孙成贺 陈占江 王玉 赵子豪
中国水电基础局有限公司 天津 武清 301700
摘要：随着近几年超前大管棚支护技术在保证隧洞开挖安全、保护地面建筑以及控制地表沉降等方面得到广泛应用，得到越来越多相关技术人员的重视，而随着时代的不断发展，隧洞超前大管棚支护施工技术也得到了大幅度的提高，越来越多的新技术、新工艺、新手法不断地出现，大大提高了施工过程中的安全和工效。本文将主要介绍超前管棚支护在输水隧洞复杂地层施工中的受力原理、管棚设计及施工工艺等内容，具体的讨论超前管棚技术在输水隧洞复杂地层具体应用的价值和意义。
关键词：超前管棚支护 隧洞施工 复杂地层 施工工艺
一、引言
国家近年来对水利工程的高速发展建设，使得工程的总体设计和工程施工的技术得到飞快的进步，隧洞工程也越来越多的出现，但是大多数的隧洞建设所处的地质情况比较复杂，很多地段的地层地质比较恶劣，有的是隧洞的断面较大使得施工跨度较大、有的是埋深较浅等这些问题的出现都给工程施工造成非常大的难度，但是超前管棚技术的出现给隧洞施工提供了很多便利，作为隧洞施工中穿越软弱、破碎围岩的一种有效的加固施工方法，超前管棚支护技术将在未来得到有效的应用。
在很多的特殊地层地段，像极容易破碎的山体、塌方体、岩锥地段、砂土质地层、强膨胀地层、强流变性地层、裂隙发育岩体、断裂破碎带、浅埋大偏压等围岩，如果在施工过程中采用超前管棚技术并配以灌注浆体会达到较为理想的效果，而在流塑状岩体或岩溶严重流泥地段，将会采用管棚与围岩预注浆相结合的手段，根据不同的地质条件采用与之相匹配的的方法将会克服因地质问题带来的困扰。隧洞穿越软弱破碎围岩时，开挖扰动会引起较大的围岩变形，如果初期支护措施不及时，围岩变形可能超出其容许范围，严重时引起围岩失稳、冒顶、塌方等，造成重大安全事故。
随着近年来人们对环境保护意识的不断加强，不断有人提出要尽量减少隧洞洞口周围围岩结构的扰动和地表生态环境的破坏，超前管棚技术就是沿着隧洞施工所规划的开挖线，用特定的机器仪器把钢管沿着隧洞轴线方向按一定顺序打入开挖隧洞的地层当中，然后向钢管内注浆，以此来固定管子周围的地层，形成一个棚架支护体系，保障周围地层的稳定性，让隧洞的施工工作能安全有序的开展。根据很多的工程实例证明，超前管棚支护结构在隧洞施工过程当中有非常大的作用，尤其是在复杂的地层结构当中，它能给隧洞施工带来足够的安全可靠性，在各种特殊环境中得到应用。
二、管棚受力原理及计算模型
2.1管棚受力原理
超前管棚支护就是在拟开发施工的隧洞洞口的开挖外围周边，每隔一段距离沿隧洞方向进行钻孔，钻孔的角度也根据不同的地质条件有不同的要求，同时在孔洞中安装惯性矩较大的钢管，然后再向管内进行灌浆固定，达到预支护的效果。其主要的工作原理主要有以下两点：首先就是管棚注浆让拱顶预先形成加固的保护环，形成一个“承载拱”的结构，使其承受上部荷载，让“承载拱”下部只承受外部围岩的形变产生的压力，为隧洞挖掘提供便利的保障条件。其次就是整个支护结构所起到的作用，在超前管棚沿隧洞开挖轮廓周边密布时，让加固环的形变越来越小，使得隧洞上部支护结构所受的荷载也随之减少，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架，支撑拱架之间的结构相互连接，从而构成整体的支护，才能非常有效的保证掘进施工和初期支护的安全。
2.2计算模型
在隧洞施工的每个阶段，管棚的支护所产生的作用也各不相同，在隧洞洞口开挖时，伴随着下半部分的土石逐渐挖空，管棚端部出现悬空现象，管棚钢管的绝大部分长度位于已预加固地层内，受到地层固定约束，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；而在隧洞洞内施工时，钢管的后半段作用在衬砌上部，前半段作用在掌子面前未开挖的土体上，则中间悬空的钢管段可简化为两端受固定约束的简支梁，管棚承受上部土体荷载和路面荷载的作用。工程实践表明，采用悬臂梁和简支梁的模型计算洞口段和洞内段的开挖进度尺度是合理的。
