长管棚在浅埋软弱隧道中的应用

（欧哲虎）

摘要：本文就长管棚作为超前预支护这一支护技术在浅埋、软弱隧道中的应用进行简要总结，以供参考。

关键词：长管棚 软弱 隧道 应用 一、前言

长管棚施工是隧道施工中对隧道前方围岩进行超前预支的主要措施之一，在软弱、破碎、溶洞等不良地质条件下的隧道施工中应用较多。在鲁竹坝二号隧道出口浅埋段进洞穿209国道及煤系地层施工中，采用40m长管棚作为超前预支护体系，顺利进洞，确保了209国道的安全，并在煤系地层掘进过程中，较好地预防了隧道拱部围岩的坍塌。从施工长管棚后的开挖效果看，采用长管棚进行超前预支护，对隧道施工安全与进度都较有利，施工质量好、工期短，经济效益、社会效益显著，为浅埋软弱煤系地层隧道施工提供了一定的经验。 二、工程概况

鲁竹坝二号隧道位于恩施市白杨坪乡，起讫里程DK204+390～DK209+530，全长5140 m，属长大隧道，亦是宜万铁路25个重点控制工程之一。根据设计提供的地质资料，有6个突水突泥地段、煤层瓦斯段一处、大断层一处，溶洞溶岩十分发育。本隧道出口进洞时从209国道下穿过，国道处隧道埋深8m～9m。出口为浅埋地段，埋深8～30m，主要岩石成分为三叠系下统大冶组下段页岩夹泥质灰岩，二叠系上统大隆组薄层硅质岩，吴家坪组硅质岩、炭质页岩夹煤层。为浅埋、软弱等不良地质。设计采用30m 长管棚超前支护体系，作为隧道进洞及隧道开挖的超前预支护措施，并与初期支护相结合，共同组成支护体系，确保进洞时国道的安全及隧道开挖过程中的洞施工内安全。 三、施工工艺 （一） 工艺原理

长管棚施工是在软弱地层或破碎岩层中钻孔并打入钢管，利用注浆

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机具向管内注入具有一定压力且有一定胶凝时间的浆液，浆液在钢管周围一定区域内扩散，通过浆液的胶结作用，对管棚周围的软弱、松散岩体进行固结，使土层或岩层的力学性质得以改善，与管棚钢管共同形成一个整体棚架式的加固拱圈，从而起到超前支护作用。 （二） 工艺流程（见图1）

图1 管棚施工工艺流程

（三）施工方法 1、施作导向墙

导向墙在隧道以外施作，主要作用是对导向管进行定位并保持导向管管口的稳定，不作为正式工程，管棚施工完成后需拆除。导向墙纵向长度2m，内埋设2榀I18钢拱架，并安设控制钻孔方向的Ф127 孔口管。孔口管的定位正确是控制整个管棚的施工质量的先决条件，埋设时，即

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要做到牢固可靠，又要保证位臵正确。 （1）测量放线

根据设计管棚位臵，计算管棚每根钢管入口的控制点坐标，测量时准确控制隧道开挖轮廓线的空间位臵，并将钢管入口点设定在仰坡坡面上，作为孔口的中心点，孔口管孔位按设计要求布设，误差应控制在50mm 以内。

（2）架立钢拱架

根据钢管设计位臵架设并定位钢拱架，钢拱架间距1.2m，布臵在导向墙的中间。为准确控制钢管仰角，两榀钢拱架的高度亦应保持一定的仰角。钢架安装垂直度偏差为±2°，中线及高程允许偏差为±50mm。 （3）安设导向管

钢拱架准确架立后，在钢架上准确定出每根管棚的位臵，安设Ф127×4.5mm 长2m 的孔口管，间距40cm，孔口管与钢拱架焊成一体，保证孔口管稳固可靠，并根据事先计算好的竖向仰角和轴线外偏角，用经纬仪准确测定其角度及方向，确保其角度与方向与设计值一致。 （4）施作套拱砼

