采用长大管棚预支护进洞技术的理论与实践

采用长大管棚预支护进洞技术的理论与实践1前言管棚法(PipeRoof)，是隧道在不良地质条件下掘进时常采用的一种预支护技术。其工艺程序是:开挖掘进前在隧道开挖工作面的上半断面或全部断面沿隧道外轮廓周边，预先钻孔并安设惯性力矩较大的厚壁钢管，起到预支护作用，防止上覆岩土体坍塌和地表下沉，以保证掘进与后续施工工艺的安全施作。随着隧道工程的不断发展和经济社会需要的不断提高，隧道工程越来越多、对隧道线型的要求也越来越高，而隧道尤其是隧道洞口段不可避免地会遭各种各样的不良地质条件，如遇极破碎岩体、塌方体、软弱土体、堆积体、断层或埋深相当浅等，导致进洞困难；同时，基于环保理念的“零”进洞工法（即：减少对洞口仰坡的开挖、减少对洞周环境的破坏，以充分体现隧洞工程“早进晚出”的理念，进洞处埋深可能小于1m。）的要求，使得长大管棚成为隧道进洞预支护技术的重要而有效的选择。根据目前国内相关工程实例，长大管棚一般采用长度为40m，外径为108mm，与一般的管棚支护相比，长大管棚在受力原理、设计和施工等方面都有自己的特点和难点。2长大管棚受力原理在隧道洞口采用长大管棚超前支护进洞技术，可设置混凝土导向套拱，套拱一方面可以起到导向的作用，另一方面可以起到支承管棚、改善管棚受力的作用。在管棚施作前，先施作导向套拱；导向套拱施作完毕达到强度要求后，再通过导向套拱上预留的孔口钻孔进行长管棚工艺施作；在管棚施作完毕后，再进行注浆工艺施作。隧洞洞口段长大管棚受力原理为：（1）对于没有设置导向套拱的长大管棚，其受力原理与悬臂梁类似，如图1所示。在开挖隧道洞口时，随着管棚下部土体的开挖，管棚端部悬空。由于管棚钢管的相当一部分长度位于已预加固地层内，受到地层的固定约束，使得悬空段相当于一段弹性支撑上的短悬臂梁，起到支撑洞口上部荷载的作用。如初期支护有格栅拱架或者型钢拱架，则在拱架施作后，管棚有了新的支承点，其受力则可近似为简支梁。图1洞口无套拱长大管棚计算模型示意图（2）对于设有导向套拱的长大管棚，其受力原理与简支梁类似，如图2（见后页）所示。由于有了套拱的支承，其受力较未设导向套拱管棚更为均匀、更为合理，对洞口成型和进洞安全都更为有利。在洞口开挖时，管棚外端受到套拱的支承作用，内图2洞口有套拱长大管棚计算模型示意图端则位于已预加固地层内、受到地层固定约束，所以其受力与两端受支承的简支梁类似，可按简支梁受力进行设计计算。（3）通过管棚内注浆，使拱顶预形成加固的保护环，发挥“承载拱”的作用，承受拱上部围岩引起的荷载，使拱内部围岩仅承受拱部围岩由于形变引起的压力，从而可为开挖创造理想而安全的条件。（4）长大管棚使加固环的变形受到很大的约束，使隧道支护结构受到的荷载大为减小，并且长大管棚能有效地把拱部围岩的形变应力较均匀地传递给支撑拱架，使各部分结构的承载能力得到充分发挥。综上所述，长大管棚对于加固隧道洞口段地层、形成人造拱，改善隧道结构受力相当有效，是地质条件较差时进洞的较理想预支护技术。3长大管棚设计长大管棚预支护由于技术较复杂、成本较高等原因，在我国隧道工程中采用长大管棚预支护进洞技术的工程实例相对较少。目前，对于长大管棚的设计参数仍以经验及工程类比法为主，并辅以必要的数值模拟计算，具体计算时满足沿隧道纵向的强度和刚度要求即可，这可通过其下部的格栅钢架的间距来调整。长大管棚应根据具体隧道工程的地质情况、施工条件及技术条件进行选定与设计，主要设计参数如下：（1）管棚导管选用热轧无缝钢管，外径80~180mm，长度为10~45m；一般采用分段安装，每段长4~6m，两段之间采用“V”型对焊连接或者丝扣连接。（2）长大管棚一般应用于地质较差地段，因此常常与注浆加固措施联合使用，所以管棚钢管上需钻注浆孔，孔径为10~16mm，孔间距为15~20cm，呈梅花型布置（如图3所示）；钢管尾部不钻孔，留作止浆段。图3长大管棚导管构造示意图（单位：mm：D=80~180mm）管棚钢管注浆通常有两种形式，一种是通过导管上的注浆孔向地层内注浆，既加固地层又充填导管，浆液可以选用水泥浆或者水泥——水玻璃双液浆（Cement-Sodium-Silicate）等；另一种是向导管内灌注水泥砂浆或者混凝土等，混凝土的标号可取C20~C30。