案例4 小河沟铁路隧道大管棚超前支护施工过程模拟
❖ 注浆完成后，长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠 的固结壳。在模拟计算中，为了考虑这种壳效应，通过提 高管棚与加固围岩形成的厚筒结构的参数来实现，并通过 线弹性本构模型单元模拟管棚注浆层。单排注浆管注浆时 厚筒的厚度可由如下公式计算过得出。
Y: 360.000
米。 Z: 0.000
Mag.: 1
Ang.: 22.500
边界条件与本构模型
❖ 为减小边界效应的影响，取隧道中心线和隧道底板的交点 为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍的隧道的开 挖直径，即左、右边界为60m，下边界为36m，上边界为地 表，隧道轴线方向取20m。计算模型的左、右、前、后边 界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。
名称
密度 / Kg/m3
弹性模量 泊松比 / GPa
截面积/ m2 X轴惯性矩/ m4
管棚梁单元
4840
初支壳单元
2500
临时仰拱壳单元 2500
97.1 31.9 46.98
0.3
6.218×10-3
3.078×10-6
0.25
0.3
2.25×10-3
0.25
0.2
6.66×10-4
支护结构模拟
摩擦角
1916
18.41
0.35
25
30
地层建模
C3D 3❖.00数值模型浅埋段的开挖施工，拟采用有限差分软件FLAC3D
spective 1 2013
，图1为建立的小河沟隧道的数值模型图。模型包括33407
Rotation: 个模型节点，和29580个单元，隧道断面形状为直墙拱型，
X: 90.000 按最不利工况，取隧道毛洞单洞跨度为11.96米，高为11.86
支护结构模拟
❖ 管棚采用89mm直径的无缝钢管，设计在拱部120°范围打 设，每环长10m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插 角5～10°，注1:1的水泥浆，为增加管棚的抗弯能力。
❖ 在注浆过程完成后，管棚内充满混凝土浆液，待浆液凝结 后，管棚相当于钢管混凝土梁。
FLAC3D 3.00
Step 999 Model Perspective 10:49:04 Sat Jun 16 2012
Center: X: 7.420e-001 Y: 5.809e+000 Z: -4.228e+000 Dist: 3.009e+002
Rotation: X: 130.000 Y: 300.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
自进入雨季以来，受雨水渗透影响，围岩抗剪强度减弱， 施工中经常发生塌方事故，造成重大损失。为保障安全施工， 控制隧道变形，变更设计拟采用大管棚注浆措施，加固掌子 面前方围岩，控制围岩变形。
工程概况
隧道全长1803m，最大埋深82m，最小埋深仅5m，位于里 程DK75+054~DK75+089。由于该浅埋段，埋深及浅，同时处 于汇水区，受雨水影响严重，其稳定性较差，极易发生塌方， 因此拟采用台阶法结合管棚注浆预支护技术。
管棚的应用
管棚法是常用超前支护工法，通过在拟开挖的地下隧道衬砌 拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，并注 浆形成管棚注浆帷幕壳体，防止地表下沉和土层坍塌，具有 良好的预加固效果，在城市地铁、山岭隧道、软土隧道等复 杂工程地质环境中被国内外工程界广泛采用。
工程概况
小河沟隧道是新建太兴铁路的一条双线铁路隧道，通过 膨胀性黄土地层，埋深较浅，围岩软弱松散，设计开挖采用 三台阶七步工法结合超前小导管施工。
❖ 围岩土体的本构模型采用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑 性模型。
支护结构模拟
❖ 在数值模拟中，将管棚钢管作为简支梁处理，采用梁单元 进行模拟。
❖ 因为管棚末端部与孔口管焊接成整体，孔口管固定在钢拱 架周边，因此端部可以承受较大的弯矩和具有较大的竖向 抗力，可以将端部按固定支座考虑。
❖ 对于插入土体中的管棚部分，由于注浆，使得钢管与周围 岩体结合在一块，因此将梁单元的节点与周围岩体应力单 元位移协调，从而限制钢管空间内的平动自由度，但由于 钢管本身与周围加固体之间的刚度差异很大，因此将梁单 元的三个转动自由度不作约束。
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