导向墙内模可采用土模或组合钢模板，外模采用模或钢模，内外模用连接筋联成一体。导向管焊接完成并拼装好模板后，浇筑导向墙C25砼，形成完整的导向墙体。浇筑砼过程中应注意将导向管保护好，以免管内堆积喷砼，影响管棚顺畅通过。导向墙如图2所示。

图2导向墙施工示意图

（5）钢管加工制作

大管棚支护设臵一循环33根，单根长度40米,计1320米，管材为

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φ108mm壁厚9mm的热轧无缝钢管,管棚长度为4m和6m两种，每节管两端头加工15cm长公丝扣。每跟钢管前端38m布臵φ10mm注浆孔，间距30cm，梅花型布臵，如图3所示。钢管内设臵钢筋笼，钢筋笼主筋采用4Φ22，采用φ42钢管（壁厚3.5mm）作固定环，固定环节长5cm，与钢筋笼焊接，如图4所示。钢管采用φ114mm壁厚9mm的热轧无缝钢管进行连接，钢管长30cm，内加工30cm母丝扣，如图5所示。

图3钢管制作示意图

图4钢筋笼示意图

图5钢管连接接头示意图

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2、钻机就位

为加快施工进度，施工中配备两台MKG-5型地质钻机平行作业，由两侧向中间方向施工，钻机距工作面距离控制在2～3m。 （1） 搭设作业平台

钻机作业平台采用15×15cm 方木搭设，方木间用螺栓连接牢固，以利安装和固定钻机，防止施钻时摆动、移位、倾斜等影响钻孔质量。 （2）钻孔定向

根据孔口管的倾角和方向，利用钻杆的延伸和吊锤准确确定钻孔的方向，即可固定钻机。然后利用钻机的变角度油缸，参照导向管的倾角确定钻机的倾角，确保钻杆线与开孔角度一致，以达到钻进的导向作用。 （3）钻机的固定

钻机就位前，可先利用M20的螺栓将钻机固定在搭设的钻作业平台上，并在四周采用横木支撑。 3、钻孔

采用空压机干式成孔，每钻完一孔便顶进一根钢管。 （1）钻具的连接

根据施工中的碎石土及煤系地层岩性，采用风动冲击器（直径110mm）+螺旋钻杆组合钻具进行钻进。冲击器后直接接Ф110mm 的螺旋钻杆和Ф73mm的螺旋钻杆。由于碎石土及煤系地层通过冲击器击碎后不能形成粉末，采用螺旋钻杆一方面容易将碎碴排碴，一方面增加了钻杆的刚度，提高成孔质量。 （2） 开孔

为了保证孔口的成孔质量，开孔时宜用小给进力、高转速。给进力一般0.5～1.0Mpa，转速80～100 转/分钟，每钻进40cm 时，退出扫孔，后再钻进。待成孔2～3m 时，再加压全速钻进。 （3）钻进

钻进时，如遇到岩层或孤石时，为保证钻进效率，可适时增加钻机的给进力，降低转速。给进力一般1.0～2.5Mpa，转速60～80 转/分钟，

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每钻进50～80cm 时退出扫孔。扫孔时，给进速度应控制在1m/分钟；如遇到土层或土加石层时，应先背压，后给进，使给进与起拔的压差保证在1.0Mpa 以下，并控制给进速度1m/分钟，便于孔内排碴，至钻杆回转时无较大跳动为宜。钻进过程中应经常用测斜仪测量方位角，随时检查钻孔方向的准确性。 （4）清孔

成孔后用2.5m长的Ф108mm 岩芯管进行扫孔，将钢管孔道清理顺直并将碎碴清理干净，确保管棚钢管顺利下到孔底。 4、顶管

地质条件较差时，钻孔完成后及时、快速安设管棚钢管，以保证钻孔稳定时将钢管送至孔底，防止时间过长造成塌孔而影响顶管。钢管采用Ф108×6mm 热轧无缝钢管，节长4m、6m。单节管间采用公母丝扣连接，丝扣长15cm，相邻两根钢管接头均错开2m。

围岩较差无法成孔时，一般采用跟管钻进：在钻机钻孔同时，钻头管穴连接钢管直接安装到孔内，即将钻孔与安装钢管同时完成。

钢管安设完成后应及时将钢管孔口部分管外壁和孔壁之间的空隙用锚固剂进行封堵，防止漏浆。钢管末端焊接一长20cm、直径φ25mm的钢管，并在钢管上安装排气阀和止浆阀。如下图所示：

