地铁隧道施工中大管棚的应用
作 者： 中咨工程建设监理公司重庆地铁监理部 ******
摘 要： 本文通过重庆地铁1#线工程中（有3标七星岗车站1#、2#出入口洞口；8标石油路车站大石区间洞口、石歇区间洞口、2号出入口横过渝州大道的部位；12标马家岩车场出入口；14标下穿梨菜铁路部位）使用长大管棚的过程，说明对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段等部位采用长大管棚施工工艺，提前发挥了超前支护作用，增加了施工安全度，提高了隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。
关键词：地铁隧道；长大管棚 ；超前支护
正 文：
1前 言：
1.1重庆地铁隧道施工中大管棚的使用情况：重庆地铁1#线工程中使用大管棚的工程有3标七星岗车站1#、2#出入口洞口；8标石油路车站大石区间洞口、石歇区间洞口、2#通道出入口横过渝州大道的部位；12标马家岩车场出入口；14标下穿梨菜铁路部位。从重庆地铁1#线工程使用大管棚的部位及大管棚工法的主要经验来看，大管棚是一种经常在隧道施工中采用的超前支护的工法，它广泛地应用在地质条件比较复杂的地段，诸如在隧道洞口浅埋覆盖层较薄地段、强风化岩层地段、顶板为残积土，结构松散，围岩不稳定，易坍塌的软土及杂填土地质中。由于围岩自身稳定性差，极易发生塌方等病害，常规作业工法难以构成洞室,这就给施工带来了极大的安全隐患，在这些部位采用长大管棚施工工艺，发挥了超前支护作用，增加了施工安全度，提高了隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。
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我们现在施工的城市地铁中，大管棚主要应用在明挖车站端头部位，由车站进入洞口的特殊部位和隧道由大断面进入小断面的交接部位。
2长大管棚施工工艺
2.1长大管棚的受力原理
隧道管棚是指在隧道开挖之前沿隧道的开挖断面外轮廓,以一定的间隔与隧道平行钻进 ，沿隧道衬砌外缘一定距离打入一排纵向钢管，并且在按照设计要求插入安装好钢管后，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，使管棚与围岩壁紧密固结，管内注浆以提高钢管的强度，增加钢管抗弯强度和抗剪强度。开挖后架设拱形钢架支撑，形成牢固的弧形棚状支护结构。理论要求钢管终端必须穿过岩溶层、土质地层等嵌入整体岩层内2米，在实际施工当中，由于地质条件的复杂性和变化性，往往达不到管棚嵌入岩体的要求，从经验数据及受力角度而言，长管棚从开始打入岩体或土体的时候，钢管全部打入，开始开挖的时候，管棚端头是处于一种悬挑受力，随着洞身的开挖进度，按照施工规范要求，初期支护随着跟进，则管棚的端头的荷载落在已做的初期支护结构上面，朝向洞身掌子面的地方嵌在岩体或者土体里，受到围岩（土）的支撑，这时大管棚处于一种简支受力状态，开挖作业是在一个简支梁支护下作业，所以在大管棚支护下开挖作业相对比较安全。
长大管棚中各钢管与强有力的型钢钢架以及断面形成了一个超静定受力系统。根据隧道的开挖方法、断面、地质及埋深等条件，设定作用在一根钢管上的荷载，以支撑和前方围岩为支点，按简支梁模式，计算断面力决定所需的断面性能，选择钢管截面及支护间距。其计算图示见下图：
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图中公式体现拱架荷载间距与及承载力的关系。经验数字为L=0.5～0.8m。
2.2工艺流程
2.2.1大管棚施工准备
2.2.1.1管棚参数
1）钢管规格：通常采用DNmm至DN108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管, 钢管长度一般为10-40米，实际当中最近记录是60米左右长，钢管纵向长度大于30米时，两组纵向钢管间纵向水平搭接长度不小于1.5米。出浆孔直径为15mm，梅花型布置，间距15cm×15cm。钢花管内设置钢筋笼，钢筋笼主筋4Φ25，采用Φ38钢环（壁厚 3mm）作固定环，固定环节长5cm，与钢筋笼主筋焊接，钢筋笼的最大直径应比棚管内径小10～20mm。
2)管距：环向间距中至中为30～40cm，外插角：1°～3°，常规经验外插角比较精确数字为1.5-1.7°，管棚一般用于隧道拱部120°～180°。
3)同一环管棚中接头位置应相互错开不小于1m，钢花管分节长度按6m+6m+6m+6m+6m+6m+3m和3m+6m+6m+6m+6m+6m+6m交错进行布置；
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4) 钢管中心位置设在开挖轮廓线20-50cm外，这个距离是径向长度，它为支护厚度、预留沉降量和棚管外半径之和；管棚不允许侵入开挖线以内，以免开挖线与管棚相互干扰。
