隧道管棚超前支护课件

隧道管棚超前支护掘进距离取决于管棚深度地下工程超前支护方法超前支护技术是指在隧道开挖之前，通过向掌子面前方地层里注浆、冷冻、打入钢管、钢板、锚杆等技术措施在隧道横断面上形成一个拱形连续体，使其加固开挖面前方地层，同时利用其支撑力保持前方土体的稳定，减少地表沉降量的技术总称。研究表明，围岩注浆加固可提高其强度和变形模量，从根本上改善围岩的变形规律，前苏联的资料表明，砂岩在注浆后的强度可增加50%-70%，粉砂岩和泥质岩增加2-4倍，而岩石强度的增大可使支护荷载减少2/3-4/5。实践表明超前支护体系能够有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地层在稳定状态下开挖隧道。研究表明地面的整个沉降量的30%-40%和地下地层的整个沉降量的40%-50%是在一般的支护开始发生作用之前发生的，超前支护对地面沉降有30-35%的抑制效果，对隧道顶上地层(拱顶)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地层对抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支护技术作为加固地层、稳定拱顶及掌子面、减少地表沉降的辅助施工工法，己经在地下工程施工中得到了广泛地应用。管棚注浆支护就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚注浆是一种长距离超前支护方法，超前距离长，刚度较大，适用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高。如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合，除具有大管棚的特点外，能够防止管棚下方三角土体的塌落，这种长短结合的预支护效果更为理想。管棚支护的主要作用和优点（1）梁拱效应：先行施设的管棚，以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。（2）加固效应：注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的。（3）环槽效应：掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、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。（4）确保施工安全：管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。隧道超前支护法一览根据采取的加固措施对周围地层特性和应力分布的影响，可将超前支护分为地层改良法和预支护法。地层改良法就是提高开挖面周围地层土的特性的方法，这种方法包括注浆、土壤加固、排水和地层冻结等；预支护法就是在隧道开挖前，先超前对围岩进行加固，以增加围岩的自稳能力，并使开挖面周围应力干扰达到最小的方法。超前支护方法主要包括：管棚法，机械预切糟法，预衬砌法，水平旋喷注浆法，超前小导管法，超前锚杆法、冻结法等等。其中管棚法、水平旋喷注浆法、小导管法等支护方法同时也改良和加固了地层。管棚注浆支护就是把一组钢管沿开挖轮廓外己钻好的孔中打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，支承来自于管棚上部的荷载，通过钢管的梅花形布置的注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。管棚注浆是一种长距离超前支护方法，超前距离长，刚度较大，适用于掌子面不能自稳、含水的地层，控制地表沉降、防渗止水的效果较好，施工工艺要求较高。如将管棚注浆与小导管补充注浆法结合，除具有大管棚的特点外，能够防止管棚下方三角土体的塌落，这种长短结合的预支护效果更为理想。管棚支护的设计管棚支护的设计参数主要包括：钢管直径、长度、间距、仰角、水平搭接长度、钢架间距、注浆参数等，当需要增大钢管的强度和刚度时，可在管内设置钢筋笼而后用水泥砂浆填充。我国《铁路隧道施工规范》规定：管棚用钢管直径宜为φ70-φ127mm；钢管中心间距宜为管径的2-3倍；管棚长度应根据地层情况选用，不宜小于10m；纵向两组管棚的搭接长度应大于3m。管棚支护参数可按工程类比法确定，并在施工中根据实际情况调整。