支护结构模拟
❖ 在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成， 主筋直径为Φ18，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋 焊接，按1.5m间距设置，管棚梁结构如图4所示。
支护结构模拟
❖ 为了考虑管内混凝土及加筋对管棚力学性质的影响，在数 值模拟计算过程中，将管内混凝土的作用采用等效弹模的 方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，计算方法 如下公式
地层信息
❖ 该地段为黄土地貌，与工程性质相关的土层主要是出露地 表的上第三系（N）膨胀性黄土，膨胀潜势为等级为中， 土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂 隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口 光滑，局部夹钙质结核。
土层 膨胀性黄土
密度 kg/m3
弹性模量 MPa
泊松比
粘聚力 KPa
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
FLAC3D 3.00
Step 2929 Model Perspective 09:43:43 Thu Jun 21 2012
Center: X: 3.146e+000 Y: 1.137e+001 Z: -1.979e+000 Dist: 3.875e+002
E E0S0 Eg Sg Es Ss S
❖ 式中：E 为折算后管棚的弹性模量；S为管棚截面积；E0管 棚钢管弹性模量；S0为管棚钢管有效截面积；Eg为混凝土 的有效截面积；Sg为混凝土的弹性模量，取1.5×1010Pa； Es为 钢筋的有效截面积；Ss为钢筋的弹性模量。
支护结构模拟
❖ 管棚梁、初支的等效参数如下表所示
Rotation: X: 100.000 Y: 340.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.:ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ22.500
Block Group
12
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
隧道管棚超前支护施工方法与施工实例范本
隧道管棚超前支护施工方法与施工实例隧道开挖预支护的管棚法一、管棚法的基本概念管棚工法是隧道开挖施工中用以防止掌子面坍塌并限制围岩变形的一种预支护手段.其主要原理是在隧道开挖之前,沿着隧道开挖轮廓线外的设定部位水平铺设钢管,并可以通过钢管向围岩注浆,对管棚周围的围岩进行加固,使管棚成为隧道后续开挖的防护伞(棚),达到安全施工的目的.管棚工法最早是作为山岭隧道施工的一种辅助方法,当隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段时,管棚及其超前注浆对隧道的稳定起到了保护作用.管棚作为隧道顶部和边墙的超前预支护,可以有效防止掌子面的坍塌及地层过量变位,为隧道开挖提供安全保障.同时管棚施工快、安全性高,被认为是隧道施工中预防事故的最有效、最合理的辅助措施之一.二、隧道开挖预支护中采用管棚工法的原因隧道开挖过程中,经常会遇到破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段,在这类地质条件下进行开挖,如果不进行超前预支护,很容易出现坍塌情况,导致安全事故,不仅给相关企业造成经济损失,增加工程成本,而且极大地影响工程施工进度和施工质量.在隧道施工下穿既有线路或建筑物及河流、湖泊的开挖前,如果不进行超前预支护,很容易造成隧道上既有线路或建筑物的沉降以及河流、湖泊涌水而带来各种安全隐患.对于隧道施工过程中遇到上述情况时,早期隧道开挖时,主要采用插板法、小导管超前注浆法、浅层地表锚杆注浆加固法等进行超前预支护.但这几种支护工法都有一些不足之处,就是支护范围和深度有限、加固强度不足,难以形成高强度支护整体,而且往往需要多个循环才能穿越需支护地层段,这样,不仅造成现场窝工、停工等情况,严重影响施工进度,而且有时其安全性也难以保证.随着施工技术的不断改进,管棚工法得到了普遍的利用.特别是在导向跟管钻进等技术及多种新的施工工艺引入后,管棚施工的精度、打设长度、沉降控制及施工工效有了长足的发展.