隧道工程管棚超前支护技术

三活瓣跟管钻具的组成 钻头活瓣结构
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；
地质勘查
管棚加工与制作
浆液制作
管棚设计
建
测
钻钻
立
量
机孔
工
定
定与
作
位
位清
室
孔
插
注隧
入
浆道
管
加开
棚
固挖
设备材料准备
准备工作 安装管棚
套管定位
一节套管钻完 钻孔
安装下节套管
取出套管
孔深到位 退钻
继续钻孔
钻机移位
下一孔位
水
水泥
水泥浆池
注
浆
泵
稀释水玻璃
混 三通 合 器
钻孔注浆
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。
“ 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。
掘进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。
（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。
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。
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。
根据国内外的施工实践，综合我国目前地下工程 管棚支护应用的实际案例，管棚支护可适用于：软弱 砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑 状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层 破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地 质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道 进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的 地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公 路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作 为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作 为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但不宜明挖地 段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地 中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。
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。
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。
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。
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。
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。
常规的沿隧道开挖轮廓线等间距设置管棚的方法 是不科学的，应针对不同情况合理设计。钢拱架布置 间距根据塌方体的松散与开挖难易程度及施工效果， 可在40-80cm范围内调整选择，特殊情况下需加密。 根据对工程实例的地质条件、工程断面尺寸、埋深等 影响因素的总结和对比分析，得出以下经验结论，可 用于地下工程支护的施工依据：
掘进距离取决于管棚深度
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，
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。
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；
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孔锤通过焊在套钻头和潜管 靴（3）内壁上的三个凸块 （4）来控制中心。当偏心 钻头向下伸出套管靴时，凸 块处于控制潜孔锤位置，这 时实现偏心扩孔钻进，套管 同时跟进，当钻孔完成钻具 往上提拉时，凸块位于控制 钻头体位置，且有一凸块嵌 入钻头体凹槽，偏心钻头即 可进入套管并提出地表。
（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。