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摘要：介绍黄陵至韩城至侯马铁路一标北塬双线喇叭口隧道40 m 长大管棚超前支护的施工技术, 包括技术参数确定、施工工艺、质量控制等。实践证明, 长大管棚超前支护技术在浅埋、黄土不良地质隧道施工中具有非常重要的意义。长大管棚在北塬隧道进洞安全掘进施工方面起到了关键作用。
关键词： 铁路隧道、浅埋、长大管棚、施工
Abstract: the article introduces to HanCheng to HouMa describing the railway standard north tableland double tunnel 40 m tube coiled up ahead of the construction technology supporting tents, including technical parameters, the construction technology and quality control, etc. Practice has proved, grew up in advance of pipe roof supporting technology of the shallow cover and bad geological loess tunnel construction has the extremely vital significance. Grew up in north tableland tunnel of pipe roof into the hole tunneling construction safety play a key role.
Keywords: railway tunnel, shallow buried, the tent, construction grew up
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
黄陵至韩城至侯马铁路一标北塬隧道设计为双线喇叭口隧道, 左线隧道起讫里程DK1+046～DK9+399，全长8353m, 右线隧道起讫里程DK1+871～DK9+399，全长7528m。全隧道采用复合式衬砌结构, 左右线进出口均为Ⅴ级围岩,浅埋段最薄覆盖层仅6m, 地层岩性为砂质黄土、粘质黄土、砂岩泥岩互层; 顶板为残坡积层, 风化破碎, 发育具块状镶嵌结构, 局部呈散体结构, 围岩强度较低, 洞顶坍落、冒顶可能性较大, 需采取相应的强支护措施。北塬隧道出口段开挖断面较大, 此段为Ⅴ级围岩黄土段，开挖面积108.26㎡。为保证隧道进洞施工的安全性, 北塬隧道DK9+389洞口明暗分界处掘进采用超前大管棚和φ42超前小导管作为进洞的辅助施工措施。
2方案比选
同其他辅助施工措施(如超前小导管、超前锚杆)相比, 大管棚超前支护具有明显的优势, 主要体现在以下几个方面:
⑴、安全系数高。大管棚注浆后, 固结围岩, 在隧道开挖轮廓线以外形成一圈封闭高强度刚体, 能够有效减少围岩以及地表沉降, 防止隧道塌方。
⑵、施工进度能够得到保证。大管棚在隧道开挖前施工, 系统性强, 避免隧道施工中的交叉、平行施工干扰, 使隧道开挖、支护施工更加有序, 加快了施工进度。北塬隧道从导向墙施工、打设大管棚到正洞開挖掘进仅用了46天时间。
⑶、有效控制成本。在黄土及破碎带隧道开挖施工中，管棚技术能够有效控制超欠挖, 通过施工过程观测，北塬隧道进口段开挖轮廓线良好，没出现超欠挖现象。
3大管棚主要施工工艺
沿隧道衬砌外缘环向打入一排纵向φ108钢管, 并且在插入钢管后, 再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙, 使管棚与围岩固结紧密, 以提高钢管的强度。开挖后架设拱形钢架支撑, 形成牢固的棚状支护结构。大管棚洞口正面布置图见图1-大管棚洞口正面布置。
图1 大管棚洞口正面布置图
3．1 管棚参数
(1)钢管布设在圆心角为140°的隧道拱部;
(2)管心之间间距为40 cm;
(3)外插角2°(不包括线路纵坡) ;
(4)管棚长度为40m, 热轧无缝钢管φ108mm，壁厚6mm，节长6～9m，分节钢管连接处车外丝扣;
(5) φ108管棚连接套管为无缝钢管φ114mm ，壁厚6mm，节长300mm，套管车内丝扣；
(6)为提高管棚的抗弯能力，在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼有四根主筋和固定环构成，主筋直径为φ18mm，固定环采用短管节，节长3～5cm，将其与主筋焊接，按1.5m间距设置。
3.2工艺说明
管棚施工主要工序有开挖支护明洞边仰坡、施作套拱、搭钻孔平台、安装钻机; 钻孔、 清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆。
