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管棚超前支護技術作為隧道開挖的一種輔助工法，在防止隧道塌方、抑制地層位移、控制地表沉降方面發揮著重要的作用，今天小編和大家一起來詳細的學習一下這項隧道施工技術都有什么需要注意的地方吧！

地下工程超前支護方法

超前支護技術是指在隧道開挖之前，通過向掌子面前方地層里注漿、冷凍、打入鋼管、鋼板、錨桿等技術措施在隧道橫斷面上形成一個拱形連續體，使其加固開挖面前方地層，同時利用其支撐力保持前方土體的穩定，減少地表沉降量的技術總稱。

研究表明，圍巖注漿加固可提高其強度和變形模量，從根本上改善圍巖的變形規律，

資料表明，砂巖在注漿后的強度可增加50%-70%，粉砂巖和泥質巖增加2-4倍，而巖石強度的增大可使支護荷載減少2/3 -4/5。

實踐表明超前支護體系能夠有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地層在穩定狀態下開挖隧道。研究表明地面的整個沉降量的30%-40%和地下地層的整個沉降量的40%-50%是在一般的支護開始發生作用之前發生的，超前支護對地面沉降有30-35%的抑制效果，對隧道頂上地層(拱頂)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地層對抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支護技術作為加固地層、穩定拱頂及掌子面、減少地表沉降的輔助施工工法，己經在地下工程施工中得到了廣泛地應用。

根據采取的加固措施對周圍地層特性和應力分布的影響，可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法，這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結等；預支護法就是在隧道開挖前，先超前對圍巖進行加固，以增加圍巖的自穩能力，并使開挖面周圍應力干擾達到最小的方法。超前支護方法主要包括：管棚法，機械預切糟法，預襯砌法，水平旋噴注漿法，超前小導管法，超前錨桿法、凍結法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導管法等支護方法同時也改良和加固了地層。

管棚注漿支護

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內，并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系，支承來自于管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法，超前距離長，剛度較大，適用于掌子面不能自穩、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合，除具有大管棚的特點外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長短結合的預支護效果更為理想。

管棚支護的主要作用和優點

（1）梁拱效應：先行施設的管棚，以掌子面和后方支撐為支點，形成一個梁式結構，二者構成環繞隧洞輪廓的殼狀結構，可有效抑制圍巖松動和垮塌。

（2）加固效應：注漿漿液經管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結、固結，從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質，增強了圍巖的自承能力，達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的。

（3）環槽效應：掌子面爆破產生的爆炸沖擊波傳播和爆生氣體擴展遇管棚密集環形孔槽后被反射、吸收或繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍。

（4）確保施工安全：管棚支護剛度較大，施工時如發生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖碴上，起到緩沖作用，即使管棚失穩，其破壞也較緩慢。

隧道超前支護法一覽

根據采取的加固措施對周圍地層特性和應力分布的影響，可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法，這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結等；預支護法就是在隧道開挖前，先超前對圍巖進行加固，以增加圍巖的自穩能力，并使開挖面周圍應力干擾達到最小的方法。超前支護方法主要包括：管棚法，機械預切糟法，預襯砌法，水平旋噴注漿法，超前小導管法，超前錨桿法、凍結法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導管法等支護方法同時也改良和加固了地層。

管棚注漿支護

就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內，并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系，支承來自于管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法，超前距離長，剛度較大，適用于掌子面不能自穩、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合，除具有大管棚的特點外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長短結合的預支護效果更為理想。

管棚支護適用范圍

根據國內外的施工實踐，綜合我國目前地下工程管棚支護應用的實際案例，管棚支護可適用于：軟弱砂土質地層、砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質粘土地層，裂隙發育巖體、突泥突水段、斷層破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段、淺埋大偏壓等地質和地下水豐富條件的地下構筑物施工的支護，隧道進出口段開挖的支護，也多應用于地鐵等穿越城區的地下工程的開挖預支護，可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結構物下方修建隧道的輔助方法；作為隧道洞口段及修建大斷面隧道施工的輔助工法及作為其他施工的輔助工法，也常用于淺埋但不宜明挖地段或淺埋隧道情況下，地表有建筑物、或隧道接近地中結構物時等對施工沉降有特殊要求的工程等。

管棚支護的設計

管棚支護的設計參數主要包括：鋼管直徑、長度、間距、仰角、水平搭接長度、鋼架間距、注漿參數等，當需要增大鋼管的強度和剛度時，可在管內設置鋼筋籠而后用水泥砂漿填充。我國《鐵路隧道施工規范》規定：管棚用鋼管直徑宜為φ70-φ127mm；鋼管中心間距宜為管徑的2-3倍；管棚長度應根據地層情況選用，不宜小于10m；縱向兩組管棚的搭接長度應大于3m。管棚支護參數可按工程類比法確定，并在施工中根據實際情況調整。

