浅析管棚支护在隧道施工中的应用

　　摘要:管棚支护是隧道开挖过程中一种有效的技术手段。本文主要介绍管棚支护的主要机理、参数的确定及其存在的问题，以便广大工程工作者可以更好的了解和应用该项技术。

　　关键词：管棚支护;钢管;隧道

　　管棚由钢架和钢管组成，故名管棚，可起加强支护的作用，是一种重要的超前支护方法，在软弱破碎围岩条件下进行隧道施工中经常采用[1]。该法是在隧道洞口或隧道内遭遇崩积层、断层或软弱地基等地层以及发生塌方，无法以正常开挖方法通过时，采用管棚钻机于隧道顶拱区域钻设水平孔，埋设超前支护管棚钢管并施以固结灌浆，或直接施做高压喷射灌浆，使隧道顶拱预先形成一个管棚强化的伞状保护环。此超前支护管棚可与钢支撑、钢筋网及喷射混凝土等连结在一起，形成格子状支撑系统，强化隧道纵断面及横断面2个方向的支承刚度，达到三维空间支撑功能，提高隧道开挖通过崩积层、软弱地基或断层的稳定性。这种采取先保护后开挖的理念，以追求隧道零灾害为目标，降低洞口开挖时对边坡稳定性的影响。

　　随着新奥法在我国的推广应用，在不少隧道和地下工程中采用了管棚支护。但是有关管棚支护受力情况和设计参数，国内普遍以经验为主，缺乏系统的理论探讨，故对管棚做适当简化进行计算,来检验根据经验所选参数是否合理是很有必要的。

　　1管棚支护主要机理

　　国内外在管棚超前支护作用机理方面进行了大量研究并取得一定的成果。在国内，管棚支护技术已经较为成熟，理论分析主要有以下三种：①梁理论:张川[2]等人将管棚视为承受均布荷载的两端固定梁结构来分析;②拱壳理论:徐金坤[3]认为管棚支护通过注浆，将松散破碎体以钢管为中心固结起来，形成一个壳状结构，形成一个稳定的体系;③弹性地基梁理论[4]:董新平[5],采用变基床系数弹性地基梁模型分析管棚的作用，提出了判别管棚作用特性的方法.另外，吴军民[6]在隧道开挖加固机理研究的基础上，进行了管棚二维有限元模拟计算;郭雪莽[7]等通过用混凝土等效方法折算其力学参数来代替钢管单元，研究管棚的力学作用原理。通过以上几种理论的分析，可以得知管棚支护主要机理如下[8]：

　　(1)梁拱效应：管棚因前端嵌入围岩内、后端与砂浆锚杆出露端相焊接而形成纵向支撑梁;环向与钢拱架联为拱形承重结构，通过注浆充分加固围岩。二者构成环绕隧洞轮廓的厚筒状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。

　　(2)环槽效应：因沿隧道轮廓钻环形密集孔槽，故掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇环形孔槽被反射、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。据我国声波测试表明，普通钻爆法往往在隧道周边形成厚度为0.6～1.0m的松动区。但是，如果管棚布置恰到好处，炮孔装药结构合理，就可使爆效接近于非爆破法的开挖影响。

　　(3)强化岩体效应：用注浆泵通过花管注入的浆液经壁孔挤人围岩裂隙或缝隙中加固围岩，从而提高岩体弹模和强度。

　　(4)确保施工安全：管棚作超前支护，其后紧跟永久支护，施工人员作业场所较安全。

　　2管棚常用布置形式

　　根据地形地质以及荷载情况不同，图1

　　通常管棚可布置成如下几种形式，如图1所示：

　　

 

　　(1)扇形布置：用于隧道断面内地层比较稳定，但拱部附近地层不稳定的场合。

　　(2)半圆形布置：用于隧道下半部地层是稳定的，但起拱线以上的地层不稳定的场合。此外，即使地层比较稳定，但地表、周围有结构物、埋深很浅时也多采用此种布置形式。

　　(3)门形布置：隧道除底部外，布置成半圆、侧壁的门形。用于隧道基础是稳定的，断面内地层及上部地层不稳定的场合。

　　(4)全周布置：用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等极差的场合。

　　(5)上部一侧布置：隧道一侧有公路、铁路、重要结构物、需防护或斜坡地形可能形成偏压时采用。

　　(6)双层布置：用于隧道上部有重要设施、拱部地层是坍塌性、不稳定的或地铁车站等大断面隧道施工或突破河海底段施工场合。

　　(7)一字形布置：在铁路、公路正下方施工或在某些结构物下方施工时采用。3管棚参数确定[1]