管径的选择大部分工程的钢管直径在中φ50-φ180mm之间，有学者将管棚支护按管径分类为小管棚和大管棚，小管棚管径一般在φ30-φ50mm，大管棚管径介于φ89-φ159mm，工程中多用φ108mm的钢管，环向间距以不大于3-5倍管径为宜。管棚钢管的选择根据计算结果和技术经济因素分析，对于支护条件要求较高的松软地层，应选取φ127mm钢管，土体凝聚力较高的粘性土，可选取φ89mm钢管，一般土层在多数情况下选取φ108mm钢管。管棚钢管环向间距的确定管棚钢管直径范围一般为φ70-180mm，我们可将管棚支护按管径分类为小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管径一般在φ32~50mm范围内，多采用管径为φ42mm的钢管，管长以3.5-5m为宜，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-1.5m。中管棚管径一般在φ50-φ89mm范围内，管长一般不超过20m，环向间距一般取0.3-0.4m，水平搭接长度1-2m。大管棚一般可选用φ89-φ159mm的钢管，常用管径φ108mm，管长以不超过40m为宜，钢管一般分节长4m或6m，以丝扣连接，丝扣长不小于150mm，环向间距一般不大于3-5倍管径为宜。外插角的合理确定角度过小，将可能导致管棚远端下垂至隧道开挖幅员内影响后期施工；相反，角度过大，管棚离开挖幅员距离过大，管棚下方的三角土体坍塌给洞身开挖支护带来很大困难，还应根据管棚钻机工作室空间大小，以及钻杆长度等情况综合考虑确定。小管棚外插角常取5º-15º，中管棚常取2º-8º，长管棚多取1º-3º。钢拱架支撑一般用工字钢，或工字钢与格栅钢架间隔使用，间距一般不大于1米，特殊情况下需加密。管棚布置形式管棚布置形式管棚布置形式门型布置全周布置与上部一侧布置管棚施工工艺流程钻孔流程成孔方法常用的施工方法有夯管法、顶管法、钻孔等。但钻孔法是目前最常用的成孔方法。随着钻探设备的专业化分工越来越细，管棚专用钻机也应运而生。但管棚钻进为近水平钻进，性质上与勘探钻孔有所不同，对钻孔方向(空间位置)的精度要求很高，终孔测量一旦发现孔斜或超出设计允许偏差，会造成严重的后果。钻孔方法常规回转钻进——硬质合金（刮刀、牙轮等）钻进；常规风动潜孔锤钻进；ODEX法——风动潜孔锤跟管钻进；双动力头跟管钻进；长螺旋跟管钻进；——潜孔锤跟管钻进“海王星”跟管钻进法“海王星”跟管系统如图2-9所示，这种系统的内外管系统基本和“土星“跟管系统相似，内管定心是通过回转内管（3），借助一个螺旋伸缩接头（8）和套管在潜孔锤外部的带有凸台（7）的套筒（6）一齐向下移动，使凸台座落在套管（4）底部套管靴（5）内的台阶上。此时将潜孔锤（1）挤向一侧，并实现偏心钻头（2）的扩底钻进，偏心钻进进入套管并能提到地表。为防止套管靴内部磨损，其内部在与凸台相对应的位置上设有耐磨环。潜孔锤跟管钻具按钻头能否改变直径可分为两大类：即钻头变径跟管钻具和钻头不变径跟管钻具。钻头变径跟管钻具目前主要有单偏心变径跟管钻具、双（三）偏心变径跟管钻具和径向变径跟管钻具等结构。除单偏心变径跟管钻具属于偏心跟管外，其余结构的钻头变径跟管钻具由于钻头翼瓣在张敛的过程中沿钻具中心轴线是对称的，因此应属于同心跟管钻具。钻头不变径跟管钻具均采用内外钻头结构，一般套管需要回转，此类钻具属同心跟管钻具。相对来说钻头变径跟管钻具使用的比例较大，约占市场使用的95%，这都是由它的结构特点所决定的。钻头不变径跟管的主要缺点有1、钻具在工作时，内外管同时回转，易造成内外管之间的环状间隙被岩粉堵塞或被大块岩屑卡住，造成内管反转失灵，内外管无法分离。这种方法需要大扭矩的回转钻机，能源消耗大，不利于环保；2、由于钻头不变径跟管钻具的钻进是同口径进入，尤其是遇到漂石时，钻进将非常困难，即使钻孔成功，由于钻孔缩径，起拔套管也非常麻烦，甚至经常造成套管断裂等孔内事故。吉林大学郑治川成果三活瓣跟管钻具的组成钻头活瓣结构钻头活瓣张开钻头活瓣闭合单偏心跟管钻头—Ⅰ型张开状态单偏心跟管钻头—Ⅱ型该型钻头优点1.连接偏心钻头和钻头体的横销只起到悬挂钻头的作，不承担扭矩，避免了销子的变形、折断所造成孔内事故；2.目前国内采用的偏心跟管钻头需要转动175°左右才能实现钻头的张敛，而这种类型钻头的钻头体正转一个很小角度（8°左右）即可使钻头直径增大到设定的扩孔直径，钻头收回时，反转一个很小角度即可使钻头直径缩小到设定的直径，减少了钻头收回时被卡住的概率；3.