管棚工法是采用专用钻机将钢管沿隧道开挖轮廓线外一节一节地打入需支护的地层中的预定位置,然后进行注浆,通过浆液在围岩中的扩散,形成一个类似钢筋混凝土的拱形帷幕,从而达到支护开挖线外侧围岩的作用.三、管棚工法的优点管棚工法与前期超前预支护工法相比,具有明显的优点,主要表现在以下几方面：(一)管棚工法所采用的钢管具有较高的钢性强度,而且管径相对较大,能够承载较大上部负荷.(二)管棚工法的注浆可以使浆液在管棚钢管周围沿着土体缝隙进行扩散,不仅能起来加固土体的作用,而且还能起到一定的止水效果.(三)管棚工法打设的钢管长度较大.目前施作管棚长度可以达到100米以上,这样可以大大地减少预支护循环次数,加快施工进度.(四)管棚工法能够通过专用导向仪精确控制管棚钢管铺设的轨迹线,确保管棚钢管按设计要求铺设,有利于控制隧道施工时的开挖量,减少施工成本.(五)最新技术可以在软弱地层中高精度一次性打设数百米的管棚.(六)管棚工法因为采用大功率的水平定向钻机,施工效率比较高,大幅度地减少隧道开挖过程中辅助时间,提高施工效率.四、管棚的作用管棚工程在隧道开挖前的预支护中的作用主要有以下两方面：(一)提高围岩土体强度,提高开挖线拱部土体承载力,加固隧道围岩,确保隧道施工安全.在隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段时,管棚的这种作用比较明显.(二)控制地表沉降.在隧道穿越既有线、下穿既有建筑物、构筑物等时,管棚的作用主要就是控制地表沉降,防止既有线路、建筑物、构筑物因隧道开挖而遭到破坏,确保既有线路、建筑物和构筑物的安全及隧道开挖的顺利进行.此种情况管棚的钢管直径可偏大(φ299).五、管棚工作的原理管棚工作的原理主要有两方面;(一)利用简支梁作用的原理;由于管棚的直径大、刚度大,同时又是较密排布置的,当钢管两端支撑梁的刚度达到足够大之后,开挖引起的变形量非常小,这时候管棚就相当于一道简支梁,阻隔隧道开挖时释放应力对围岩的作用.(二)利用水泥浆液的流动性和围岩的裂缝或孔隙,使注入的水泥浆液能与土体进行粘合而形成一种类似混凝土的固结体,从而起到加固围岩土体的功能.对于含水较小的地层还能起到一定的止水效果.六、管棚的设计参数(一)管棚尺寸参数：管棚尺寸参数主要包括管棚的长度、钢管直径、钢管壁厚及隧道内工作室的尺寸参数.1、管棚的长度一般为20-８0米,特殊情况下,管棚打设长度可以达到100米－300米.2、管棚直径常用的为φ89米米、φ108米米、φ159米米.3、管棚壁厚一般为6米米,中间用同直径的壁厚10－12米米钢管车丝扣连接.4、隧道内施作管棚时工作室一般外扩30厘米,当地层不允许时可用无工作室管棚施工法.5、在洞口施作管棚无需导向墙.(二)管棚位置参数：管棚位置参数主要包括开孔位置、倾角、外插角和环向间距.1、管棚中心位置距开挖线20-30厘米,开孔位置偏差为±2厘米.2、管棚倾角根据地质情况及隧道坡度确定.3、外插角一般为0.至1..4、环向间距根据现场地质条件、管棚管径确定,一般为25-40厘米.(三)管棚注浆参数：管棚注浆压力为0.8-1.2米Pa,浆液配比按0.8：1或1：1配制,注浆量根据管棚管径和管棚长度确定.(四)管棚施工精度：1、管棚打设倾角偏差根据管棚长度一般都能控制在±0.5.以内,外插角控制在3‰以内.2、管棚长度误差控制在±30厘米以内.3、管棚施工过程中因为成管快,注浆能及时跟进,因此上覆地层沉降基本上为零沉降.七、管棚适用条件及管棚施工实例(一)大多数隧道洞口属于浅埋和风化层,成洞较困难,采用管棚工法可以有效地解决洞口段的施工难题.对于洞口的超前预支护,管棚长度一般为30－40米左右,管径以φ108米米为主.通过管棚可以阻止洞口开挖时的应力释放.如图一所示为张石高速公路三甲村隧道进口管棚工程.该隧道开挖断面最大净宽为15米,开挖断面面积为144米2进口处地质条件为砂卵石地层,地层松散,钻进时不易成孔.针对现场地质情况,采用了潜孔锤跟管钻进成管法施作φ108米米管棚,成管后进行注浆加固.图一张石高速公路三甲村隧道进口管棚工程潜孔锤跟管钻进成管法是采用水平定向钻机通过锤头前端带有外锤头的潜孔锤冲击成管,外锤头通过丝扣跟管棚钢管连接,管棚打设到位后将外锤头与管棚钢管一同留在孔内,然后注浆加固围岩的管棚成管工法.潜孔锤跟管钻进成管法适用于砂卵层、风化破碎带等不易成孔地层的管棚施工,要求用强度较高的无缝钢管作管棚钢管,每节钢管长度必须与钻杆配套,通过丝扣连接,便于接管加尺.管壁厚度不得小于6米米,管壁太薄时容易出现断管的情况,影响管棚质量.管棚施工过程中要求现场供风压力不得低于6米Pa,确保孔内钻渣排出干净,保证管棚质量.施工精度控制：管棚打设到位后采用管棚导向仪进行钻孔测斜,根据测斜结果进一步分析确定钻孔钻进角度,并根据地层变化及时进行调整.