3.2.1明洞边坡、仰坡开挖支护
(1)明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行, 应尽量避开雨季施工。
(2)边仰坡防护应与明洞开挖同步进行, 及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。
(3)对边仰坡地表渗水要及时引到坡面外, 加强对坡面的防护。
3.2.2施做套拱
(1)C25混凝土套拱作为长管棚的导向墙, 套拱在明洞外廓线以外施作, 套拱内埋设2榀Ⅰ16工字钢支撑, 钢支撑与管棚孔口管焊成整体。
(2)孔口管作为管棚的导向管, 它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪以坐标法，在工字钢架上定出其平面位置, 用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角, 用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上, 防止浇筑混凝土时产生位移。如图2：图名-套拱布置参数。
图2套拱布置参数
3.2.3搭钻孔平台安装钻机
(1)钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设, 平台应一次性搭好, 钻孔由2台MZ165管棚钻机由高孔位向低孔位对称进行, 可缩短移动钻机与搭设平台时间, 便于钻机定位。
(2)平台支撑要着实地, 连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。北塬隧道出口地质为湿陷性黄土，为了保证钻机平台的稳定，防止施工场地遇水湿陷造成施工平台失稳，在开钻前对洞口施工场地采用换填灰土和LSS220重型压路机碾压的方式解决处理。
(3)钻机定位: 钻机要求与已设定好的孔口管方向平行, 必须精确核定钻机位置。开钻前采用了全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法进行反复调整, 保证了钻机钻杆轴线与孔口管轴线的吻合。
3.2.4钻孔
(1)为了便于安装钢管采用MZ165管棚钻机,钻头直径采用115mm，施工现场工人施工管棚钻孔如图所示。如图3-施工现场工人施工管棚钻孔。
图3施工现场工人施工管棚钻孔
(2)北塬隧道出口段为Ⅴ级围岩, 其中3个孔位由于岩层破碎产生了塌孔，施工中采用了补注水泥浆二次钻进的方式，取得了良好的钻孔效果。
(3)钻机开钻时, 可低速低压, 待成孔10m 后，可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
(4)钻进过程中经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量, 及时处理钻进过程中出现的事故。
(5)钻进过程中确保动力器, 扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
(6)经过对孔口岩屑的判断，可以断定DK9+349～DK9+389段围岩与设计相符为Ⅴ级黄土。通过对钻进过程的原始记录和对孔口岩屑的观察，可以提前判定地质情况，超前的地质预探可为洞身开挖方式的选择提供依据。
3.2.5清孔验孔
(1)用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔, 清除浮碴至孔底, 确保孔径、孔深符合要求, 防止堵孔。
(2)用高壓风从孔底向孔口清理钻碴，该段为黄土段孔内钻碴主要为黄土粉末通过高压风清孔效果良好。
(3)用全站仪、测斜仪等检测孔深, 倾角, 外插角。
3.2.6 安装管棚钢管
(1)φ108钢管在专用的管床上加工好丝扣, 棚管四周钻梅花形出浆孔(靠工作面4～5m 的棚管不钻孔) ; 管头切割挤压成圆锥形, 便于φ108钢管顺利入孔。
(2)棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺, 即先钻大于棚管直径的引导孔(φ115mm ),利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。通过实践证明此种工法操作简单、便捷、生产效率高。
(3)接长钢管应满足受力要求, 相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%, 相邻钢管接头至少错开1m, 纵向两组管棚搭接接头不小于3m。
3.2.7注浆
(1)为提高管棚的刚度，在管棚的钢管内压注水灰比为0.6：1的水泥浆液。
