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，内播图屯2铜票洞口挂有移套拱长大管棚颤计算模型示意敬图逮端壶则位孔于已预加固地乎层内、受到地蹲层固定约束，饭所以其受力与草两端受支承的倒简支裤梁类似，可按吹简支梁受力进旁行设计计算。勺（棉3氏）通过管棚纤内塞注浆，使拱顶扫预形成加固的桂保护环，发么挥挣“痕承载宣拱努”但的作用，承受赔拱上部秩围岩引起的荷诵载长，使拱内部围铜岩仅承受拱部每围蜡岩疗由于愧形变华引起的蚊压力，从而标可为开挖创造按理想而安全的度条件。啊（更4斯）暂长大管棚使加视固环的变形受晃到很大的约束险，使隧道支护变结构受到的荷拘载大为减小，扇并且长大管棚凑能有效地把拱携部围岩的形变勤应力较均匀地脸传递给支撑拱辛架，使各部分围结构的承载能腿力得到充分发贵挥。险综上所述吼，长大管棚对语于加固隧饲道旨洞口段珠地层、形称成人造拱，改咏善隧故道慰结构受力相当论有效，是地质傲条件较差时进芦洞的较理想预常支护技术。帽3童长大征管棚设计各长大管棚裕预支护丙由于技术吉较复杂、成本述较高等原因，捷在我国隧穷道加工程中颗采用长大管棚敞预蝇支护弟进洞尽技术怒的工程实例轰相对较少。目晌前，对于长大谅管棚的设计参叔数仍以经验及赏工程类比法为轿主，并辅以必疏要的充数值模拟吊计算，戴具体计算时满顿足沿隧左道婶纵向的强度和菜刚度要求即可纽，这可通过其练下部的格栅钢夕架的间距来调巨整。忍长大蹈管棚应根据具虑体渠隧道省工程的地质情夕况、施完工条件及技术铺条件进行绿选定与婶设计，主要借设计搅参数如下：叼（柜1纵）酬管棚速导管止选磨用热轧无缝钢右管，外山径妖80誓~映180mm廊，长度旧为盲10妇~狮45m投；一般采用分议段安装，每段亮长留4腔~纪6m涝，两段之间采跳用仍“金V薪”堤型对焊连接或交者丝扣连接。事（凡2标）顷长大管棚一般鹰应用于地质较检差地段，杂因此干常常平与注浆加固措执施联合使用，个所以管棚钢管饰上需钻注浆孔秩，孔径们为启10窃~浙16mm鸟，孔间距至为肯15座~肃20cm围，呈梅花型布初置尾（如顶图态3兽所示）贱；钢管尾部不漆钻孔，留基作荒止浆段。谊图矩3严长大管棚导管持构造董示意占图搬（单位揭：庸mm危：羡D=80产~着180mm龄）边管棚钢管绿注浆弯通常英有两种形式，格一种是通过导韵管上的注浆孔捏向地层内注浆笑，既加固地层洲又充填导管丽，浆液可以选送用毯水泥浆或者水虾泥肠—稿—积水玻璃双液浆趁（甲Cement求-Sodiu窜m-Sili瞒cat抬e浙）等赶；峡另一种是向导想管内灌注素水泥砂浆挡或者混凝土菠等盘，混凝土的标抛号盐可取反C20乳~罪C3腐0涌。亩（屑3睡）旧为了防止管棚江侵入缴隧洞衬砌外轮介廓线，两设计时，障管棚导管铅沿隧洞醒纵向反均誉设置泳了颤径向仰角晒，考虑线路纵猴坡后仰角值惜为级1如º吹~纷3伴º着。从由于长大管棚吃较长，更易产扣生倾斜，所以挠，长大管棚导波管仰角取较大膝值。嘴（辈4雁）互管棚导管幸间距设计应根绒据地层性质、全地层应力、管巾棚设计部位、抖钻机性能及开顽挖方法等因素俱确定，一般为稻30~暑50cm参，或糠按走2.0~2.像5斗倍钢管外径估年算。着（蚊5惨）蚁对于长大管棚灶，拥有足够的带刚度是相当的她重要，为了增企加长大管棚的滋刚度，必要时派可在管棚导管抹内安放钢筋笼吐（册如止图套3雷所示懂）箭。夹钢筋笼由四根庙主筋和固定环多组成。主筋直巴径逃为悲16~省20mm驾，固定环用短多管节或钢筋环滔焊接而成。舒（净6我）与裹长大累管棚配合使用匆的桃初期支护鸽钢架，可采用兰钢轨裁、漠H泛型钢、格栅钢放架橡，或者采用偷钢管等加工制验成。具4晒悄工程实例歪4.1存宝工程概况跳雪峰山隧道是软国道主干线上衫海至云南瑞丽霉高速公路邪、序湖南笛省偷内畜邵阳至怀化段奶的庭重点控制工程甩，慈该隧道为上下腰行分离风式姓双洞隧道段，倦左线全长生6946m欢，毙右线全长肤6956m酷。甩恋隧道得右线邵阳端洞隆口造段黑地质条件较差认：套较长距离为莫Ⅴ征级右围岩令，范强风化、节理吐裂隙极发肓、束呈碎石状松散恢结构、纵波波赤速圆Vp<污850m底/锡s爹，胳且相对埋置深赌度较浅，不易蔑成洞。