5)预埋导向管为Φ127mm无缝钢管，壁厚5.5mm，节长2m，在实际当中，导向管最好尽量长一些，以便精确控制管棚的径向误差。
2.2.1.2明洞仰坡支护
1)先施做洞顶截水沟，且尽量避开雨季施工；
2)清除地表杂物后，喷10cm厚C25混凝土进行地表封闭，防止雨水渗透对洞口围岩的影响；
3)明洞开挖至洞口10m左右时预留开挖土，以此做为导向墙及大管棚施工工作平台，且在导向墙范围内刷垂直坡，避免2m长导向墙侵占洞身，影响洞身初期支护，见下图：
2.2.1.3施做导向墙
1)对仰坡及时进行锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土支护，并在导向墙两端墙脚及顶部预埋Φ25锚固筋，三处共12根，见上图。
2)导向墙在明洞开挖轮廓线以外施做，导向墙内埋设4榀H型钢支撑，钢支撑与预埋导向管
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焊成整体，且预埋管要定位准确，要有1°～3°的上抬坡度；
3)H型钢之间采用Φ25钢筋螺栓连接，并将端头连接钢板骑缝焊，仰坡中预埋锚固筋要与H型钢焊接，避免在浇注混凝土时移位。
2.2.2大管棚施工工序
2.2.2.1搭钻孔平台、安装钻机
洞口施做管棚钻孔比较简单，利用预留土台阶搭设钻机工作平台即可。对于在暗挖隧道中施做管棚，首先要准备工作室，工作室选在围岩稳定的完整的地段，工作室边缘至岩溶层或松土层的纵向的稳定层厚度不小于4米，工作室大小要满足施钻要求，钢管定位及外插角的要求。一般工作室外缘半径宜比操作空间大 1m。
1)对大管棚孔位进行编号，从一侧顺次编号；编号分别为1、2、3、4、5、6….
2)利用预留的开挖土，在其上用枕木或钢管脚手架搭设钻机工作平台，并随钻机位置进行搭建或拆除；
3)钻机平台要着实地，确保钻机稳定，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；
4)钻机定位：钻机要求与已设定好的预埋导向管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合；
2.2.2.2钻孔
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1)钻孔可选用钻速快，外插角大、移动方便的的液压钻机或钻孔台车，选用可缩式易退钻头，钻机就位前要在平整场地上对钻杆进行试装，根据40m连接好的钻杆的挠度调整钻杆钻进角度，确保大管棚不侵线，也不上扬过高，影响大管棚施工质量；为保证钻孔不下沉过大，不上扬过高，长大管棚靠钻机本身是难以做到的，因为钻杆、钻头的自重很容易产生挠度，防止水平钻孔下沉的主要方法有，一些单位习惯做法是：将钻头及导向段用6～10m的棚管代替，加大了钻杆的刚度，较好地解决了钻孔的下沉和上扬难题。
2)为了便于钢管顶进以及注浆扩散，钻孔钻头直径要比棚管外径打15～20mm；
3)钻孔由两台钻机进行施工，先施做编号为单数的孔位，两台钻机先由低孔位向高孔位对称进行施工，并钻好一个孔位安装一根钢花管以及一根钢筋笼；
4)待编号为单号的孔位施工完成后进行注浆，再施做编号位双数的孔位，并由高孔位向低孔位对称进行施工，同时钻好一个孔位顶进一根钢花管以及一根钢筋笼；
5)若钻进时出现塌孔、卡钻、涌水，需补注浆后再钻进或跟管作业；
6)钻机开钻时，先宜低速钻进，待成孔1.0～2.0m后可加快钻进速度，但要根据地质情况对钻进速度进行调整，避免成孔卡钻现象及保证成孔质量；
7)钻进过程中经常检测钻杆角度及位置；
8)钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进；
9)认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。
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2.2.2.3清孔
1)首先用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔；
2)再用高压气通过钻杆，从孔底逐渐向孔口清理钻渣；
2.2.2.4安装管棚钢花管及钢筋笼
1)如果钢管直径大于100mm时候，钢管内需要加设三角形钢筋笼，钢筋笼一般由Φ18-Φ32的3根钢筋组成，三根钢筋分布在三角形支架的三边，并压注水泥浆液，以提高钢管抗弯性和抗剪性能；用钻机分节安装钢花管和钢筋笼，即钻机钻杆不转动，钻机机身往前推进，通过连接卡使钢花管和钢筋笼受力，当钻机机身移动到最大位置后松动连接卡，钻机机身退回来，然后重新固定连接卡，钻机向前推进，如此反复，将钢花管和钢筋笼分节安装就位，如下图：
2)钢花管主管节长6.0m，调节管节长3.0m，采用公母丝扣连接接长，每根钢花管安装到位之后再安装钢筋笼；
3)钢花管和钢筋笼前端均应焊成锥形，便于钢花管入孔以及钢筋笼的安装；