排气阀止浆阀108mm1000mm导向墙孔口管25mm200mm进浆口

图6 注浆钢管孔口排气阀、止浆阀安装示意图

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5、管棚注浆

管棚注浆是为了固结管棚钢管周围一定范围内的岩体，是管棚施工的一项重要工序，施工中必须加强注浆质量，否则，难以达到设计效果。注浆参数如下：

（1）注浆材料及配合比：注浆浆液采用普通水泥单液浆，水泥采用32.5（R）普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为1:1；

（2）注浆方式：浆液使用制浆机制作，采用液压双液注浆机注浆，注浆采用前进式分段注浆方式;

（3）注浆压力：0.5～1.0MPa，施工时，注浆压力初压不低于0.5MPa，终压1.0Mpa。

（4）浆液扩散半径：不小于0.24m； （5）5单根钢管注浆量：Q=π×R2×L×η

式中：R为浆液扩散半径，取0.24m； L为钢管总长度40m；η为地层孔隙率,取30%。经计算，单根钢管注浆量Q=2.2 m3。

（6） 注浆方法

每钻完一孔便顶进一根钢花管，并及时注入水泥浆，再打相邻钢管时，可作为上一根钢管的检查管，以检查钢花管的注浆质量。注浆采用从孔口一次注入法，搅拌均匀的浆液通过注浆管路、孔口控制阀进入钢管，同时孔口上部设一排气孔，以便浆液进入钢管时，将管内空气排出，待浆液充满钢管，从排气管溢出时，关闭排气阀门，进行终压注浆。为增强钢管刚度，注浆完成后，钢管内注入C30水泥砂浆。

（7）注浆结束标准

注浆采用单孔注浆量和注浆压力进行双控，满足下列条件中的任何一个即可结束注浆。

a.单孔注浆量达到设计注浆量；

b.当注浆压力达到设计终压并持荷不少于20 分钟，进浆量仍达不到设计注浆量。

（8）注浆效果评定

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对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况，此法可比较准确的判断注浆效果，若取样为水泥凝结板块，则表示注浆效果较好，若局部取样仍然为松散体，则应对临近空位进行补充注浆，补注完成后再取样检查，直至达到满意的注浆效果。

（9）注浆注意事项

① 注浆前应认真检修机具，对管路系统进行检查，如有破损应予以更换；

② 注浆所用水泥无结块、无杂物，砂子应洁净并过筛； ③ 注浆管路的连接应牢固，并认真检查，保证注浆管内无杂物，以免堵塞管路；

④ 注浆结束，所有接头、阀门、管路等均应清洗干净； ⑤ 注浆作业要前后配合，统一指挥，以期达到预期的注浆目的和效果；

⑥ 认真做好注浆记录，对每孔注浆量、注浆压力、有无跑浆、窜浆情况等及时填写清楚。

⑦ 注浆时，严禁作业人员进距离正对注浆孔，以免浆液喷出伤人。 四、机具设备

管棚施工主要机具设备包括地质钻机、注浆机及其他配套设备。 （一）地质钻机

MK-5型地质钻机广泛用于地质勘探、瓦斯抽放、注浆等其他工程等钻孔施工作业。该钻机为全液压动力头式钻机，转速范围宽、扭矩大，钻进速率高，操作简单，主要技术参数如下： 钻孔深度250～350m，起拔能力53KN 钻杆直径50mm ，给进速度0～0.67m/s 开孔直径110mm/150mm , 终孔直径75mm/94mm 起拔速度0.50m/s,给进能力50KN 液压系统额定压力21Mpa

钻孔倾角0～90° 电动机功率30KW

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回转速度10～300r/min ; 钻机总重量1250kg 主机机形尺寸（长×宽×高） 2.46×0.95×1.7m （二）注浆机