管徑的選擇

大部分工程的鋼管直徑在中φ50-φ180mm之間，有學者將管棚支護按管徑分類為小管棚和大管棚，小管棚管徑一般在φ30-φ50mm，大管棚管徑介于φ89-φ159mm，工程中多用φ108mm的鋼管，環向間距以不大于3-5倍管徑為宜。管棚鋼管的選擇根據計算結果和技術經濟因素分析，對于支護條件要求較高的松軟地層，應選取φ127mm鋼管，土體凝聚力較高的粘性土，可選取φ89mm鋼管，一般土層在多數情況下選取φ108mm鋼管。

管棚鋼管環向間距的確定

常規的沿隧道開挖輪廓線等間距設置管棚的方法是不科學的，應針對不同情況合理設計。鋼拱架布置間距根據塌方體的松散與開挖難易程度及施工效果，可在40-80cm范圍內調整選擇，特殊情況下需加密。根據對工程實例的地質條件、工程斷面尺寸、埋深等影響因素的總結和對比分析，得出以下經驗結論，可用于地下工程支護的施工依據：

管棚鋼管直徑范圍一般為φ70-180mm，我們可將管棚支護按管徑分類為小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管徑一般在φ32~50mm范圍內，多采用管徑為φ42mm的鋼管，管長以3.5-5m為宜，環向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長度1-1.5m。中管棚管徑一般在φ50-φ89mm范圍內，管長一般不超過20m，環向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長度1-2m。大管棚一般可選用φ89-φ159mm的鋼管，常用管徑φ108mm，管長以不超過40m為宜，鋼管一般分節長4m或6m，以絲扣連接，絲扣長不小于150mm，環向間距一般不大于3-5倍管徑為宜。

外插角的合理確定

角度過小，將可能導致管棚遠端下垂至隧道開挖幅員內影響后期施工；相反，角度過大，管棚離開挖幅員距離過大，管棚下方的三角土體坍塌給洞身開挖支護帶來很大困難，還應根據管棚鉆機工作室空間大小，以及鉆桿長度等情況綜合考慮確定。小管棚外插角常取5o-15o，中管棚常取2o-8o，長管棚多取1o-3o。鋼拱架支撐一般用工字鋼，或工字鋼與格柵鋼架間隔使用，間距一般不大于1米，特殊情況下需加密。

管棚布置形式

門型布置

全周布置與上部一側布置

管棚布置形式

管棚施工工藝流程

鉆孔流程

注漿流程

成孔方法

常用的施工方法有夯管法、頂管法、鉆孔等。但鉆孔法是目前最常用的成孔方法。隨著鉆探設備的專業化分工越來越細，管棚專用鉆機也應運而生。但管棚鉆進為近水平鉆進，性質上與勘探鉆孔有所不同，對鉆孔方向(空間位置)的精度要求很高，終孔測量一旦發現孔斜或超出設計允許偏差，會造成嚴重的后果。

鉆孔方法

潛孔錘跟管鉆進

“土星”跟管鉆進法

“海王星”跟管鉆進法

潛孔錘跟管鉆具按鉆頭能否改變直徑可分為兩大類：即鉆頭變徑跟管鉆具和鉆頭不變徑跟管鉆具。鉆頭變徑跟管鉆具目前主要有單偏心變徑跟管鉆具、雙（三）偏心變徑跟管鉆具和徑向變徑跟管鉆具等結構。除單偏心變徑跟管鉆具屬于偏心跟管外，其余結構的鉆頭變徑跟管鉆具由于鉆頭翼瓣在張斂的過程中沿鉆具中心軸線是對稱的，因此應屬于同心跟管鉆具。鉆頭不變徑跟管鉆具均采用內外鉆頭結構，一般套管需要回轉，此類鉆具屬同心跟管鉆具。相對來說鉆頭變徑跟管鉆具使用的比例較大，約占市場使用的95%，這都是由它的結構特點所決定的。

鉆頭不變徑跟管的主要缺

1、鉆具在工作時，內外管同時回轉，易造成內外管之間的環狀間隙被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住，造成內管反轉失靈，內外管無法分離。這種方法需要大扭矩的回轉鉆機，能源消耗大，不利于環保；