三、超前管棚支护优点及设计
3.1超前管棚支护的优点
3.1.1工艺简单
超前管棚支护及灌浆的施工工作并不像其他施工需要大型的机械设备，相较于其他施工而言操作起来非常简单方便，而且产生的效果非常显著，施工速度快，产生的安全保障效果好，能有效地防止渗水的产生，防止掌子面坍塌，它所带来的社会经济效果非常明显。
3.1.2适应性强
对于隧洞洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段以及洞内的特殊地层地段均适用。在任何的复杂地层中均能采用超前管棚支护结构。
3.2管棚设计参数
管棚的设计具体情况要根据施工现场的具体条件来进行规划，主要的方向有以下几点：
1.管棚棚管采用热轧无缝钢管，钢管导向端做成尖形，承压端焊上钢箍，管口预留止浆段，注浆孔沿孔壁呈梅花形布置。直径一般选用80 mm~180 mm ，钢管中心间距为30 cm~ 50 cm。
2.钢管长度一般为10～45 m ，当采用分段连接时采用4~6 m，钢管采用丝扣连接方式，丝扣长度卡15cm。
3.钢管沿隧洞开挖轮廓线纵向近水平外插设置，外插角为1~5 ° 。
4.钢管施工径向误差不大于20 cm ,沿相邻钢管方向不大于5 cm。
5.纵向管棚水平搭接长度不小于1.5 m。
6.止浆墙根据围岩条件确定,可采用10 cm~20 cm厚喷混凝土或20 cm~50 cm厚混凝土封闭。
7.两根相邻管棚接缝应在垂直面上错开一定距离,全部管棚的接缝应交错布置。
2.2注浆参数
1.注浆多采用水灰比1:1单液水泥浆,在早期强度要求较高时可采用双液浆;
2.注浆压力:0.2～2 MPa ;
3.止浆墙根据围岩条件确定,可采用10~20 cm厚喷混凝土或20~50 cm厚混凝土封闭;
4.注浆前先进行注浆现场试验,根据实际情况确定合理注浆参数。
在山体岩体的裂缝发育过程当中，含有大量裂隙水，在施工过程前最主要的就是将这些裂隙水排出，然后才能进行下一步的管棚施工，在排出裂隙水的过程时采用钻孔和排水管对其进行引流排出，避免在施工过程当中造成人员及设备的损失。
四、施工工艺
4.1施工准备
（1）首先要熟悉前期地质勘探图纸和施工设计图纸，在此基础上进一步调查实际的地质情况，按照可灌性和空隙比进一步确定需要采用的灌浆类型。
（2）通过进一步的试验来确定灌浆的具体半径、压力等数值，同时对前方围岩采用超前地质钻探进行探测，每次钻孔长度30 m，开挖25 m，开挖时保留5 m，主要目的就是为了更好地了解前方工程地质和水文地质条件。
（3）加工导管，准备下一步施工的机械设备。
4.2定向和布孔
在布孔时按照相关要求设计，相邻的两个孔位之间的误差要低于5cm，在管棚定向的过程中可以采用两种措施，一是安装定向套管，套管采用比钻头稍大的钢管，套管的方向决定钻孔方向，使其固定在钢架上。二是采用挂线定向，距离以10 m为宜，通过前后两点挂线确定管棚的方向，在定向时应考虑线路纵坡对外插角的影响。
4.3钻孔、安装钢管
在钻孔前要预先喷混凝土来防止漏浆，在后续的测量布孔时标记所设计好的孔位点位置，然后再用风动凿岩机钻孔，开孔时要保障开孔质量，先轻压慢速钻进。在钻进中用测斜仪量测钻孔方向，如果发现偏斜超过设计要求，要及时纠正。成孔后，用吹管或掏勺将孔内砂石吹（掏）出，以免堵塞。成孔检查合格后，人工推送钢管入孔，管口用麻丝和锚固剂封堵。
五、结束语
在隧洞施工之前，首要掌握的问题就是整个施工洞体的地质条件，要根据具体的地质来制定符合其要求的超前管棚支护的设计参数。通过多个施工实例的证明，超前管棚支护结构在隧洞施工过程当中有足够的可靠性能，对于各种特殊、困难地段尤其是复杂地层有较好的适用性。随着我国越来越多的水工隧洞不断建设，超前大管棚支护技术不断地利用到施工过程当中，给施工带来便利，在未来的发展也有着非常广阔的前景。