(二)隧道穿越破碎带、松散带、软弱、涌沙地层等地段时,为保证隧道开挖施工安全,也需要施作超前预支护管棚工程.管棚长度需要根据支护段长度确定,管径多为φ108米米-φ159米米.图二武广客运专线金沙洲隧道管棚工程该隧道工程开挖时遇到的地质条件比较复杂,主要以松散风化岩为主,中间夹有松软的强风地层,局部存有空洞或较大岩层裂缝,在管棚施工时采用潜孔锤成孔后送管法施作φ159米米管棚进行超前预支护,微扩工作面(20-30厘米),采用多次循环,一次打设６０米.潜孔锤冲击成孔后送管法适用于风化岩层及软硬复合地层中,打设过程中要求采用风动力排渣,供风风压不得小于6米Pa,保证出渣量.钻孔打设到位后退出钻杆和潜孔锤,然后采取锲形钻头将管棚钢管送到孔内进行围岩加固注浆.图三管棚工作面微扩剖面图管棚精度控制：送管时需要用管棚导向仪进行钻孔测斜,发现偏差及时进行调整钻进角度(进孔角度).(三)隧道穿越既有线(如既有铁路、公路、高速公路、高速铁路等)、建筑物及构筑物等,管棚长度需要根据穿越长度设计管棚长度,管径根据现场地质条件及隧道上部覆土层厚度确定.如图四、图五所示郑西客运专线高桥隧道下穿既有铁路(同蒲铁路)的施工现场,该穿越隧道位于湿陷性黄土,主要发育垂直节理,极易下陷,而且设计为大断面开挖,开挖尺寸为15米×13米(宽×高),断面面积达160多米2.为了控制地表沉降,避免影响既有铁路的正常运行,在隧道开挖前采用风循环跟管钻进法一次性施作φ159米米管棚100米.图六所示为郑西客运专线阌乡隧道下穿连霍高速公路(下穿段施作80米长φ159米米管棚共三个循环).图四郑西客运专线高桥隧道下穿既有铁路的施工现场风动力跟管钻进法适用于湿陷性黄土及干燥粉土地层,通过风压在6米Pa以上的风力可以将钻渣排出,并在钻进的同时进行跟踪导向,控制钻孔偏差,确保管棚铺设精度.图五郑西客运专线高桥隧道外景图六郑西客运专线阌乡隧道下穿连霍高速公路(四)隧道开挖过程中的坍塌段超前预支护管棚,管棚长度一般都要一次性穿越坍塌段,并延长5-10米.管径根据现场地质条件及坍塌情况确定,一般为φ108米米-φ159米米.如图七为某隧道开挖时出现坍塌事故后抢险管棚工程.因在隧道开挖时出现了大范围的坍塌,导致隧道拱部大面积沉降,坍塌范围沿隧道开挖方向延长30米,致使隧道开挖无法继续进行.为了加固坍塌范围内土体,确保隧道开挖的继续,在该处采用水循环跟管钻进法施工长度为４8米的φ108米米管棚.图七某隧道开挖时坍塌抢险管棚工程水循环跟管钻进法适用于松散带、粘土层、沙层、淤泥层、回填土及强风化地层等.采用水循环排渣、造浆护壁、冷却钻头,并在钻进的同时采用管棚导向仪进行跟踪定向,控制管棚铺设轨迹.(五)隧道穿越富水地层中管棚超前预支护时,管棚长度应在富水段两端各延长10米左右,管径采用φ108米米或φ159米米.通过管棚注浆浆液的扩散,能够起到一定止水效果.针对这类地层,则采用水泥浆作为循环液的跟管钻进成管法施作管棚,然后进行注浆加固.如果采用水平旋喷桩进行超前预支护效果会更好,可以有效地实现止水和土体加固.图八为深圳地铁五号线西丽一号永久风道隧道管棚工程,采用水泥浆循环跟管定向钻进成管法施作φ108米米管棚.图九为深圳地铁五号线一号永久风道隧道水平旋喷桩工程.通过施作管棚和水平旋喷桩,不仅控制了地表沉降,而且起到了止水效果,确保了隧道开挖的顺利进行.图八深圳地铁五号线西丽1号永久风道隧道管棚图九深圳地铁五号线西丽1号永久风道水平旋喷桩(六)管幕工法是管棚工法的一种特例,主要适用于长距离下穿既有线超前预支护工程.如图十示为哈大高速铁路隧道下穿既有军用铁路专线鞍山隧道管幕工程.该隧道开挖断面尺寸13.4米×11.3米,断面面积为160多米2,覆土层最小厚度为4米左右,管幕铺设精度要求较高,而且管径较大,为φ299米米无缝钢管.管幕施工过程必须控制地表沉降量,确保既有专用铁路线的正常运行及隧道开挖的顺利进行,因此只能先用无线导向仪进行导向孔施工,再采取挤扩拉管法进行管幕钢管铺设,控制拉管过程中的出土量,防止地表沉降,最后进行注浆加固隧道上覆土层,实现超前预支护功能.图十哈大高速铁路鞍山隧道管幕工程附件：工程施工现场应急预案及安全保证措施一、编制原则1、以人为本,安全第一原则。
大管棚、小管棚超前支护施工
大管棚、小管棚超前支护施工隧道进、出口进洞均采用Φ89壁厚：5mm长：30m间距：40cm的大管棚进行注压浆对洞口浅埋的超前加强支护，角度为1~3度；洞内采用Φ50壁厚：4mm 长5m间距40cm的小导管进行压注浆超前支护。
角度为6°。