2、由于鉆頭不變徑跟管鉆具的鉆進是同口徑進入，尤其是遇到漂石時，鉆進將非常困難，即使鉆孔成功，由于鉆孔縮徑，起拔套管也非常麻煩，甚至經常造成套管斷裂等孔內事故。

△轉頭活瓣張開

△轉頭活瓣閉合

△單偏心跟管鉆頭—Ⅰ型

△張開狀態

△單偏心跟管鉆頭—Ⅱ型

該型鉆頭優點

1.連接偏心鉆頭和鉆頭體的橫銷只起到懸掛鉆頭的作，不承擔扭矩，避免了銷子的變形、折斷所造成孔內事故；

2.目前國內采用的偏心跟管鉆頭需要轉動175°左右才能實現鉆頭的張斂，而這種類型鉆頭的鉆頭體正轉一個很小角度（8°左右）即可使鉆頭直徑增大到設定的擴孔直徑，鉆頭收回時，反轉一個很小角度即可使鉆頭直徑縮小到設定的直徑，減少了鉆頭收回時被卡住的概率；

3.單偏心跟管鉆頭—Ⅱ型的扭矩是通過在鉆頭體上設有一腎形的長圓孔和在偏心鉆頭上設有一腎形的長圓軸的配合來傳遞的；

4.易于實現較大的變徑要求。

長螺旋跟管鉆進

管棚鉆孔軌跡控制方法

管棚鋼管鉆孔一旦出現孔斜或超出設計允許偏差，會妨礙鄰近鋼管的鉆設，造成洞體形狀參差不齊，支護效果不好等結果；若鋼管下沉到一定程度，開挖時還需要切除，造成間隔增大，易坍塌。為此，鉆進時可采取中壓給進、中等轉速、中等循環液量鉆進；鉆孔平面誤差徑向應控制在20cm內，角度誤差小于1°以免因孔徑過大而造成管棚鋼管偏斜和向下彎曲。在實際施工中水平鉆孔彎曲一般較難避免，因此除提高管棚定位精度外，可再給以適當的上抬量(根據現場地質情況定)，以補償部分鉆孔下垂量。

管棚鉆孔軌跡控制方法

管棚鋼管鉆孔一旦出現孔斜或超出設計允許偏差，會妨礙鄰近鋼管的鉆設，造成洞體形狀參差不齊，支護效果不好等結果；若鋼管下沉到一定程度，開挖時還需要切除，造成間隔增大，易坍塌。為此，鉆進時可采取中壓給進、中等轉速、中等循環液量鉆進；鉆孔平面誤差徑向應控制在20cm內，角度誤差小于1°以免因孔徑過大而造成管棚鋼管偏斜和向下彎曲。在實際施工中水平鉆孔彎曲一般較難避免，因此除提高管棚定位精度外，可再給以適當的上抬量(根據現場地質情況定)，以補償部分鉆孔下垂量。

注 漿

管棚注漿是管棚施工的關鍵環節之一，注漿效果的優劣同樣影響著整個管棚體系的施工質量。因此，注漿要根據地質情況選用合適的漿液、壓力和合理的流量，在注漿過程中壓力小則注不進，壓力過大則會造成地面外鼓、崩裂，在城市淺埋地段對地面建筑物造成影響。注漿時，一般采用先低壓、中流量注入，注漿過程壓力逐漸升高，注漿流量逐漸減少；當壓力升至終壓時，繼續壓注5min，再結束注漿。

在設計給出漿液種類、預期注漿效果等條件下，為保證施工質量，在實際注漿施工前宜進行現場原位注入試驗，確定最優注漿參數等來指導注漿，以保證注漿效果。為防止出現塌孔或注漿竄孔，可在鉆孔時隔孔位鉆孔，加大孔與孔之間的距離，待注漿完成凝固后再鉆相連孔位，這樣可有效保證鉆孔和注漿質量，管棚和注漿混凝土形成厚拱，實現管棚縱向成梁、橫向成拱的承載作用。

為減少相鄰管孔注漿間的相互影響，注漿順序通常采用由下往上，左右對稱進行；但由于塌體內有許多塊石相互支架，致使塌體內空洞大而多，這些空洞有的直接與塌空區相連，注漿時漿液在壓力作用下通過這些空洞泄流至塌空區，而不能在管棚附近均勻擴散，從而使注漿加固帶無法形成，為此，根據經驗采用間歇注漿法，即當長時間注漿壓力上不來時，說明漿液順空隙泄流至塌空區，這時將漿液凝結時間調整至30-50秒，注漿1-5分鐘，停40秒，待原注入漿液初凝變稠后再注，如此反復，則原先的泄漿通道逐漸變小并最終堵塞，漿液即在管棚周圍達到均勻擴散的目的。

