梁炜
中铁七局集团第五工程有限公司河南郑州450016
摘要：管棚法是公路隧道施工中最常采用且行之有效的超前支护方法之一，具有工艺简捷、安全性强、节约资源、效率高、经济和社会效益显著等优势。本文简单介绍了管棚法的原理与适用范围，并以实际工程为例探讨了其施工技术要点。
关键词：管棚；软弱围岩；钻孔；注浆
一、管棚法
管棚法是一种超前支护技术,其实质是在拟开挖的地下隧道或结构的衬砌拱圈隐埋弧线上,预先设惯性力矩较大的厚壁钢管,起临时超前支护作用,防止土层坍塌和地表下沉,以保证掘进和后续支护工艺安全运作。当遇到软岩破碎地层时,管棚结合围岩预注浆可成为有效的施工方法(管棚注浆法)。由于该工法具有不需要大型机具设备、工艺简单、见效快等特点,因此在地下工程软弱围岩施工中被广泛采用。
注浆管棚通过注浆填充围岩裂隙，提高围岩的强度和刚度，从而提高围岩的整体承载能力。通过向围岩注浆形成的加固圈起到“承载拱”的作用，支承“承载拱”上部的岩层重量，使拱内部的围岩与支护系统处于免压状态，拱内部的围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧道方向的变形引起的形变压力，当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管，且沿隧道开挖轮廓线周密布置时，加固圈的变形较小，因此，隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。另外，在管棚进口端一般加有套拱基础，另一端深入到隧道围岩较为完整、坚硬处，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载的作用。
根据国内外的施工实践，综合我国目前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。
二、管棚在软弱围岩隧道施工中的应用
（一）工程概况
某隧道起讫里程DK785+655～DK793+588，全长7933m，隧道最大埋深约590m，为全线重点隧道工程之一，也是全线控制性工程之一。本隧道为双线隧道，设计行车速度为350km/h，隧道内线间距为5m。隧址处于低山地区，地形起伏较大，低山自然坡度为30～60°，植被较发育。低山区表层为第四系残坡积粉质黏土夹少量碎石，棕黄色，硬塑，厚度为1～11m。地下水为基岩裂隙水，不发育；接触带地下水主要为构造裂隙水，较发育；进出口地下水较发育。洞口段岩体风化较强烈，岩体破碎，完整性差。易产生坍塌、冒顶，处理不当会出现大坍塌。为保证隧道进洞施工安全，本隧道分别在进口DK785+689～DK785+719段及出口段DK793+524～DK793+554段采用Φ108mm大管棚对洞口段施工进行超前预支护。施工时沿隧道衬砌外缘一定距离打入一排纵向钢管、和导向墙钢架配合使用，并且在插入钢管后，再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密，以提高钢管的强度。
（二）管棚技术
1、洞口开挖及坡面防护
首先开挖洞口，将洞口边坡、仰坡要一次挖到位，开挖后，及时进行坡面防护，按设计要求施作系统锚杆，挂网喷砼，洞顶截水沟要提前施工，尤其正面仰坡喷浆封闭必须封闭密实，达到设计要求厚度。洞口开挖要预留核心土，以便长管棚施工。
2、套拱施工
工程设计采用C30混凝土套拱做固定墙，套拱厚为1m，长2m，套拱内埋设4榀20B型工字钢，间距60cm，工字钢与长管棚孔口导向管焊成整体，导向管为φ133×4.5mm，长度≥2m。
施作套拱前，首先用经纬仪测量定位，准确定出套拱位臵，以及钢拱架的位臵，并且确定出孔口导向管的方位，确保其角度、方向与设计一致。测量复核无误后，方能施工，工字钢采用φ25钢筋固定连接，孔口导向管与工字钢双面焊接，φ25钢筋做箍筋包围导向管固定并与工字钢焊接，焊接长度＞5d。浇注套拱砼前，导向管两端宜用编织袋等物堵塞，以防混凝土进入。套拱基础应进行处理，最后立模，灌注套拱混凝土。套拱拱脚两侧要用浆砌片石回填以护住套拱。
3、钻进
开钻时，先低速低压，等成孔几米后，再加速加压。钻进过程中，必须沿钻机定位后定下来的基线钻孔，随时检查钻孔方向的准确度，根据地质情况的变化，选择不同的钻头，当遇坚硬孤石不能钻进时，采用冲击钻头，把岩石击碎，为普通稍软岩石或土质时，采用合金管钻进行钻进。钻进过程中岩土对管壁的阻力较大，前段开孔采用φ130mm钻头，以便于钢管容易顶入，钻进过程遇特殊复杂地层，如不能钻进或难以成孔时，采用预注浆加固钻进成孔。
按设计位置施工，先打有孔钢花管，环向间距100cm，注浆后在每两根有孔钢花管中间再打无孔钢花管，无孔钢花管作为检查管，检查注浆质量，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔，便顶进一根钢管，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜度超过设计要求，及时纠正。
用φ108mm岩芯管进行扫孔，目的是清除孔内岩碴和顺通孔道。岩芯管长度不小于3m为宜，长度稍长更好。如遇下管困难，连续扫孔几次，同时借助高压空气吹洗，直到孔内清扫干净。
φ108mm钢管管壁打孔，布孔以梅花型布置，孔径为10～18mm，孔间距为20～25cm，导管尾部留不钻孔的止浆段，最终钢管外侧预留长度应大于2米，满足套拱施工要求。为使钢管接头错开，加工钢管时将钢管进行钢节编号，根据加工的钢管节搭配好并做好记录待用。下管时，当孔壁不易坍塌时，采用直接撞击法将导管撞击至设计位置，当孔壁容易坍塌时，用导管与钻头同时钻进的方法。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm，为使钢管接头错开，编号为奇数的第一节管采用3m管，编号为偶数的第一节管采用6m钢管，以后每节均采用6m长钢管。如钢管顶进遇到故障，顶不进时，查清原因，必要时重新扫孔后再将钢管顶进。
4、注浆
（1）止浆墙的施工
在钢管安装完毕后，应马上制作止浆墙，可利用以施工的喷射混凝土作止浆墙，为避免漏浆，在钻孔位置应作特殊处理，，具体做法：在钢管周围凿出一个直径略大于钢管直径，深度25~35cm。用Φ12钢筋环焊接在钢管上，然后用锚固剂把四周堵塞封闭。
（2）注浆导管安装
自制的注浆导管与管棚钢管焊接牢固，注浆导管上备有排气孔与进浆管，由阀门来控制开关。安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，注浆后再施工无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。
（3）注浆参数
水泥浆与水玻璃体积的比例为1∶0.5；水泥浆水灰比1∶1；水玻璃浓度35Be；水玻璃模数2.4；
（4）注浆
采用KBY-70双液注浆机将双液浆注入管棚钢管内，封堵塞设进料孔和出气孔，将压浆管插入钢管内，利用法兰盘牢固连接压浆头，防止压浆管退出伤人。注浆压力初压0.5MPa~1.0MPa，终压2.0~2.5MPa，持压15min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1~5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆；注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。
参考文献
[1]孙伟.管棚注浆法在软弱围岩开挖中的应用[J].城市建设理论研究（电子版）,2013年16期.
[2]段泽民,李现超.浅埋隧道软弱围岩管棚超前支护及监控量测技术研究[J].科技视界,2014年5期.