单偏心跟管钻头—Ⅱ型的扭矩是通过在钻头体上设有一肾形的长圆孔和在偏心钻头上设有一肾形的长圆轴的配合来传递的；4.易于实现较大的变径要求。长螺旋跟管钻进管棚钻孔轨迹控制方法管棚钢管钻孔一旦出现孔斜或超出设计允许偏差，会妨碍邻近钢管的钻设，造成洞体形状参差不齐，支护效果不好等结果；若钢管下沉到一定程度，开挖时还需要切除，造成间隔增大，易坍塌。为此，钻进时可采取中压给进、中等转速、中等循环液量钻进；钻孔平面误差径向应控制在20cm内，角度误差小于1°以免因孔径过大而造成管棚钢管偏斜和向下弯曲。在实际施工中水平钻孔弯曲一般较难避免，因此除提高管棚定位精度外，可再给以适当的上抬量(根据现场地质情况定)，以补偿部分钻孔下垂量。掘进距离取决于管棚深度钢管的安装管棚钢管在跟进过程中要派专人进行套接加长，管棚相接时，保证管棚中线在同一轴线上，顺丝拧紧，不应出现扭曲现象，并确保连接头与管棚钢管丝扣紧密结合，不出现不同轴、偏心现象。考虑到钢管受力、结构整体及施工方便等因素，同一断面内的钢管接头数一般不大于50%，且相邻钢管的接头位置至少错开1m，常用的作法是将钢管按奇、偶编号，可确保钢管接头错开，钢管接头采用丝扣连接。钢管的分节长度一般为4m到6m，管壁加工梅花状透浆孔，管棚安装可采用人工或机械下管的方式。钢管的安装注浆管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果的优劣同样影响着整个管棚体系的施工质量。因此，注浆要根据地质情况选用合适的浆液、压力和合理的流量，在注浆过程中压力小则注不进，压力过大则会造成地面外鼓、崩裂，在城市浅埋地段对地面建筑物造成影响。注浆时，一般采用先低压、中流量注入，注浆过程压力逐渐升高，注浆流量逐渐减少；当压力升至终压时，继续压注5min，再结束注浆。注浆在设计给出浆液种类、预期注浆效果等条件下，为保证施工质量，在实际注浆施工前宜进行现场原位注入试验，确定最优注浆参数等来指导注浆，以保证注浆效果。为防止出现塌孔或注浆窜孔，可在钻孔时隔孔位钻孔，加大孔与孔之间的距离，待注浆完成凝固后再钻相连孔位，这样可有效保证钻孔和注浆质量，管棚和注浆混凝土形成厚拱，实现管棚纵向成梁、横向成拱的承载作用。注浆为减少相邻管孔注浆间的相互影响，注浆顺序通常采用由下往上，左右对称进行；但由于塌体内有许多块石相互支架，致使塌体内空洞大而多，这些空洞有的直接与塌空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固带无法形成，为此，根据经验采用间歇注浆法，即当长时间注浆压力上不来时，说明浆液顺空隙泄流至塌空区，这时将浆液凝结时间调整至30-50秒，注浆1-5分钟，停40秒，待原注入浆液初凝变稠后再注，如此反复，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，浆液即在管棚周围达到均匀扩散的目的。管棚超前支护技术发展趋势在目前的超前支护方法中,主要有超前锚杆、超前小导管注浆和超前管棚。超前锚杆和超前小导管注浆具有施工便捷、技术易掌握、机械化配套程度要求不高等优点,但支护长度小(仅3～5m),锚杆或小导管伸入工作面前端滑动线内距离短,开挖循环进尺受限制,一般在浅埋松散地层中循环进尺多控制在15～17m,循环次数增加,工序交换频繁,特别是在自稳能力极差的围岩中,锚杆和导管前端仍在滑移面内,起不到超前支撑保护的作用,极易造成工作面失稳,存在较大的安全隐患。因此，长管棚的应用越来越普遍。长管棚超前支护施工技术的支护作用机理在于,主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果,一方面进行钻孔、下设钢管,当钢管穿过松散软弱围岩、岩石(土)等破坏区后,伸入到原状土部位时,有力地保障了开挖掌子面岩土体的稳定,起到骨架、格栅作用;另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出,并在一定的压力作用下注入到钢管周围松散、软弱的地层中,从而形成复合稳定的固结体,使周围地层的力学性质得到改变,稳定性能得到加强,可以防止土层坍塌和地表下沉。意大利产管棚钻机DDL-300型钻机固体矿床的金刚石钻进，硬质合金钻进。同时也可以用于工程地质勘探钻进及基桩孔钻进。广泛应用于地质勘查，工程勘查，锚固护，旋喷注浆，管棚支护等工程施工作业。三．技术规格：