（3）为了防止管棚侵入隧洞衬砌外轮廓线，设计时，管棚导管沿隧洞纵向均设置了径向仰角，考虑线路纵坡后仰角值为1º~3º。由于长大管棚较长，更易产生倾斜，所以，长大管棚导管仰角取较大值。（4）管棚导管间距设计应根据地层性质、地层应力、管棚设计部位、钻机性能及开挖方法等因素确定，一般为30~50cm，或按2.0~2.5倍钢管外径估算。（5）对于长大管棚，拥有足够的刚度是相当的重要，为了增加长大管棚的刚度，必要时可在管棚导管内安放钢筋笼（如图3所示）。钢筋笼由四根主筋和固定环组成。主筋直径为16~20mm，固定环用短管节或钢筋环焊接而成。（6）与长大管棚配合使用的初期支护钢架，可采用钢轨、H型钢、格栅钢架，或者采用钢管等加工制成。4工程实例4.1工程概况雪峰山隧道是国道主干线上海至云南瑞丽高速公路、湖南省内邵阳至怀化段的重点控制工程，该隧道为上下行分离式双洞隧道，左线全长6946m，右线全长6956m。隧道右线邵阳端洞口段地质条件较差：较长距离为Ⅴ级围岩，强风化、节理裂隙极发肓、呈碎石状松散结构、纵波波速Vp<850m/s，且相对埋置深度较浅，不易成洞。为了遵循隧道工程“早进晚出”的原则、减少对洞口边仰坡的大开大挖、保护洞顶植被不被破坏、保证进洞安全和隧道结构受力稳定，在隧道洞口设计采用了长大管棚预支护的进洞方法。雪峰山隧道右线邵阳端洞口管棚长40m，布置范围为拱部。为了防止管棚钻孔和插入偏斜、同时改善管棚的受力，设计中采用C25钢筋混凝土套拱作长大管棚的导向墙，套拱在明洞外轮廓线以外施作。长大管棚正视图如图4（见后页）所示，纵向如图5（见后页）所示。图4雪峰山隧道管棚正视图（单位：cm）图5雪峰山隧道管棚纵剖图（单位：cm）4.2长大管棚主要设计参数（1）钢管规格：热轧无缝钢管φ108mm，壁厚6mm，节长4m、6m，采用丝扣联接。为了保证钢管纵向接头错开，单号孔从外向里布管节长为：6m+6m+6m+6m+6m+6m+4m=40m，双号孔从外向里布管节长为：4m+6m+6m+6m+6m+6m+6m=40m（2）管距：环向间距50cm，总共33根。（3）倾角：仰角1°（不包括路线纵坡），方向：与路线中线平行。（4）钢管施工误差：径向不大于20cm。（5）套拱采用C25钢筋混凝土，厚60cm、长200cm，拱部及边墙部位设置，底部作用于地基基础上。（6）长管棚注浆按固结管棚周围有限范围内土体设计，浆液扩散半径不小于0.5m。注浆采用分段注浆。（7）注浆浆液为水泥——水玻璃双液浆（Cement-Sodium-Silicate），水玻璃浓度为35波美度，水玻璃模数2.4，注浆压力初压为0.5~1.0MPa终压为2.0MPa。浆液具体比例根据现场实验确定，以达到最佳效果。4.3工程效果根据现场施工过程中及施工后的相关情报分析得出：雪峰山隧道右线邵阳端采用长大管棚预支护进洞技术是成功的，实现了隧道工程“早进晚出”的原则——在最小埋深不到2米的条件下实现了安全进洞；减小了仰坡开挖，保护了洞顶植被，也确保了洞顶覆土不受扰动（经重庆公路交通科研设计研究院监测，地表下沉符合相关规定）；隧道洞口段在施工过程中及施工后均安全、稳定，未出现任何工程事故。5结语长大管棚预支护进洞技术设计的理论与实践表明：采用长大管棚可以有效地加固洞口不良地质，能在较薄覆土的情况下实现安全进洞，能减少洞顶植被破坏、有利环保，能够减少对洞顶原始地表的破坏、对隧道的施工及运营均有利。随着隧道工程的发展，许多不良地质将不再绕避，而且越来越多的隧道工程对早进洞的要求会越来越高，所以，采用长大管棚预支护进洞技术的隧道工程将会越来越多。但是，长大管棚预支护进洞技术仍存在一定的问题有待探讨和解决：（1）长大管棚在设计计算当中，一般只考虑了管棚长度范围内上覆岩土体所引起的荷载。但是，长大管棚支护范围前方岩土体必然影响管棚的受力的，如何考虑前方岩土体影响因素、如何建立相关的计算模型，尚须研究。（2）采用长大管棚预支护进洞技术的隧道，地质条件都是比较差的。在较差的岩土体中钻孔，钻孔后孔洞必然会有收缩现象，甚至可能出现坍塌堵孔现象；同时，钢管太长（比如40米）必然会使其在插入过程中容易弯折，使其插入困难。因此，如何使长大管棚顶进到位，在工程实践中必须给予充分的考虑。（3）为了防止长大管棚侵限