管棚超前支護技術發展趨勢

在目前的超前支護方法中, 主要有超前錨桿、超前小導管注漿和超前管棚。超前錨桿和超前小導管注漿具有施工便捷、技術易掌握、機械化配套程度要求不高等優點, 但支護長度小(僅3～ 5 m ) , 錨桿或小導管伸入工作面前端滑動線內距離短, 開挖循環進尺受限制, 一般在淺埋松散地層中循環進尺多控制在15～ 17 m , 循環次數增加, 工序交換頻繁, 特別是在自穩能力極差的圍巖中, 錨桿和導管前端仍在滑移面內, 起不到超前支撐保護的作用, 極易造成工作面失穩, 存在較大的安全隱患。因此，長管棚的應用越來越普遍。

長管棚超前支護施工技術的支護作用機理在于, 主要是鋼管與漿液固結體共同作用的結果, 一方面進行鉆孔、下設鋼管, 當鋼管穿過松散軟弱圍巖、巖石(土) 等破壞區后, 伸入到原狀土部位時, 有力地保障了開挖掌子面巖土體的穩定, 起到骨架、格柵作用; 另一方面通過注漿使漿液從鋼花管孔眼中壓出,并在一定的壓力作用下注入到鋼管周圍松散、軟弱的地層中, 從而形成復合穩定的固結體, 使周圍地層的力學性質得到改變, 穩定性能得到加強, 可以防止土層坍塌和地表下沉。

超前管棚注漿施工案例

本合同段隧道淺埋Ⅱ類圍巖段采用超前長管棚注漿支護，管棚采用Φ108mm，壁厚4mm的鋼管。管棚與鋼拱架配合使用并從拱架腹部穿過。在拱架上沿隧道開挖輪廓線縱向鉆設管棚孔，外插角約3°，以不侵入隧道開挖線越小越好，孔徑比管棚鋼管直徑大20～30mm，鉆孔順序由高孔位向低孔位進行。鋼管前端加工成尖錐形，尾部焊接Φ10加勁筋補強。鋼管上入巖部分梅花形布置Φ12mm注漿孔，注漿孔間距15cm。鋼管方向與路線中線平行，縱向搭接長度大于1.5m。

隧道施工工藝流程

測量放樣→鉆眼→裝藥→聯線→放炮→通風→清浮石→仰拱裝載機裝矸（中心水溝挖掘機裝矸）→自卸汽車排矸→施作系統錨桿→噴射砼

1.主要工藝流程

⑴鉆孔、安設注漿管在隧道開挖輪廓線以外現澆C25混凝土護拱，搭設鉆機平臺，用工程水平鉆機鉆孔，達到設計深度后掃孔，安裝注漿管，并在孔口1.5m~2.5m處安設與鉆孔直徑相同的橡膠套，用水泥砂漿封閉孔口，防止漿液沿注漿管與鉆孔壁的縫隙擠出。采用鉆－注的順序進行施工。

⑵配漿及注漿用超細水泥配制注漿液，采用后退式分段注漿，關閉孔口閥門，開啟注漿泵進行管路壓水試驗，試驗壓力等于注漿終壓，如有漏水及時檢修。注漿時采取低壓力、中流量注入，注漿過程中壓力逐步上升，流量逐步減小，當壓力升至終壓時，繼續壓注5min 再結束注漿。注漿孔在注漿結束后及時清除管內漿液，并用30號水泥砂漿填充，以增強管棚的剛度和強度。

⑶注漿結束標準每段注漿施工正常，注漿壓力達到設計終壓，注漿量達到設計注漿量的80%及以上，或雖未達到設計終壓，但注漿量已達設計注漿量，即可結束單孔注漿，設計的所有注漿孔均達到結束標準，無漏注現象，注水試驗地層吸水率0.05L/min，粘土固結強度大于0.4Mpa時即可結束全段注漿。

2.超前小導管施工

超前小導管采用Φ42mm，壁厚3.5mm的無縫鋼管。鋼管上入巖部分梅花形布置Φ6mm注漿孔，注漿孔間距12cm。導管前端加工成尖錐形，尾部焊接Φ6.5加勁筋補強。注漿機選用液壓注漿機。施工時，先用儀器測量放線，畫出開挖外輪廓線，定出小導管中心線位置。導管采用鉆孔施工時，孔眼深度應大于導管長度；采用錘擊或鉆機頂入時，其頂入長度不小于管長的90%。注漿采用液壓注漿機。注漿前應噴射混凝土封閉作業面，防止漏漿，噴層厚度不小于5cm。導管注漿時，尾部應設封堵塞，當灌注水泥漿時，應在封堵塞上設注漿孔和排氣孔。注漿時，排氣孔出漿后應立即停止注漿。