4)编号为单号的孔位，钢花管按6m+6m+6m+6m+6m+6m+3m进行分节，编号为双号的孔位，钢花管按3m+6m+6m+6m+6m+6m+6m进行分节，或反过来进行分节；钢筋笼同
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一横断面内的接头数不大于50%。
2.2.2.5注浆
1)大管棚注浆浆液采用水灰比为1：1的水泥净浆，在地下水丰富的时候采用水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃体积的比例为1∶0.5；超前预注浆应以劈裂注浆为主，渗透注浆为辅。注浆的参数主要有扩散半径、注浆速度、注浆时间、注浆压力、注浆段长度、单孔注浆量等，可根据注浆目的、围岩特性、注浆设备等因素等进行选择。
2)注浆分两次进行，即第一次是编号为单号的孔位钻孔及钢花管、钢筋笼安装施工完成后，对编号为单号的孔位进行注浆，第二次是编号为双号的孔位钻孔及钢花管、钢筋笼安装施工完成后，对编号为双号的孔位进行注浆；若单号孔位注浆不密实，可通过双号孔位注浆填充密实；大管棚在注浆前要将钢花管与预埋导向管间空隙用水泥砂浆封堵，并且在水泥砂浆达到一定强度后方可注浆，避免漏浆；
3）通过焊接在钢花管上的止浆阀对大管棚注浆，注浆压力为2.0～2.5MPa，在压力达到2.0以上后持续15min；注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，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；
4)注浆时要注意注浆机压力表的变化，若出现压力表指示持续在1.0MPa以下，则要停止注浆进行检查，常见的原因为注浆机出现故障、浆液从地表窜出、与地表径流相通，可依实际情况采取稍停注浆或调整浆液的方法处理。
2.3操作要点及注意事项
2.3.1套管安装要求
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2.3.1.1套管直径选择应比钢花管略大，半径至少要大10mm；
2.3.1.2套管安装的外插角度应和钢花管相同；
2.3.1.3钻孔完结后，先把套管内注水清洗洁净后，才把钻杆取出。套管仍保留在孔内供护孔作用。
2.3.2搭接方式
钢管的连接方式有焊接和丝扣连接等多种:
2.3.2.1钢管若采用内车丝扣，钢花管将会因为连接钢管内径小而形成台阶，使钢筋笼推进困难；
2.3.2.2钢管若采用外车丝扣，钢花管安装时由会因为连接钢管半径加大而增大顶入难度。若不具备条件，钢花管可直接采取焊接，待钢花管安装就位后再安装钢筋笼；
2.3.2.3钢管若采用焊接接长，为了满足接长钢管中心在同一直线上的要求，需要一块较长的场地，现场往往不具备这个条件，所以钢管焊接接长只适宜用于20m以内的管棚；
2.3.2.4钢管采用公母丝连接接长，这种连接方式克服了以上连接方式的弊病，是目前采用最多的连接方式。
2.3.3钻孔技术
2.3.3.1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；
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2.3.3.2钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～3°，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 cm～30 cm以内；
2.3.3.3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；
2.3.3.4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，原位重钻；
2.3.3.5掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆；
2.3.3.6钢花管与钢筋笼的接头错开，同断面接头数不大于50％；
3机具设备及材料准备
管棚采用管棚专用钻机或钻孔台车进行，TT40型水平钻机或KQG100-3型钻机，推荐使用 KQG165履带型管棚钻机：主要参数如下：
· 钻孔直径： 80-165毫米 钻孔深度：50-30米 最高孔距地3200毫米 机重5.2吨
· 最低孔距地200毫米 钻臂摆角左右各45度 滑架水平摆动角左30度右60度 。
· KQG165履带钻机效果更好，效率高，整机位移少，动力更强劲，扭矩更大。
注浆采用YSB250/120型注浆机。
4劳动力组织
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管棚施工工序多，工种杂、技术性强、要求技术工人具有各方面操作能力，又能处理管棚施工中一般的故障，管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔角度和注浆的质量。一台钻机三班作业劳力组织为：机长1人、技术人员1人、操作手3人、修理工1人、电工1人、电焊工1人、杂工5人、合计13人。