基本参数3.1

钻孔直径φ110-219mm

钻杆直径60，89mm

钻孔角度全方位

钻机外廓尺寸4800X2000X2500mm

钻机重量7500Kg3.2

动力头

后动力头：（钻杆）

转速转矩

单马达

低速

0-120

r/Min1600Nm高速

0-310

r/Min700

Nm

双马达

低速

0-60

r/Min3200Nm高速

0-155

r/Min1400Nm

前动力头：（套管）

转速转矩

单马达低速

0-60

r/Min2500Nm

双马达低速

0-30

r/Min5000Nm

动力头给进行程：

2200Nm3.5

卷扬机

提升速度0.2—0.7m/s

提升能力15

KN

钢丝绳直径12

mm

容绳量50

M3.6

行走装置

液压钢制履带

理论速:

2.1Km/h

额定牵引力

10KNm

爬坡度：

上坡:小于25度

下坡：

20度

侧翻角：35度

履带宽：400mm

履带中心距:2260mm

接地压强：≤35KPa3.7

配备动力

道依兹风冷柴油机

46KW3.3

给进装置：

单油缸链条倍增

动力头提升能力50

KN

动力头给进能力35

KN

动力头提升速度16

M/min

动力头给进速度24

M/min3.4

夹持器

夹持范围50-200

mm

夹持力6000

Nm隧道全液压履带管棚钻机---KR80412-3科莱（德国）美国卡特彼勒3056DI-T水冷发动机，功率：114kW;工作重量：14.2吨(配200V钻架和KD1624凿岩机)，钻孔深度：水平30m,钻孔口径89-250mm,也可用于锚索孔钻进施工。超前管棚注浆施工案例本合同段隧道浅埋Ⅱ类围岩段采用超前长管棚注浆支护，管棚采用Φ108mm，壁厚4mm的钢管。管棚与钢拱架配合使用并从拱架腹部穿过。在拱架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔，外插角约3°，以不侵入隧道开挖线越小越好，孔径比管棚钢管直径大20～30mm，钻孔顺序由高孔位向低孔位进行。钢管前端加工成尖锥形，尾部焊接Φ10加劲筋补强。钢管上入岩部分梅花形布置Φ12mm注浆孔，注浆孔间距15cm。钢管方向与路线中线平行，纵向搭接长度大于1.5m。隧道施工工艺流程测量放样→钻眼→装药→联线→放炮→通风→清浮石→仰拱装载机装矸（中心水沟挖掘机装矸）→自卸汽车排矸→施作系统锚杆→喷射砼1.主要工艺流程⑴钻孔、安设注浆管在隧道开挖轮廓线以外现浇C25混凝土护拱，搭设钻机平台，用工程水平钻机钻孔，达到设计深度后扫孔，安装注浆管，并在孔口1.5m~2.5m处安设与钻孔直径相同的橡胶套，用水泥砂浆封闭孔口，防止浆液沿注浆管与钻孔壁的缝隙挤出。采用钻－注的顺序进行施工。1.主要工艺流程⑵配浆及注浆用超细水泥配制注浆液，采用后退式分段注浆，关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，试验压力等于注浆终压，如有漏水及时检修。注浆时采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐步减小，当压力升至终压时，继续压注5min

再结束注浆。注浆孔在注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度和强度。1.主要工艺流程⑶注浆结束标准每段注浆施工正常，注浆压力达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80%及以上，或虽未达到设计终压，但注浆量已达设计注浆量，即可结束单孔注浆，设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象，注水试验地层吸水率0.05L/min，粘土固结强度大于0.4Mpa时即可结束全段注浆。2、超前小导管注浆施工超前小导管采用Φ42mm，壁厚3.5mm的无缝钢管。钢管上入岩部分梅花形布置Φ6mm注浆孔，注浆孔间距12cm。导管前端加工成尖锥形，尾部焊接Φ6.5加劲筋补强。注浆机选用液压注浆机。施工时，先用仪器测量放线，画出开挖外轮廓线，定出小导管中心线位置。导管采用钻孔施工时，孔眼深度应大于导管长度；采用锤击或钻机顶入时，其顶入长度不小于管长的90%。注浆采用液压注浆机。注浆前应喷射混凝土封闭作业面，防止漏浆，喷层厚度不小于5cm。导管注浆时，尾部应设封堵塞，当灌注水泥浆时，应在封堵塞上设注浆孔和排气孔。注浆时，排气孔出浆后应立即停止注浆。3、锚杆施工1）φ22砂浆超前锚杆锚杆钻孔前根据设计要求和围岩情况，定出孔位，作出标记。钻孔做到圆而直，其孔径和孔深符合设计要求，孔内积水和岩粉应吹洗干净；锚杆孔口岩面应整平，并使岩面与钻孔方向垂直，如不垂直，安装锚杆时可用特制垫板调整，使托板密贴岩面。锚杆施工预张拉力时，预张拉力值宜为锚固力的50%～80%，安装后要定时检查，发现松动及时紧固。2）D25中空注浆锚杆各类围岩锚杆采用D25中空注浆系统锚杆，锚杆长度为3.0～3.5m，梅花型布置。采用风钻钻孔，钻至规定深度后，用高压风吹孔，打入锚杆，然后用注浆泵由锚杆中孔向孔底灌满砂浆，安装垫板螺栓。锚杆施工要点及注意事项①孔位按设计布置，偏差小于10cm，孔深误差±10cm。钻孔直径大于锚杆直径15mm。锚杆插入长度不小于设计长度。②钻孔本身成直线，