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[摘 要]为保证隧道开挖工作面稳定，通常采用的开挖辅助支护措施是管棚超前支护。管棚超前支护能有效地加固围岩，起到良好的支护效果。本文结合工程实际，对隧道超前长管棚施工技术的工作原理及施工要点作一些探讨。
[关键词]隧道；超前长管棚；作用原理；施工技术
中图分类号：U455.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0105-01
隧道超前长管棚支护施工是指在隧道洞口的隧道拱顶前沿沿着隧道轮廓线外钻设水平孔，然后进行注浆对围岩进行固结，对隧道拱顶形成棚架保护环，以确保隧道施工开挖的安全顺利进行。
一、超前长管棚支护作用原理
1、管棚超前支护原理
在探讨管棚支护结构的作用原理之前，须弄清楚隧道失稳的力学机理。
（1）隧道失稳力学机理。隧道失稳实际上是地层压力效应的结果。地层压力效应是指在隧道开挖后岩体重新分布的应力强度与围岩的变形特性互相作用而产生的一种力学现象。当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的变形、破裂、碎裂破坏等现象，表现出明显的地层压力效应。地层压力可分为松动压力、形变压力等。松动压力的形成原因是隧道开挖后围岩应力重新分布，部分围岩或其结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块体或松散体，它们在重力法则支配下，克服较小的阻力产生冒落或塌滑运动。松动压力是直接作用在隧道支护体上的压力，大多出现在隧道的拱顶及侧帮。这种压力具有断续性和突发性，很难预见什么时间、有多大范围的分离块体会突然塌滑下来。形成这种压力的关键因素是地质特性和岩体结构。形变压力是指在二次应力作用下，围岩局部进入塑性状态，缓慢的塑性变形作用在支护结构上形成压力，或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或弹粘—塑性变形形成的支护压力。当这种重新分布的形变压力足够大，使部分围岩进入塑性或流变变形阶段。若无支护，塑性区逐渐扩大，往往达到一定范围便停止下来，并在弹性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力环。当围岩塑性变形过大，使塑性区进入了破裂阶段，形成松动压力导致隧道失稳。当有支护时，支护刚度对围岩产生抗力，此抗力就是实际的形变压力。支护越早，支护上受到压力越大，围岩塑性变形就越小；支护越晚，支护上受到压力越小，塑性区发展较大，易导致围岩破坏。
（2）管棚超前支护原理。注浆管棚通过注浆填充围岩裂隙，提高围岩的强度和刚度，从而提高围岩的整体承载能力。通过向围岩注浆形成的加固圈起到“承载拱”的作用，支承“承载拱”上部的岩层重量，使拱内部的围岩与支护系统处于免压状态，拱内部的围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧道方向的变形引起的形变压力，当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管，且沿隧道开挖轮廓线周密布置时，加固圈的变形较小，因此，隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。另外，在管棚进口端一般加有套拱基础，另一端深入到隧道围岩较为完整、坚硬处，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载的作用。
2、管棚支护的主要作用和优点：
（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。
二、超前长管棚施工技术要点
1、工程概况
隧道隧址区为构造剥蚀形成的低山丘陵区，地表植被发育。隧道穿越村旧址北侧的山体，河在隧址南侧蜿蜒流过。隧址区山体较完整，但岩体受构造影响严重，隧道出口处山体部沟坎发育，围岩以浅紫色白云质石英砂岩为主，砂质白云岩、叶片状含粉沙泥质白云岩组成数十个旋回性基本层序，厚度稳定，为潮间～潮上环境沉积。隧道进口段岩体破碎，坡面陡立，围岩的节理裂隙较发育。超前支护工程量隧道超前支护根据围岩级别采用超前长管棚、超前小导管、超前锚杆等方法。进洞Ⅴ级围岩采用超前大管棚，前大管棚采用Φ108、壁厚6mm无缝钢管，与隧道轴线外插角为1～3°。
2、管棚施工工艺流程
首先施作套拱混凝土，用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4榀I20b工字型钢支撑，拱架间用Φ22钢筋连接，连接钢筋环向间距1.0m；钢支撑与管棚导向钢管焊成整体。导向钢管采用Φ150×4钢管，施工中严格控制导向钢管安设的平面位置、倾角、外插角的准确度值。施工前用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定导向钢管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。确保导向钢管牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。
3、超前长管棚施工技术要点