(2)采用H-400注浆泵，将浆液注入管棚钢管内, 初压0.5～1.0MPa, 终压2MPa, 持压15min后，停止注浆。注浆量一般按浆液扩散半径及浆液填充率计算; 若注浆量超限, 未达到压力要求, 应调整浆液浓度继续注浆, 直至符合注浆质量标准, 确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填, 方可终止注浆。
(3)注浆结束后，及时采用M30 水泥砂浆充填, 增强管棚的刚度和强度。
4质量控制
(1)钻孔前, 精确测定孔的平面位置、倾角、外插角, 并对每个孔进行编号。
(2)钻孔仰角的确定，应视钻孔深度及钻杆强度而定,一般为1°～1.5°。钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右, 并控制在20～30cm。
(3)严格控制钻孔平面位置, 管棚不得侵入隧道开挖线内, 相邻的钢管不得相撞和立交。
(4)经常量测孔的斜度, 发现误差超限及时纠正,至终孔仍超限者应封孔、注浆, 原位重钻。
(5)掌握好开钻与正常钻进的压力和速度, 防止断杆、卡钻。
(6)大管棚施工质量良好，达到了预期效果，大管棚施工结束效果如图所示。如图4-大管棚施工结束后效果图。
图4大管棚施工结束后效果图
5结束语
(1)北塬隧道出口洞口大管棚施工,从2010年11月10日起至2010年12月26日结束，历时46天，整个施工进展顺利。从2011年1月20日至2011年3月31日，隧道掘进90ｍ。通过对3个月的围岩量测、洞顶及地表下沉监测数据分析，显示大管棚支护效果良好，洞顶累计下沉5cm，未发现地表下沉及开裂现象。
(2)对于隧道洞口的黄土、浅埋地段、软弱破碎围岩地段等不良地质采用长大管棚施工工艺, 提前发挥超前支护作用, 提高了施工的安全性, 增强了隧道的长期稳定性, 具有显著的经济效益和社会效益。
(3)在管棚支护下施工, 可极大程度地减少地表下沉和防止围岩坍塌, 确保隧道开挖掘进安全顺利的进行，缩短了进洞时间。
(4)管棚钻孔可作为地质预探、预报, 地质资料可作为调整隧道洞身开挖工法的依据，确定合理的开挖工法可以提高隧道施工的安全性，为加快施工进度提供有力的保障。
参考文献：
⑴铁路隧道施工技术指南TZ204-2008.
⑵黎爱清.吕秀华. 长大管棚施工工法[J] .西部探矿工程. 2003(12).
⑶邢厚俊.徐祯祥. 大管棚在超浅埋暗挖大跨度隧道工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报.1999(增)。
⑷贾宏宇.超前管棚支护在隧道工程中的应用[B]2009.11
⑸马天.长管棚在南岭公路隧道浅埋段施工中的应用[U]2008.01
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词： 铁路隧道、浅埋、长大管棚、施工
Abstract: the article introduces to HanCheng to HouMa describing the railway standard north tableland double tunnel 40 m tube coiled up ahead of the construction technology supporting tents, including technical parameters, the construction technology and quality control, etc. Practice has proved, grew up in advance of pipe roof supporting technology of the shallow cover and bad geological loess tunnel construction has the extremely vital significance. Grew up in north tableland tunnel of pipe roof into the hole tunneling construction safety play a key role.
Keywords: railway tunnel, shallow buried, the tent, construction grew up
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
黄陵至韩城至侯马铁路一标北塬隧道设计为双线喇叭口隧道, 左线隧道起讫里程DK1+046～DK9+399，全长8353m, 右线隧道起讫里程DK1+871～DK9+399，全长7528m。全隧道采用复合式衬砌结构, 左右线进出口均为Ⅴ级围岩,浅埋段最薄覆盖层仅6m, 地层岩性为砂质黄土、粘质黄土、砂岩泥岩互层; 顶板为残坡积层, 风化破碎, 发育具块状镶嵌结构, 局部呈散体结构, 围岩强度较低, 洞顶坍落、冒顶可能性较大, 需采取相应的强支护措施。北塬隧道出口段开挖断面较大, 此段为Ⅴ级围岩黄土段，开挖面积108.26㎡。为保证隧道进洞施工的安全性, 北塬隧道DK9+389洞口明暗分界处掘进采用超前大管棚和φ42超前小导管作为进洞的辅助施工措施。