管棚注浆机具采用YSH-3型注浆泵，外形尺寸：1030 ×470 ×890(mm)，流量10m3/min，压力0.5～4Mpa,重量250kg。该机具有结构紧凑、性能稳定、压力可调、体积小、重量轻、易解体搬运等特点；分别具有高、中、低三个不同的压力、流量等级，既可单液注浆，又可双液注浆；是一种技术先进、制造精良，使用可靠的注浆设备。 （三）配套设备

1 电动空压机L-22/7 1台 2 拌浆机双桶 1台 3 钻头冲击、合金 各6个 五、劳力组织

管棚施工安排两台钻机同时作业，并且实行两班制。其劳动力组织见下表。

劳动力组织安排计划表

工种 工作内容 负责钻孔布臵、注浆工艺实施、指导及检查落实 每班人数 1人 2人 1人 4人 2人 2人 1人 2人 15人 总人数 2人 4人 2人 8人 4人 4人 2人 4人 30人 指挥人员 组织钻孔、注浆、备料、协调等全面工作 技术人员 测量人员 负责钻孔定位、放线、围岩量测 钻孔人员 负责注浆孔钻孔 注浆人员 负责按工艺实施注浆、掌握注浆量和压力 制浆人员 负责按施工配合比拌制水泥浆 维修人员 负责保障风、水、电路正常工作及设备维修 普 工 合 计 搬运水泥，为钻孔、注浆提供服务 六、质量控制要点 （一） 导向墙施作

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1、钢拱架加工一定要标准，以利准确安设导向管； 2、导向管定位应准确，除仰角外，还应考虑两侧的外插角； 3、管棚孔口钢管和导向管应填塞密实，避免压浆时跑浆。 （二） 成孔

1、成孔设备就位后，必须平整、稳固，确保施工中不发生倾斜和移位；

2、钻进时应加强清孔，确保顶管顺利；

3、钻进过程时应经常用测斜仪测量方位角，并采取相应的导向措施；

4、为保证管棚的刚度，相邻钢管的接头严格按设计要求错开2m，同一断面内的接头数不大于50%。

5、成孔深度施工误差：20cm；孔位误差：50mm （三） 注浆

1、注浆前应进行注浆试验，选择最佳浆液配比及最佳胶凝时间，以达到设计注浆效果；

2、注浆机具应认真检查，满足设计注浆流量及设计压力； 3、为确保钻孔顺利，必须采用钻一注入的方法施工；

4、为保证管棚钢管有足够的刚度，注浆结束后，钢管内注入C30水泥砂浆。 七、安全保证措施

1、严格按操作规程施工，司机持证上岗；

2、钻机在钻进时必须将作业平台搭设牢固，必要时采用地锚固定，防止钻机倾覆；

3、经常检查钻杆的卡扣松紧程度，转向装量是否灵活，并严禁反钻，以防止突然掉钻；

4、在软弱土层中钻孔，必须注意孔内坍方情况，否则必须将钻机及时起拔，并反复扫孔，防止钻杆掉入孔内；

5、注浆时应认真检查管路连接情况，防止破损伤人；

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6、所有的机械电缆应定期检查，防止漏电。 八、主要成果分析

1、MK-5型地质钻机操作简单，易维修，操作占地面积小，利于多台钻机同时施工；

2、长管棚作为超前支护既能探明前方的地质情况也能探明前方地下水情况，为开挖施工提供了较为准确的依据；

3、管棚成孔长度可达40m，周围岩体整体性好，开挖掘进后，管棚受力明显，较小导管超前支护具有较好的支护效果；

4、管棚施工能适用于各种复杂地层，尤其是松软地层，具有超前小导管不可替代的优越性；

5、管棚施工可一次性成孔，质量宜控制，与超前小导管支护相比，综合成本低兼，经济效益显著；

6、为更有效地发挥管棚的支护作用，钢管内可加钢筋束。 九、结束语

长管棚施工后的隧道开挖效果看，管棚受力明显，没有产生坍塌及大的下沉，施工进度加快，综合效益显著，得到了业主及现场监理的高度评价。但长管棚施工成孔难度较大，且注浆效果难以掌握，这些都有待于进一步的研究，从而使长管棚施工在浅埋软弱隧道中发挥更大的作用。

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