（1）钻孔。钻孔之前用全站仪准确定方向和角度，钻孔过程中经常进行校核检查。钻孔顺序为由高孔位向低孔位间隔进行，钻孔深度24米，一次钻到位。钻孔采用直径φ130mm钻头，孔深大于管长0.5m以上。钻机开孔时钻速宜低，钻深100cm后转入正常钻速。当第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20～30cm时停止钻进，用两把管钳人工卡紧钻杆，钻机低速反转，脱开钻杆，钻机退回本位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联结套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联结成一体。为确保杆接头有足够强度、刚度和韧性，钻杆联结套与钻杆同材质，两端加工成内螺旋，联结套的最小壁厚大于10mm。换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲、有无损伤，中心喷水孔是否畅通等，不符合要求的及时更换以确保正常工作。若出现卡钻或塌孔时，应拔出重钻或更换钻头。必要时可采取先注浆后补钻的方法。钻进过程中要注意钻杆的方向和角度，防止相邻孔位发生对穿现象。同时在钻进过程中要注意围岩地质的变化，并适时记录，为以后的洞身开挖提供第一手资料。钻孔达到要求深度后，按照同样方法拆卸钻杆，钻机退回准备进行下一个孔的钻进。鉴于洞口地质破碎，应每钻一个孔即安装一根管棚钢管，并进行注浆，防止塌孔。
（2）安装管棚。奇数钢管每节长为6m，管棚长度24m，接长3次；偶数钢管两个端头每节长为3m，管棚长度24m，中间接长3次6m钢管即可。管棚接长时先将第一节钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。第一根钢管前端要焊接成锥状，以防止管头顶弯或劈裂。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30～40cm时，人工装上第二节钢管。人工持链钳进行钢管联结，使两节钢管联成一体。根据管棚的设计长度，按同样方法继续接长钢管。
（3）注浆。注浆前平整注浆所需场地，检查机具设备，并准备注浆材料。注浆材料严格按照实验室提供的配料单进行，且准备要足够充分。长管棚预注浆采用水泥浆（30MPa），注浆压力为0.5～1.0MPa，水泥浆水灰比1：1，水泥标号为425。用注浆泵将浆液压入孔内，通过钢管壁注浆孔来加固地层并紧密填充管棚，增强管棚的刚度和强度。注浆过程采用双指标控制即注浆量和注浆压力。必须同时满足注浆总量达到钻孔体积的1.5倍，注浆压力达到1.0MPa时才符合要求。注漿结束后，利用止浆塞保持孔内压力，直至浆液完全凝固。浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求，不得随意变更。
三、结束语
总之，在隧道管棚支护施工作业过程中，应该结合施工区域的地质条件以及作业规模，合理的制定管棚支护施工作业方案，同时强化施工过程中的动态监控测量，以控制地表下沉，避免围岩坍塌问题的发生，确保隧道开挖作业的顺利推进。
参考文献
[1] 交通运输部公路局.高速公路施工标准化技术指南，2012.06.
[关键词]隧道；超前长管棚；作用原理；施工技术
中图分类号：U455.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0105-01
隧道超前长管棚支护施工是指在隧道洞口的隧道拱顶前沿沿着隧道轮廓线外钻设水平孔，然后进行注浆对围岩进行固结，对隧道拱顶形成棚架保护环，以确保隧道施工开挖的安全顺利进行。
一、超前长管棚支护作用原理
1、管棚超前支护原理
在探讨管棚支护结构的作用原理之前，须弄清楚隧道失稳的力学机理。
（1）隧道失稳力学机理。隧道失稳实际上是地层压力效应的结果。地层压力效应是指在隧道开挖后岩体重新分布的应力强度与围岩的变形特性互相作用而产生的一种力学现象。当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的变形、破裂、碎裂破坏等现象，表现出明显的地层压力效应。地层压力可分为松动压力、形变压力等。松动压力的形成原因是隧道开挖后围岩应力重新分布，部分围岩或其结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块体或松散体，它们在重力法则支配下，克服较小的阻力产生冒落或塌滑运动。松动压力是直接作用在隧道支护体上的压力，大多出现在隧道的拱顶及侧帮。这种压力具有断续性和突发性，很难预见什么时间、有多大范围的分离块体会突然塌滑下来。形成这种压力的关键因素是地质特性和岩体结构。形变压力是指在二次应力作用下，围岩局部进入塑性状态，缓慢的塑性变形作用在支护结构上形成压力，或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或弹粘—塑性变形形成的支护压力。当这种重新分布的形变压力足够大，使部分围岩进入塑性或流变变形阶段。若无支护，塑性区逐渐扩大，往往达到一定范围便停止下来，并在弹性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力环。当围岩塑性变形过大，使塑性区进入了破裂阶段，形成松动压力导致隧道失稳。当有支护时，支护刚度对围岩产生抗力，此抗力就是实际的形变压力。支护越早，支护上受到压力越大，围岩塑性变形就越小；支护越晚，支护上受到压力越小，塑性区发展较大，易导致围岩破坏。