2方案比选
同其他辅助施工措施(如超前小导管、超前锚杆)相比, 大管棚超前支护具有明显的优势, 主要体现在以下几个方面:
⑴、安全系数高。大管棚注浆后, 固结围岩, 在隧道开挖轮廓线以外形成一圈封闭高强度刚体, 能够有效减少围岩以及地表沉降, 防止隧道塌方。
⑵、施工进度能够得到保证。大管棚在隧道开挖前施工, 系统性强, 避免隧道施工中的交叉、平行施工干扰, 使隧道开挖、支护施工更加有序, 加快了施工进度。北塬隧道从导向墙施工、打设大管棚到正洞開挖掘进仅用了46天时间。
⑶、有效控制成本。在黄土及破碎带隧道开挖施工中，管棚技术能够有效控制超欠挖, 通过施工过程观测，北塬隧道进口段开挖轮廓线良好，没出现超欠挖现象。
3大管棚主要施工工艺
沿隧道衬砌外缘环向打入一排纵向φ108钢管, 并且在插入钢管后, 再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙, 使管棚与围岩固结紧密, 以提高钢管的强度。开挖后架设拱形钢架支撑, 形成牢固的棚状支护结构。大管棚洞口正面布置图见图1-大管棚洞口正面布置。
图1 大管棚洞口正面布置图
3．1 管棚参数
(1)钢管布设在圆心角为140°的隧道拱部;
(2)管心之间间距为40 cm;
(3)外插角2°(不包括线路纵坡) ;
(4)管棚长度为40m, 热轧无缝钢管φ108mm，壁厚6mm，节长6～9m，分节钢管连接处车外丝扣;
(5) φ108管棚连接套管为无缝钢管φ114mm ，壁厚6mm，节长300mm，套管车内丝扣；
(6)为提高管棚的抗弯能力，在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼有四根主筋和固定环构成，主筋直径为φ18mm，固定环采用短管节，节长3～5cm，将其与主筋焊接，按1.5m间距设置。
3.2工艺说明
管棚施工主要工序有开挖支护明洞边仰坡、施作套拱、搭钻孔平台、安装钻机; 钻孔、 清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆。
3.2.1明洞边坡、仰坡开挖支护
(1)明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行, 应尽量避开雨季施工。
(2)边仰坡防护应与明洞开挖同步进行, 及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。
(3)对边仰坡地表渗水要及时引到坡面外, 加强对坡面的防护。
3.2.2施做套拱
(1)C25混凝土套拱作为长管棚的导向墙, 套拱在明洞外廓线以外施作, 套拱内埋设2榀Ⅰ16工字钢支撑, 钢支撑与管棚孔口管焊成整体。
(2)孔口管作为管棚的导向管, 它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用全站仪以坐标法，在工字钢架上定出其平面位置, 用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角, 用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上, 防止浇筑混凝土时产生位移。如图2：图名-套拱布置参数。
图2套拱布置参数
3.2.3搭钻孔平台安装钻机
(1)钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设, 平台应一次性搭好, 钻孔由2台MZ165管棚钻机由高孔位向低孔位对称进行, 可缩短移动钻机与搭设平台时间, 便于钻机定位。
(2)平台支撑要着实地, 连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。北塬隧道出口地质为湿陷性黄土，为了保证钻机平台的稳定，防止施工场地遇水湿陷造成施工平台失稳，在开钻前对洞口施工场地采用换填灰土和LSS220重型压路机碾压的方式解决处理。
(3)钻机定位: 钻机要求与已设定好的孔口管方向平行, 必须精确核定钻机位置。开钻前采用了全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法进行反复调整, 保证了钻机钻杆轴线与孔口管轴线的吻合。
3.2.4钻孔
(1)为了便于安装钢管采用MZ165管棚钻机,钻头直径采用115mm，施工现场工人施工管棚钻孔如图所示。如图3-施工现场工人施工管棚钻孔。
图3施工现场工人施工管棚钻孔
(2)北塬隧道出口段为Ⅴ级围岩, 其中3个孔位由于岩层破碎产生了塌孔，施工中采用了补注水泥浆二次钻进的方式，取得了良好的钻孔效果。