大管棚施作的主要内容：施作导向墙预埋导向管，设置钻机平台，测定孔位，钻孔，钻机退出，注压浆，封孔，““见图4超前管棚施工工艺流程框图“管棚采用无缝钢管加工成花管，以便注浆加固岩体，前端加工成锥形，以便送入或打入，并防止浆液前冲，梅花布设溢浆孔孔径8mm，间距为15cm，其中大管棚尾部5m，小导管尾部1m范围不钻孔，防止漏浆，末端最好焊接直径为6mm的环形箍筋，防止打入是管身开裂，影响注浆管每小段的连接。
每节间丝扣连接，钻孔采用电煤钻钻孔，在钻进过程中采用光耙测斜仪量测钻孔的偏斜度，小导管人工直接送入。
超前管棚安设后，用速凝砂浆封口，并用喷射混凝土封闭工作面，采用KBY-50/70型注浆泵注浆，注浆参数为：水泥浆水灰比：1;1注浆压力：0.5～1.0mpa注浆前进行注浆试验，并根据试验的情况调整注浆参数。
注浆顺序两侧对称向中间，自下而上逐孔注浆，强度达到设计后方能开挖。
2、系统锚杆施工系统锚杆采用的中空注浆锚杆，锚杆长4m（径向）或5m（内侧水平），环向间距为1m，采用风钻钻孔，钻孔直径为Φ40mm。
成孔后用高压风清孔，人工送入，用速凝砂浆封口，注浆压力保证在0.5~1.0mpa，扩散半径最大，对围岩加固的效果最佳，对裂隙较发育的不良地质V级围岩有很好的改善效果，抗拔力符合设计要求，锚杆的末端与拱架焊接。
3、刚拱架支撑施工在加工场地放出大样，采用弯曲机分节加工制作，主要在安设控制（中线、高程、垂直度）质量，施工中主要采用支距、悬距法来控制。
4、钢筋网施工主要注意控制加工尺寸和把每块网片连成整体。
5、临时支护的施工（临时侧壁支护、临时仰拱）临时侧壁支护采用I16型钢拱架纵向间距与主动一致，网片尺寸15*15，采用Φ22mm砂浆锚杆，Φ50小导管超前支护的一个临时支护体系。
隧洞工程超前管棚施工方法
隧洞工程超前管棚施工方法
超前管棚与钢拱架共同施工形成承力系统，拱架超前管棚注浆采用渗透注浆法施工。
超前管棚采用公称直径很32mm,厚3. 25mm,长3. 5m （渐变段部分长4. 5m）的钢管。
钢管每隔15cm交错开加8mm注浆孔，带孔长为里端2米范围内，其中尖端10cm、外侧1米范围内不开孔。
超前管棚开孔采用风钻开孔，外插角10T5度。
钢管环向间距为0.4m,搭接长度为1. 50m。
注浆采用超细水泥浆，超前管棚安装采用钻孔打入法，用钻孔或锤击顶入。
钻孔直径比钢管直径大3-5mm,然后将钢管穿过钢架打入，顶入长度不小于钢管长度的90%,然后用高压风将钢管内的泥砂吹出。
超前管棚安装后，用塑胶泥封堵孔口及周围裂隙，心要时在超前管棚附近及工作面喷射混凝土进行封闭，且可以防止工作面坍塌。
每次开挖长度应小于超前管棚的注浆长度，预留部分做为下次循环的止浆墙。
对于强行打入的超前管棚
应先冲洗管内的积物，然后再注浆，注浆顺序由下向上进行。
浆液可用拌合机搅拌。
加固注浆采用超细水泥浆，水泥浆水灰比为2:1、1:1、0.6:1三个等级，浆液由稀到浓逐级换，即先注稀浆，然后逐步变浓直到0.6:1为止。
考滤到注浆后需尽快开挖，注浆宜用普通水泥或早强水泥，拌浆时可掺入减水剂。
注浆时随时观察注浆压力及注浆泵的排浆量的变化，分析情况，防止堵塞、漏浆、跑浆、并做好记录。
隧道中的超前大管棚支护施工
成 败 。所 以 在导 向孑 施 工 的每 一 环 节 都应 受 到 重 视 注意 。 Ｌ
１）钻机就位 。施工 中为确保钻杆 中心与设计管棚 中心位置对 齐 ， 采 用支架进行 钻机 固定 ；同时为确保 支架位置 与管 棚 中心位置保 持一 致 ，每次管棚施 工前都要对 支架及钻孔进 行对位 。支 架根据隧道结 构 形式搭设 ，与栅 格连接 固定 。２ 导 向系统 。根据 隧道埋深确 定应使 用 ） 的导 向系统 ，导 向系统一般有Ｅ ＬＰ Ｅ Ｃ ＩＳ 无线地下定位系统和地磁定位系 统 ，当埋深在８ ｍ以下时采用地磁地下定位系统 。３）泥浆系统。由引言 知 ，一般超前管棚 经过 的地层地质条件较差 ， 在例如粉细沙这样间歇性 小 、遇水容易坍 塌的地层 中，膨润土泥浆的作用就变得非常明 。不仅 起护壁作用 ，还可以冷却钻头 ，排除钻屑 。
定性
参考 文 献 ［ 韩 立军， 茂林， １ ］ 张 贺永 年， 林登 阁岩 土 加 固技 术冲 国矿业大学 出版社 ， ０ ，． ２ ５９ ０ ［ 林 希鹤， 清 国， ２ 】 卢 马艳 春． 超前 管棚支 护在 隧道工 程 中的应 用． 铁道 建筑，０ ６８ ２０ ，
［ 吕少锋 － ３ 】 隧道与地 下工程 施工技 术案例 精选 ． 中国 电力 出版社 ， ０ ，． ２ ９４ ０
３ ３ 扩 孔 ．
１ 作 用原 理 １ 通过管棚 注浆 ，使拱顶预先形成 加固的保护环 。而加 固环发挥 ）