3.錨桿施工

1）φ22砂漿超前錨桿錨桿鉆孔前根據設計要求和圍巖情況，定出孔位，作出標記。鉆孔做到圓而直，其孔徑和孔深符合設計要求，孔內積水和巖粉應吹洗干凈；錨桿孔口巖面應整平，并使巖面與鉆孔方向垂直，如不垂直，安裝錨桿時可用特制墊板調整，使托板密貼巖面。錨桿施工預張拉力時，預張拉力值宜為錨固力的50%～80%，安裝后要定時檢查，發現松動及時緊固。

2）D25中空注漿錨桿各類圍巖錨桿采用D25中空注漿系統錨桿，錨桿長度為3.0～3.5m，梅花型布置。采用風鉆鉆孔，鉆至規定深度后，用高壓風吹孔，打入錨桿，然后用注漿泵由錨桿中孔向孔底灌滿砂漿，安裝墊板螺栓。

錨桿施工要點及注意事項

①孔位按設計布置，偏差小于10cm，孔深誤差±10cm。鉆孔直徑大于錨桿直徑15mm。錨桿插入長度不小于設計長度。

②鉆孔本身成直線，不彎曲。方向沿隧道周邊徑向，但不平行于巖面。

③施作錨桿時，同時預埋格柵鋼架的定位錨桿。錨桿插入后不得隨意敲擊，三天內不準懸掛重物。

④灌孔前清孔，順錨桿孔用高壓風清除孔內積水、巖粉、碎屑等雜物。

⑤注漿使用灌漿罐和注漿管，孔口壓力小于0.4MPa。順著錨桿孔注漿，直到孔口有漿液流出為止。砂漿隨備隨用，在砂漿初凝前使用完⑥每100根錨桿隨機抽樣三根，作拉拔試驗，以了解錨桿的錨固質量。

4、鋼筋網施工

各類圍巖均布置鋼筋網。鋼筋網采用φ6圓鋼，間距為5 cm×15cm，鋼筋網在現場單根安裝。鋼筋網與錨桿聯接牢固，隨著噴面的起伏鋪設。鋼筋網之間及與已噴砼段的鋼筋網搭接牢固，且搭接長度不小于200mm。鋼筋網需掛靠牢固，在噴射混凝土時鋼筋網不得晃動。

5、噴射(濕噴)混凝土施工

A、噴射砼配合比設計原則

選擇噴射砼的配合比，既要考慮砼強度和其它物理力學性能的要求，又要考慮噴射工藝的要求。水泥、砂、石子及各種外加劑必須符合設計和規范要求。設計步驟：確定骨料的最大粒徑和砂率→確定水泥用量→確定水灰比及用水量→確定砂、石用量→試噴→調整、確定施工配合比。

B、噴射工藝流程：

①原材料檢查：對使用的各種原材料進行質量檢查，合格后方能使用。

②機械設備檢查：對機械進行技術檢查，對水、風、電路進行試通檢查，合格后方可運轉。

③施工現場檢查：檢查受噴面，清除危巖浮土，用高壓風吹掃巖面，埋設厚度標志。

C、噴射砼順序

噴射砼順序:垂直方向為自下而上，水平方向從左到右或從右到左，并呈螺旋軌跡運動，一圈壓半圈，縱向按順序進行，旋轉半徑一般為15cm，每次蛇行長度為3～4m。巖面不平時，應先噴凹處找平。噴射砼時，其噴射砼速度不宜太慢或太快，適時加以調整。

D、噴射質量檢查 按規范檢查噴射表面，是否有松動、開裂、下墜、滑移等現象，如有及時清除重噴。 噴體達一定強度后可用錘擊聽聲，對空鼓脫殼處及時進行處理。鉆眼量測，厚度不夠處補噴。及時測定回彈率和實際配合比，以指導下步施工。對噴體試件進行力學試驗。

隧道管棚施工工序圖片詳解

超前小導管與管棚的區別:超前小導管的處理范圍一般也就6米左右，小導管為壁厚5mm的鋼管，直徑一般為42mm。是通過小導管注漿將掌子面前方的較為破碎的圍巖進行固結的一種方法，使圍巖形成一個整體后再進行下一步工序。而管棚是在進洞口的地質條件非常差（如：沙土、破碎嚴重的巖石、黃土等）的情況下使用，一般長度就20-30米左右，管棚為壁厚3.5mm的鋼管，直徑一般為108mm。當然洞內地質條件非常差的時候也可以用管棚（如：洞內遇到冒頂現象造成的沿洞軸線長度較大，放量較大）。