(3)钻机开钻时, 可低速低压, 待成孔10m 后，可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
(4)钻进过程中经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量, 及时处理钻进过程中出现的事故。
(5)钻进过程中确保动力器, 扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
(6)经过对孔口岩屑的判断，可以断定DK9+349～DK9+389段围岩与设计相符为Ⅴ级黄土。通过对钻进过程的原始记录和对孔口岩屑的观察，可以提前判定地质情况，超前的地质预探可为洞身开挖方式的选择提供依据。
3.2.5清孔验孔
(1)用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔, 清除浮碴至孔底, 确保孔径、孔深符合要求, 防止堵孔。
(2)用高壓风从孔底向孔口清理钻碴，该段为黄土段孔内钻碴主要为黄土粉末通过高压风清孔效果良好。
(3)用全站仪、测斜仪等检测孔深, 倾角, 外插角。
3.2.6 安装管棚钢管
(1)φ108钢管在专用的管床上加工好丝扣, 棚管四周钻梅花形出浆孔(靠工作面4～5m 的棚管不钻孔) ; 管头切割挤压成圆锥形, 便于φ108钢管顺利入孔。
(2)棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺, 即先钻大于棚管直径的引导孔(φ115mm ),利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。通过实践证明此种工法操作简单、便捷、生产效率高。
(3)接长钢管应满足受力要求, 相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%, 相邻钢管接头至少错开1m, 纵向两组管棚搭接接头不小于3m。
3.2.7注浆
(1)为提高管棚的刚度，在管棚的钢管内压注水灰比为0.6：1的水泥浆液。
(2)采用H-400注浆泵，将浆液注入管棚钢管内, 初压0.5～1.0MPa, 终压2MPa, 持压15min后，停止注浆。注浆量一般按浆液扩散半径及浆液填充率计算; 若注浆量超限, 未达到压力要求, 应调整浆液浓度继续注浆, 直至符合注浆质量标准, 确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填, 方可终止注浆。
(3)注浆结束后，及时采用M30 水泥砂浆充填, 增强管棚的刚度和强度。
4质量控制
(1)钻孔前, 精确测定孔的平面位置、倾角、外插角, 并对每个孔进行编号。
(2)钻孔仰角的确定，应视钻孔深度及钻杆强度而定,一般为1°～1.5°。钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右, 并控制在20～30cm。
(3)严格控制钻孔平面位置, 管棚不得侵入隧道开挖线内, 相邻的钢管不得相撞和立交。
(4)经常量测孔的斜度, 发现误差超限及时纠正,至终孔仍超限者应封孔、注浆, 原位重钻。
(5)掌握好开钻与正常钻进的压力和速度, 防止断杆、卡钻。
(6)大管棚施工质量良好，达到了预期效果，大管棚施工结束效果如图所示。如图4-大管棚施工结束后效果图。
图4大管棚施工结束后效果图
5结束语
(1)北塬隧道出口洞口大管棚施工,从2010年11月10日起至2010年12月26日结束，历时46天，整个施工进展顺利。从2011年1月20日至2011年3月31日，隧道掘进90ｍ。通过对3个月的围岩量测、洞顶及地表下沉监测数据分析，显示大管棚支护效果良好，洞顶累计下沉5cm，未发现地表下沉及开裂现象。
(2)对于隧道洞口的黄土、浅埋地段、软弱破碎围岩地段等不良地质采用长大管棚施工工艺, 提前发挥超前支护作用, 提高了施工的安全性, 增强了隧道的长期稳定性, 具有显著的经济效益和社会效益。
(3)在管棚支护下施工, 可极大程度地减少地表下沉和防止围岩坍塌, 确保隧道开挖掘进安全顺利的进行，缩短了进洞时间。
(4)管棚钻孔可作为地质预探、预报, 地质资料可作为调整隧道洞身开挖工法的依据，确定合理的开挖工法可以提高隧道施工的安全性，为加快施工进度提供有力的保障。
参考文献：
⑴铁路隧道施工技术指南TZ204-2008.
⑵黎爱清.吕秀华. 长大管棚施工工法[J] .西部探矿工程. 2003(12).
⑶邢厚俊.徐祯祥. 大管棚在超浅埋暗挖大跨度隧道工程中的应用[J]. 岩石力学与工程学报.1999(增)。
⑷贾宏宇.超前管棚支护在隧道工程中的应用[B]2009.11
⑸马天.长管棚在南岭公路隧道浅埋段施工中的应用[U]2008.01
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。