“ 承载拱”的作用 ，承受拱上部的地面荷载和岩层重量 ，使拱内部 围岩仅 承受拱部 围岩的形变压力 ，从而创造了理想的开挖条件 。２）当超前管棚 沿隧道开挖轮廓周边密布时 ， 加固环的变形变小 ， 传递给隧道支护结构的 上部荷载大大减小 ，同时通过环形同结层与管棚 ，将拱部围岩的形变应力 传递给支撑拱架。由于支撑拱架间的相互连接。形成整体支护 ，有效地保 证 了掘进施工和初期支护 的安全。３ ）梁效应 ：先行施设的管棚 ，以工作 面和后方支撑为支点形成—个梁式结构 ，防止了围岩的松弛和滑塌 。 ２ 设计 参数 管棚设计参数一般要求为 ：管棚棚管采用热轧无 缝钢管 ， 管导向 钢 端做成尖形 ，承压端焊上钢箍 ，管 １预 留止浆段 ，注浆孔沿孔壁呈梅花 ： ３ 形布置。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。钢 管直径选用８ － ８ｍｍ，钢管中心间距 为３－ ０ ｍ；钢 Ｏ １０ ０ ５ｃ 管长度一般为 １－ ５ ０４ 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 《１ｅ ５ｍ；钢管沿 隧道开挖轮廓线纵 向近水平外插设置 ， 外插角为 １５ ；钢管施工径 向误差 ２ｅ —ｏ ０ｍ，沿相邻钢管方向 ５ ｍ；纵 ｃ 向管棚水平搭接长度 《１ ｍ。 ． ５ 而 对 于 注浆 材 料 ，则 有 ： １ ）注浆多采用水灰 比ｌ１ ：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 － Ｍ ａ ） ． ２ Ｐ ；３ 止浆墙根据 围岩条件确定 ，可 ２ 采用ｌ－ ０ｍ Ｏ ２ ｃ 厚喷混凝土或２－ ０ｍ ０ ５ ｃ 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。 ３ 施工 工序 管棚施工法的主要 工序有导 向孑 钻进一扩孔施工～ 进钢管施工一 Ｌ 畸 管棚注浆施工。 其流程为 ：首先进行施工准备 ，同时钢管加工 。完成后将钻机安放 就位，同时利用导 向系统进行导向孔 钻进 ，之后扩孑 ，夯进钢管并进行 Ｌ 管棚钢管清洗，最后实施管棚注浆工序。完成后 即可进行隧道开挖 。
铁路隧道工程隧道超前支护专项方案
沪昆客专长昆湖南段XX标-2单元隧道工程编号：隧道超前支护施工作业指导书单位：XX沪昆客专长昆湖南段项目经理部编制：审核：批准：2010年11月1日发布2010年11月10日实施沪昆客专铁路隧道工程隧道超前支护专项方案1、适用范围适用于沪昆客专长昆湖南段XX标新建13座隧道。
隧道进口段普遍浅埋、偏压，洞口地质破碎、存在塌方体、岩堆等地段。
掘进洞身段地质围岩节理发育，并存在溶岩、断层破碎带等不利地质。
隧道工程工点表2.1、国家相关法律、法规和铁道部相关规章制度，国家、铁道部颁发的现行规范、规程、验标等各项技术标准和有关的法律、法规。
2.2、沪昆铁路客运专线湖南有限责任公司提供的由铁道第三勘察设计院集团有限公司设计图纸、设计文件和设计资料。
2.3、《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210-2005）；2.4、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）；2.5、《铁路工程设计防火规范》（TB10063-2007 J774-2008）；2.6、《铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南》（TZ231-2007）；2.7、施工前期踏勘、调查、采集和咨询所获取的资料。
2.8、施工拥有的科技工法成果和现有的企业管理水平，劳力、设备技术能力，以及在同类铁路施工中所积累的丰富3.场地布臵3.1通讯当地通讯条件较好，对外联系采用程控电话和移动电话，保证指挥和联络的通畅。
3.2用电隧道施工用电采用从地方10KV电源接入供电，由当地电业部门在隧道口安装2台800KVA变压器。
施工队自备400KW发电机两台。
电力线路尽量做到永临结合，确保工程顺利进行.工地用电配有值班室、配电房、变压器房。
其结构采用砖墙预制板屋顶。
隧道动力供电采用三相五线制，动力用Φ150mm2铝芯线，零线和接地采用Φ50mm2铝芯线。
洞内配电箱每90m设一个，作业面和配电箱之间根据用电的负荷情况，用不同规格电缆连接；每个配电箱都设有漏电保护开关。
隧道洞身超前支护施工方案(大管棚施工)
施工技术方案一、工程概况沙沟隧道位于B7合同沙沟段，路线由左幅起点K96+000=右幅K96+000处分幅，至左幅止点HZK99+804.96=右幅K99+838.45处合拢。