为了殿遵循隧道工程装“坟早进晚给出侦”豪的原则、减少循对劈洞口捷边仰坡的大开统大挖忙、绢保护洞顶植被顺不被破坏、拐保证进洞安全殿和隧道结构受仁力稳定镰，在隧道洞口吐设计采用了欲长袭大铸管棚踢预钉支护笛的进洞方法充。缎雪峰山隧道右狮线捕邵阳端洞口绣管棚长掩40m档，布置范围为界拱部。为了防数止管棚钻孔兄和插入怕偏品斜予、同时闲改善管棚的受冰力，设计约中冶采用敏C25粗钢筋混凝土套遭拱作长机大单管棚破的夕导向墙，套拱躺在明洞外轮廓浇线以外施作。耀长大管棚申正视图乒如图评4夫（见后页）伙所示，纵向如额图最5姥（见后页）渗所示。帆图穗冬4傲痒雪峰山隧道管敢棚正视图泄（单位范：浩c证m递）盐图恳扑5虚雪峰山隧道管找棚纵剖图抖（单位肉：奉c芝m留）滴4.2惊长缸大痕管棚主要设计肠参数储（澡1慰）优钢悦管规格：热轧叹无缝钢管违φ阴108mm宣，壁厚兔6mm销，节长蝶4规m给、贫6m再，采用丝扣联敢接在。棍为了保证钢管抹纵向六接头错开，单国号孔从外向里战布管节长为：框6m伙+绘6m爬+亩6m富+鬼6m邀+背6m呢+拦6m框+蝶4m棋=若40m平，双号孔从外关向里布管节长岸为：眨4m前+纷6m泊+近6m滋+窑6m渠+鬼6m享+携6m现+促6m描=育40m蛮（市2饭）管距：环向侦间距殃50cm宰，总廉共嗓3登3死根果。王（捆3涝）倾角：仰角捡1熊°郑（不包括路线反纵坡），方向询：创与路线中线平谢行。扔（剖4箱）钢管施工误样差：径向不大请于炉20cm川。辩（塘5化）池套拱采磁用点C2槐5我钢筋混凝土，熄厚次60cm爽、长恢200cm钥，拱部及边墙秩部位设置丈，底部作用于滩地基基础上穷。灯（痕6垄）景长管棚注浆按泡固结管棚周围担有限范围内桥敏土体设计，浆接液扩散半径不血小于落0.5m季。注浆采用分诵段注浆。裹（躺7惨）注浆浆液为拼水泥肾——剪水玻璃双液浆且（评Cement建-Sodiu汗m-Sili钻cat塞e槐），础水玻璃浓度毛为授35退波美度潜，湾水玻璃模数浴2.4闭，银注浆压力初压掘为牵0.5~1.碍0MPa假皱昆终压找为匆2.0MPa版。申浆液具体比例净根据王现场实验确定遮，以达到最佳究效果。讨4.3亲挪工程效果葡根据现场施工垃过程中及施工伏后的相关情报屋分析得出：雪传峰山隧道右线肿邵阳端啊采用长大管棚链预支护进洞技摆术是成功的，隔实现了隧道工酿程暂“灵早进晚够出有”庸的原则椅——欲在笨最小埋深话不到刮2解米言的条件下实现酸了预安全汤进洞；映减小了复仰坡开挖，伏保护了刺洞顶针植被泉，灯也确保了洞顶爬覆土不受扰动僻（经重庆公路谜交通科研设计灰研究院监测，睬地表下沉符合尤相关规定）抗；尿隧道洞口段在引施工过程中及旋施工后均安全讽、越稳定婶，未出现任何谅工程事故。5结语臭长大管棚单预支护仗进洞技术设计阻的理论与实践食表明锦：黄采用长大管棚粥可以有效地加榨固洞口不良地登质，能在较薄由覆土的情况下哗实现安全进洞逢，能减少洞顶支植被破坏、有怀利环保，翅能够减少对洞患顶原始地表的听破坏、对隧道低的施工及运营蹄均有利。句随着隧道工程让的发展，许多垫不良地质将不设再绕避，而且己越来越多的隧耍道工程对早进乓洞的要求会越夜来越高，所以边，采用长大管醋棚绪预支护共进洞技术的隧牙道工程将会越禾来越多。腿但是，长大管具棚钥预支护泊进洞技术仍存株在一定的问题夜有待探叶讨更和解决：市（改1被）长大管棚在碰设计计算当中新，一般只考虑窃了管棚长度范匙围内上覆岩土随体所引起的荷要载。但是，长填大管棚支护范错围前方岩土体盘必然影响管棚孕的受力的，如乞何考虑前方岩疑土体影响因素节、如何建立相距关的计算模型焦，尚须研究。仔（笨2蛙）宏采用长大管棚侵预支护捏进洞技术的隧员道，地质条件寸都是比较差的祥。在较差的岩齐土体中钻孔，戒钻孔后企孔洞必然会有歼收缩现象，甚虽至蚁可能饶出现著坍塌伴堵孔轨现象弯；同时，钢管蝶太长（比如慈4沉0仆米鸽）必然会使其启在插入过程中凑容易膛弯折，使其插失入困难。因此踪，如何使长大带管棚顶进到位冠，在工程实践匠中必须给予充歉分的考虑。小（筛3竖）腿为了防止长大益管棚侵限，管召棚钢管一般都睬设