棚超前支护法，这种方法能够有效的支撑和加固围岩，很大程度的防止软弱围岩下沉、松弛和坍塌等。它的工作原理是：一是可以通过管棚注浆使拱顶预先形成加固的保护环。这个保护环能够为隧道施工创造良好的开挖条件，因为其可以发挥“承载拱”的作用，有效的减少拱内部围岩的承载压力；二是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也随之减小，同时会把拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架。因为相互连接的支持拱架可以形成整体支护，能够保证掘进施工和初期支护的安全。

2.2 计算模型 当开挖隧道洞口时，下部土体会被挖出，管棚端部悬空。这时因为大部分的管棚钢管长度都在已预加固地层内，并且它还会受到地层固定的约束，这时的悬空段起到支撑洞口上部荷载q1的作用（见图1）；当在隧道洞内施工时，钢管的前后两段作用的地方是不同的，这时中间悬空的钢管段可简化为两端受固定约束的简支梁（见图2），管棚承受上部土体荷载q1和路面荷载q2的作用。

图1 管棚支护计算模型（洞口）

图2 管棚支护计算模型（洞内）

有关资料显示，在计算洞口段和洞内段的开挖进尺尺度的时候采用悬臂梁和简支梁的计算模型是科学的。

3 大管棚施工设计

3.1 大管棚设计参数 ①导管规格：热轧无缝钢管，外径159mm，壁厚8mm。②管距：环向间距40cm。③倾角：外插角以1°为宜。④大管棚每环施作长度为60m，钢管前段呈锥形。⑤导向管规格：热轧无缝钢管，外径194mm，壁厚5mm。⑥钢管内设置钢筋笼，钢筋笼主要由三根主筋和固定环组成，主筋直径为18mm，钢筋之间每35cm 间距用3cm 长Φ50 钢管连接，钢管壁厚3.5mm。⑦钢管上钻注浆孔，孔径16mm，孔纵向间距为20cm，呈梅花形布置，尾部留大于等于100cm 的不钻孔的止浆段。见图3、4。

3.2 注浆参数设计 ①灌注浆液：水泥浆液，有时也可采用水泥玻璃双液浆；②注浆参数：水泥浆、水灰比为1:1（重量比），注浆压力为2.0MPa～2.5MPa；③注浆扩散半径：大于等于0.5m；④为了积累钢管注浆施工经验和合理化注浆参数，需要在注浆前进行现场注浆试验。单根钢管注浆量为：Q=π·γ2·L+π·R2·L·η·α·β

式中，r 为钢管半径；L 为钢管总长度；R 为浆液扩散半径，取0.5m；η 为地层孔隙率，堆积体经测试为12%；α为浆液有效充填率，取0.9；β 为浆液损耗系数，取1.15。经计算单根钢管注浆量Q=6.927m3。

图3 大管棚超前支护正面图

图4 大管棚超前支护纵面图

图5 大管棚施工工艺流程

4 大管棚施工

大管棚施工工艺流程如图5。

4.1 施工准备 ①做好孔口定位可以保证管棚施工质量，最好先试着钻几个孔再正式钻孔，尤其是对于那些复杂地层来说。②为了不影响注浆效果和管棚施工质量，在高压注浆之前，一定要把各孔口封堵完好。③在开挖过程中，为了防止钢管脱节，造成塌方，应该保证钢管之间的连接质量。

4.2 大管棚导向墙工字钢支撑施工 洞口前端采用1m导向墙，截面为1m×1m。导向墙在洞口衬砌外轮廓以外施作。先施作3 排20a 工字钢，间距为50cm，在工字钢拱部144°范围内均匀布设40 个导向管，导管长度1m，环距为40cm，导向管的外插角保证不小于1°。对导向管与三榀工字钢支撑进行焊接，并采用Φ22 钢筋将大管棚的导向管焊接在工字钢导向墙上，用C20 砼浇筑导向墙混凝土。

4.3 钻孔 ①钻孔时导向管可以考虑导向墙中预埋的钢套管，为了保证掌子面在压力注浆时不出现漏浆、坍塌，必须在掌子面上先喷一层素混凝土才能作为止浆墙；②在保证钻机机械正常的情况下才可以进行钻孔，在钻孔的过程中，是否加泥浆或水泥浆应该依据实际的情况确定；③为了避免发生加钻现象，应该控制好钻进速度，保证匀速前进，尤其是在钻头遇到夹泥夹砂层时；④应该把开钻上挑角度控制在3°-5°之间，并控制量测角度和钻进方向。

4.4 大管棚安装 ①为了避免出现塌孔，应该在钻孔结束后及时的安设管棚钢管；②钢管逐节顶入，采用长15cm 的丝扣连接；③应该及时填塞密实钢管和钻孔壁间的缝隙，在钢管外漏段焊上法兰盘、止浆阀，且保证焊接强度和密实度。

4.5 注浆施工

4.5.1 大管棚注浆施工程序及方法如下：①只有保证管路和机械设备正常才能开始压浆试验，因为这时获得的注浆参数是合理的，才能开始注浆；②在注浆的过程中，应该不定期的检查各处是否有异常情况，一旦发现异常情况，应该立即采取必要的防治措施，比如马上停止注浆或封堵串浆口等；③如果注浆压力持续保持5min 以上达到2.5MPa，就可以停止注浆，立即封堵注浆口；④在注浆过程中，应该安排专人负责填写《注浆记录表》，记录各相关数据，观察压力表值，监控联通装置。

4.5.2 注浆效果评定 评定注浆效果应该注意如下细节：①要想观察注浆充填情况，可以采取对注浆加固区进行钻孔取芯的方式获取；②应该先观察好孔内涌水颜色及涌水量，只有涌水颜色较澄清或夹带水泥渣块，或涌水量小于0.4L/min 时才可以进行钻孔施工，反之，则应该补注或重注。

5 结语

①超前管棚支护结合注浆技术能够有效的改善松软破碎岩层的物理力学性质，采取这种技术时水泥浆液能够充满钢管周围岩石的缝隙，达到固结围岩的效果。

②大管棚和注浆施工操作非常方便，工艺也简单，不需要大型机具设备，但是效果也非常明显，同时它不仅施工速度快、安全性能高，也具有很高的经济和社会效益等。

③该方法已经在新凤凰二号隧道进出口端浅埋级围岩工程中得到了应用，效果非常明显，不仅保证了工程的顺利完成，也取得了很高的经济效益和社会效益。

总之，长大管棚超前支护技术能够在应对不良地质条件的隧道掘进施工和塌方处理时起到非常关键的作用，因为它不仅具有很高的可靠性和支护能力，适用于很多的地段，比如含水的沙土质底层或破碎道等，还能够增加施工安全度，保证岩体稳定，减少地表下沉和防止围岩松弛、坍塌，是新奥法与其他辅助施工方法的完美结合。

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