其右幅隧道起止桩号为：K97+737.88～K98+351.25，全长613.37m，元谋端位于R=854.0661m， LS=120m的右转曲线上，武定端位于直线段上，纵坡元谋端+3.834%，余端+2.9%的单向坡，最大埋深约为146.6m。
左幅隧道起止桩号为：K97+674～K98+276，全长602m，元谋端位于R=776.909m， LS=120m的右转曲线上，武定端位于直线段上，纵坡采用+2.9%的单向坡，最大埋深约为101.79m。
设计图纸为左、右分离的双洞单向行车双车道隧道。
单跨净宽为11.20米，净高为7.1米。
本隧道按规范和救灾要求，洞内预留、预埋了供照明、通信、消防、等设施用的洞室和管、槽。
右幅设计图纸设计了共长50m的S1B及S2型衬砌，其余各段为S1A型明洞衬砌，S3、S4型复合式衬砌。
S2型衬砌段设计图采用了大管棚，，S4型衬砌段采用超前小导管，S4型衬砌段采用Φ28的超前砂浆锚杆，对前方围岩进行注浆加固后再开挖。
本分项工程为右幅S1B及S2型复合式衬砌段超前支护工程。
桩号分别为：K97+739.5～K97+764.5及K98+321～K97+346属于洞身浅埋段，主要工程量如下：超前管棚φ108×6：32141.7kg，锁脚锚杆：1560kg，C:S注浆：90.72m3二、工期及人员设备安排沙沟隧道右幅衬砌段超前支护开工时间为2005年11月2日，至2006年2月28日完成施工。
本分项工程具体由曾红春负责，项目总工胡建全负责技术，质检工程师伍勇民，试验工程师何泽勇，现场人员高秀平，安全员王宝褔，投入技术、质检、试验、管理各1人；旁站人员1人，民工35人，后勤人员3人；机械投入见《云南永武高速公路元谋至武定段进场设备报验单》。
隧道大管棚超前支护施工图解
隧道大管棚超前支护施工图解导读:隧道的地质一般较松软，有时候还会涌水、涌砂层，而管棚施工在这中间就起到了超前支护的作用,因此又称之为管棚超前支护，管棚刚度较大,施工时如再次发生塌方,塌渣也是落在管棚上部岩渣上,起到缓冲作用.即使管棚失稳,其破坏也较缓慢，为隧道开挖提供了坚实的基础。
一、施工步骤1、施作导向墙在洞口里程外起拱线以下路基土石方留一长约5m平台，然后在洞外洞口交界处架立钢架,间距按管棚施工图要求,用连接筋焊接成一整体。
在钢支撑上安设导向钢管，数量、环向间距和外插角与大管棚一致。
导向钢管的安装要测量定位,使钢管位置与方向准确无误，导向钢管与钢架焊为整体。
支立模板，然后灌注导向墙，导向墙完成后，喷射混凝土封闭周围仰坡面,以防止浆液从周围仰坡渗漏。
搭设钻孔平台脚手架、安装钻机.2、钻孔采用潜孔钻机，从导向管内隔孔钻孔。
开孔时，低压满转,待成孔1。
0m后，适当加压，钻进过程中利用倾斜仪等测量设备有效控制钻孔质量,保证终孔偏斜率在1/2000以内。
3、安装大管棚钢管管棚钢管安装顶进前先进行孔道扫空作业，目的是清除孔内岩碴，和顺通孔道。
管棚钢管由机械顶进,钢管节段间用丝扣连接,顶进时,采用6m或3m节长的管节交替使用,以保证隧道纵向同一断面内的接头数不大于50%，管壁上按照设计钻注浆孔。
管棚顶到位后，钢管与导向管间隙用速凝水泥等材料堵塞严密,以防注浆时冒浆.4、注浆注浆前先将孔内泥浆清干净（可用高压水冲洗），再进行注浆。
浆液采用水泥砂浆，注浆压力1.0~2.0Mpa，注浆参数根据现场试验予以调整.管棚施工过程中为了防止注浆过程中发生串浆，每钻完一个孔，随即安设该孔的钢管并注浆，然后再进行下一孔的施工。
以上就是管棚超前支护施工的图解工艺流程，管棚超前支护是在进洞口的地质条件非常差（如：沙土、破碎严重的岩石、黄土等）的情况下使用，一般长度就20-30米左右，管棚为壁厚3.5mm的钢管，直径一般为108mm。
案例4 小河沟铁路隧道大管棚超前支护施工过程模拟
无管棚拱顶沉降位移
有管棚拱顶沉降位移图
计算结果分析
管棚梁的弯矩变形图和注浆加固区的变形图如下所示，由 图可见管棚和管棚加固的区域的最大弯矩和最大应力并不 是发生在掌子面上，而是发生在掌子面前方未开挖阶段， 距掌子面4m到5m的范围内，与前述监测位移曲线变化相符 合。
FLAC3D 3.00
Step 5001 Model Perspective 20:10:02 Mon Apr 22 2013 Center: X: -2.551e-001 Y: 1.027e+001 Z: -4.665e+000 Dist: 2.929e+002 Rotation: X: 110.000 Y: 50.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
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Block Group
12
SEL Geometry