　　3.1管棚与钢架的设计规定

　　(1)钢架可以选用I型(或钢轨)，H型钢、U型钢、钢筋格栅等轻型钢材制造。

　　(2)格栅钢架的主筋直径不宜小于22mm，材料宜采用20Mnsi或A3钢筋，联系钢筋可按具体情况选用。

　　(3)钢架的设计强度，应保证能单独承受2~4m高的松动岩柱重量。

　　(4)钢架的纵向间距，一般不宜大于1.2m，两榀钢架之间应设置直径20~22mm的钢拉杆。

　　(5)钢架如与钢筋网喷射混凝土联合使用，应保证钢架(或格栅钢架主筋)与围岩之间的混凝土厚度不小于40mm。

　　(6)钢架立柱埋入底板深度不应小于15mm，当有水沟时应不高于水沟底面。

　　(7)钢管钢架应在钢管上设置注浆孔，架设后注满水泥砂浆。

　　3.2钢架的选择

　　钢架的选择宜考虑隧道断面尺寸、安装机械、材料来源及其特点等因素。

　　(1)I型钢架：加工简易，使用方便，由于截面纵横方向不是等刚度和等强度而易失稳，在较大跨度中使用有困难，适用于单线隧道。

　　(2)H型钢、U型钢：虽克服了I型钢的缺点，但自重大，又费钢材，并带来安装困难，使用不广。另外，与I型钢钢架一样，其与混凝土粘结不良，且与围岩间的空隙难于用喷射混凝土充填密质。

　　(3)钢管钢架：比H型钢架轻便，必要时可在管内压注砂浆或混凝土，以增强钢管钢架支护力，但与喷射混凝土粘结不好，造价也高，使用也不广。

　　(4)格栅钢架：系用钢筋焊接而成的格栅构架受力性能好，安装方便，并和喷射混凝土结合较好，节省钢材，目前已用于双线和单线隧道。

　　3.3钢管参数的确定

　　钢管参数的设计宜根据地址情况及施工条件参照下列要求进行：

　　(1)钢管直径宜选用80~180mm，钢管中心间距为30~50cm;

　　(2)钢管长度一般为10~45m，当采用分段连接时，可采用长4~6m的钢管，并用丝扣连接;

　　(3)钢管宜采取沿隧道开挖轮廓纵向近水平方向设置;

　　(4)根据需要，钢管内可灌注水泥砂浆、混凝土或放置钢筋笼并灌注水泥砂浆;

　　(5)纵向两组管棚之间应有不小于1.5m的水平搭接长度;

　　本文所列参数是根据当前国内采用管棚的实践经验得出，有待于进一步完善。

　　4结语

　　由于地下工程支护系统工作环境的不同和围岩状况的复杂多变以及理论上的不完善，目前还找不到一种计算模型能全面、准确的表达各种情况下围岩状况及其与支护系统的相互关系和支护系统的工作条件，通过力学计算来设计也是困难的。因而现今的施工前预设记主要是依靠某些勘察资料及工程类比法进行的，在实际施工过程中发现由于工程地质、水文地质、施工方式、支护特性等的出入与变化，常常使设计不尽合理。所以，在开挖隧道过程中，支护技术是研究的一个重点问题。实践表明，管棚支护是隧道开挖过程中一种有效的技术手段。

　　参考文献：

　　[1]李晓红著.隧道新奥法及其量测技术[M].北京：科学出版社，2002.

　　[2]张川，左永江等.水平管棚超前支护施工技术的研究与应用[J].煤炭科学技术，2000，28(11)：36-38.

　　[3]徐金坤，张兴忠.超前大管棚预支护技术在东田隧道中的应用[J].企业技术开发，2005，24(3)：27-29.

　　[4]常艄东.管棚超前预支护作用机理研究[D].重庆：西南交通大学，1999，

　　[5]董新平.软弱地层管棚作用特性判别和分析[J].地下空间与工程学报,2006，2(4)：631-634，653.

　　[6]吴军民.管棚注浆法在浅埋破碎地层隧道开挖中的加固机理及效用研究[J].国外建材科技，2004，25(2)：106-108.

　　[7]郭雪莽,汪伦焰.隧道洞口超长管棚效应分析[J].隧道建设，2004，24(1)：3-5.

　　[8]李建军，谢应爽.隧道超前支护管棚工法设计与计算研究[J].2007，(6)：141-142，149.

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