5施工质量控制要点
5.1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；
5.2钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～3°，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 cm～30 cm；
5.3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；
5.4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，原位重钻；
5.5掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆；
5.6钢花管与钢筋笼的接头要错开，同一断面接头数不大于50％；
6效益分析
管棚费用主要包括管棚的导向墙费用、管棚施工的人工费、管棚施工的机械台班费、管棚施工的材料费4大部分。现以重庆地铁石油路车站石歇区间大断面变标准断面进口40m 管棚（沿拱顶160°范围内布设53根长度各为40m 注浆钢管，钢管内置有钢筋笼）为例，分析管棚在现场施工中的实际费用。
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6.1套拱费用
（1）孔口管（Φ127×5.5mm无缝钢管）：0.t×5000元/t=4450元；
（2）钢筋：1.633t×4000元/t=6532元；
（3）普通混凝土（C 25）：43.2m3×400元/m3=17280元。
6.2人工费
（1）加工管棚钢管：344.5工日×40元/工日=13780元。包括割、焊钢管锥形探头，钢管施钻Φ8mm出浆孔等；
（2）加工钢管丝扣接头：20元/个×318个=6360元；
（3）搭工作架、布设水、电、气管路等准备工作：18工日×40元/工日=720元；
（4）钻机就位、钻孔、扫孔、顶管、注浆：1060h×4元/h=4240元。
6.3机械台班费
（1）地质潜孔钻机：66.25台班×432元/台班=28620元；
（2）电动空压机（20 m3/h）：66.25台班×674元/台班=44652.5；
（3）压浆机（50 L）：26.5台班×36元/台班=954元；
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（4）拌浆机：26.5台班×20元/台班=530元。
6.4材料费
（1）锯木：35.2 m3×800元/m3=14 080 元(按两次摊销)；
（2）钢管：17.22t×4 200元/t=72324元；
（3）钢筋笼:32.548t×4000=130192元；
（4）水泥（325级）：78t×330元/t=25740元；
四项费用合计：370454.5元；
管理费与税收按15%计：55568.2元；
按隧道延米计：（370454.5+55568.2元）/40m =10650.6元/m。
7工法特点
总结重庆地铁1#线使用长大管棚的施工工艺，有如下特点：
7.1施工技术复杂：一般劳务公司对于长大管棚施工技术掌控不好，要找施工长大管棚技术成熟的专业隧道施工队伍进行作业，如果对于长钢管的外倾角掌控不好，将直接影响下一步的开挖工序。
7.2综合效益好：相对于土体加固、分部开挖等其他施工措施，采用长大管棚的综合效益较
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好。
7.3施工速度慢： 因为长大管棚施工步序较多，所以总体施工速度较慢。
7.4安全可靠：在地下工程浅埋隧道暗挖施工中，控制围岩的松弛，从而进一步控制塌方和地表下沉是施工中的难点和重点，超前管棚施工是控制地表下沉和预防塌方很有效的措施，可以很有效地确保施工安全。
7.5适用范围广：大管棚法一般多在隧道洞口段施工时采用。在隧道正上方有建筑物时，也
可采用此法。隧道穿过大型填充溶洞时，采用大管棚施工工法，也是一种行之有效的办法。
[参考文献]：
{1}中华人民共和国交通部标准，《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000.北京人民交通出版社，2000.
{2}中华人民共和国交通部标准，《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1-2004, 北京人民交通出版社，2004.
{3}王梦恕.《中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家》。铁道标准设计【J】2003.
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