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Sketch
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SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
FLAC3D 3.00
Step 2929 Model Perspective 09:43:43 Thu Jun 21 2012 Center: X: 3.146e+000 Y: 1.137e+001 Z: -1.979e+000 Dist: 3.875e+002 Rotation: X: 100.000 Y: 340.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
小断面隧洞中采用超前管棚配合钢板拱架快速支护施工
小断面隧洞中采用超前管棚配合钢板拱架快速支护施工[摘要]：在砂卵石、泥岩与砂岩互层小断面隧洞开挖施工过程中经常遇到地质不良段，如出现渗水、涌水、坍塌等现象，存在的安全风险较大。
为保证工程安全稳步推进，通过研究探索，现场主要采用超前管棚配合钢板组合拱架支护施工，此种快速支护施工方法达到了安全、快速支护施工的预期效果。
[关键词]：超前管棚钢板组合拱快速支护工法1 概述1.1 工程概况导流兼放水洞工程位于大坝右侧， 0+003～310段为洞身段，长度为307m，其中0+003～0+180.1段、0+297.6～0+310段为Ⅴ类围岩，支护型式为采用14#工字钢支撑，间距为0.5m；钢支撑各布置1根φ20锁脚锚杆，长度3m，系统锚杆间距为1.5mφ20锚杆，长度2m；挂网采用φ8@15×15cm网片，喷护15cm厚C20混凝土。
0+180.1～0+297.6段为Ⅳ类围岩，支护型式为采用系统锚杆φ20锚杆，间距为2m，长度2m；挂网采用φ8@15×15cm网片，喷护8cm厚C20混凝土。
衬砌成型后为城门洞型，其中0+003～0+010段为渐变段，衬砌成型尺寸2.5×2.5m渐变为2.5×3.0m，衬砌厚度50cm；0+010～0+310段开挖后断面尺寸为3.56×4.15m。
1.2 地质情况导流兼放水洞洞身段位于河流二级阶地，上部地层主要以黄土为主，厚度为6～10m，；其次，粉质壤土，局部夹杂有碎石、卵石，厚度为2～5m；下部为紫红色泥岩与砂岩互层。
该段洞室位于地下水位段，洞顶以上土层厚度约5～30m。
2 问题提出导流兼放水洞，设计桩号0+48、0+52、0+58等部位爆破开挖后1～2小时掌子面局部出现小量渗水，（紫红色）泥岩遇到地下渗水后在3～5小时开始掉块、坍塌，无渗水部位一般6～8小时开始出现掉块、坍塌。
导流放水洞工程于2017年1月20日，因停电耽误6小时，且发电设备出现故障，0+72.5～0+75段未及时完成钢拱架支护施工，掌子面出现渗水，随着渗水量的增多，4小时后围岩已软化失去稳定性，出现坍塌，顶部空腔坍塌形成约为深约3m，长、宽约2.5米的空腔。
隧道管棚超前支护施工方法【最新版】
隧道管棚超前支护施工方法简介管棚超前支护是为了在特殊条件下安全开挖，预先提供增强地层承载力的临时支护方法。
一般是沿地下工程断面的一部分或全部，以一定的间距环向布设，形成钢管棚护。
主要用于对于围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中，如软弱、沙砾地层和软岩、岩堆、破碎带地段。
主要作用和优点(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。
(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。
管棚布置形式根据地形地质以及载荷情况不同，通常管棚可布置成如下几种形式:(1)扇形布置:用于隧道断面内地层比较稳定，但拱部附近地层不稳定的场合。
(2)半圆形布置:用于隧道下半部地层是稳定的，但起拱线以上的地层不稳定的场合。
此外，即使地层比较稳定，但地表、周围有结构物、埋深很浅时也采用此种布置形式。
(3)门形布置:隧道除底部外，布置成半圆、侧壁的门形。
用于隧道基础是稳定的，断面内地层及上部地层不稳定的场合。
(4)全周布置:用于软弱地层或膨胀性、挤出性围岩等极差的场合。
(5)上部一侧布置:隧道一侧有公路、铁路、重要结构物、需防护或斜坡地形可能形成偏压时采用。
(6)双层布置:用于隧道上部有重要设施、拱部地层是坍塌性、不稳定的或地铁车站等大断面隧道施工或突破河海底段施工场合。
(7)一字形布置:在铁路、公路正下方施工或在某些结构物下方施工时采用。