（2）管棚超前支护原理。注浆管棚通过注浆填充围岩裂隙，提高围岩的强度和刚度，从而提高围岩的整体承载能力。通过向围岩注浆形成的加固圈起到“承载拱”的作用，支承“承载拱”上部的岩层重量，使拱内部的围岩与支护系统处于免压状态，拱内部的围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧道方向的变形引起的形变压力，当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管，且沿隧道开挖轮廓线周密布置时，加固圈的变形较小，因此，隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。另外，在管棚进口端一般加有套拱基础，另一端深入到隧道围岩较为完整、坚硬处，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载的作用。
2、管棚支护的主要作用和优点：
（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。
二、超前长管棚施工技术要点
1、工程概况
隧道隧址区为构造剥蚀形成的低山丘陵区，地表植被发育。隧道穿越村旧址北侧的山体，河在隧址南侧蜿蜒流过。隧址区山体较完整，但岩体受构造影响严重，隧道出口处山体部沟坎发育，围岩以浅紫色白云质石英砂岩为主，砂质白云岩、叶片状含粉沙泥质白云岩组成数十个旋回性基本层序，厚度稳定，为潮间～潮上环境沉积。隧道进口段岩体破碎，坡面陡立，围岩的节理裂隙较发育。超前支护工程量隧道超前支护根据围岩级别采用超前长管棚、超前小导管、超前锚杆等方法。进洞Ⅴ级围岩采用超前大管棚，前大管棚采用Φ108、壁厚6mm无缝钢管，与隧道轴线外插角为1～3°。
2、管棚施工工艺流程
首先施作套拱混凝土，用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4榀I20b工字型钢支撑，拱架间用Φ22钢筋连接，连接钢筋环向间距1.0m；钢支撑与管棚导向钢管焊成整体。导向钢管采用Φ150×4钢管，施工中严格控制导向钢管安设的平面位置、倾角、外插角的准确度值。施工前用全站仪在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定导向钢管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。确保导向钢管牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。
3、超前长管棚施工技术要点
（1）钻孔。钻孔之前用全站仪准确定方向和角度，钻孔过程中经常进行校核检查。钻孔顺序为由高孔位向低孔位间隔进行，钻孔深度24米，一次钻到位。钻孔采用直径φ130mm钻头，孔深大于管长0.5m以上。钻机开孔时钻速宜低，钻深100cm后转入正常钻速。当第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20～30cm时停止钻进，用两把管钳人工卡紧钻杆，钻机低速反转，脱开钻杆，钻机退回本位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联结套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联结成一体。为确保杆接头有足够强度、刚度和韧性，钻杆联结套与钻杆同材质，两端加工成内螺旋，联结套的最小壁厚大于10mm。换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲、有无损伤，中心喷水孔是否畅通等，不符合要求的及时更换以确保正常工作。若出现卡钻或塌孔时，应拔出重钻或更换钻头。必要时可采取先注浆后补钻的方法。钻进过程中要注意钻杆的方向和角度，防止相邻孔位发生对穿现象。同时在钻进过程中要注意围岩地质的变化，并适时记录，为以后的洞身开挖提供第一手资料。钻孔达到要求深度后，按照同样方法拆卸钻杆，钻机退回准备进行下一个孔的钻进。鉴于洞口地质破碎，应每钻一个孔即安装一根管棚钢管，并进行注浆，防止塌孔。
（2）安装管棚。奇数钢管每节长为6m，管棚长度24m，接长3次；偶数钢管两个端头每节长为3m，管棚长度24m，中间接长3次6m钢管即可。管棚接长时先将第一节钢管顶入钻好的孔内，再逐根联接。第一根钢管前端要焊接成锥状，以防止管头顶弯或劈裂。当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30～40cm时，人工装上第二节钢管。人工持链钳进行钢管联结，使两节钢管联成一体。根据管棚的设计长度，按同样方法继续接长钢管。
（3）注浆。注浆前平整注浆所需场地，检查机具设备，并准备注浆材料。注浆材料严格按照实验室提供的配料单进行，且准备要足够充分。长管棚预注浆采用水泥浆（30MPa），注浆压力为0.5～1.0MPa，水泥浆水灰比1：1，水泥标号为425。用注浆泵将浆液压入孔内，通过钢管壁注浆孔来加固地层并紧密填充管棚，增强管棚的刚度和强度。注浆过程采用双指标控制即注浆量和注浆压力。必须同时满足注浆总量达到钻孔体积的1.5倍，注浆压力达到1.0MPa时才符合要求。注漿结束后，利用止浆塞保持孔内压力，直至浆液完全凝固。浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求，不得随意变更。
三、结束语
总之，在隧道管棚支护施工作业过程中，应该结合施工区域的地质条件以及作业规模，合理的制定管棚支护施工作业方案，同时强化施工过程中的动态监控测量，以控制地表下沉，避免围岩坍塌问题的发生，确保隧道开挖作业的顺利推进。
参考文献
[1] 交通运输部公路局.高速公路施工标准化技术指南，2012.06.