隧道管棚超前支護課件

隧道管棚超前支護掘進距離取決于管棚深度地下工程超前支護方法超前支護技術是指在隧道開挖之前，通過向掌子面前方地層里注漿、冷凍、打入鋼管、鋼板、錨桿等技術措施在隧道橫斷面上形成一個拱形連續(xù)體，使其加固開挖面前方地層，同時利用其支撐力保持前方土體的穩(wěn)定，減少地表沉降量的技術總稱。研究表明，圍巖注漿加固可提高其強度和變形模量，從根本上改善圍巖的變形規(guī)律，前蘇聯(lián)的資料表明，砂巖在注漿后的強度可增加50%-70%，粉砂巖和泥質巖增加2-4倍，而巖石強度的增大可使支護荷載減少2/3-4/5。實踐表明超前支護體系能夠有效地限制地面沉降，并全面地保持自然地層在穩(wěn)定狀態(tài)下開挖隧道。研究表明地面的整個沉降量的30%-40%和地下地層的整個沉降量的40%-50%是在一般的支護開始發(fā)生作用之前發(fā)生的，超前支護對地面沉降有30-35%的抑制效果，對隧道頂上地層(拱頂)沉降有40%的抑制效果，所以，加固掌子面前方的地層對抑制地面沉降有非常重要的作用。超前支護技術作為加固地層、穩(wěn)定拱頂及掌子面、減少地表沉降的輔助施工工法，己經(jīng)在地下工程施工中得到了廣泛地應用。管棚注漿支護就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內(nèi)，并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系，支承來自于管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩(wěn)能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法，超前距離長，剛度較大，適用于掌子面不能自穩(wěn)、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合，除具有大管棚的特點外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長短結合的預支護效果更為理想。管棚支護的主要作用和優(yōu)點（1）梁拱效應：先行施設的管棚，以掌子面和后方支撐為支點，形成一個梁式結構，二者構成環(huán)繞隧洞輪廓的殼狀結構，可有效抑制圍巖松動和垮塌。（2）加固效應：注漿漿液經(jīng)管壁孔壓入圍巖裂隙中，使松散巖體膠結、固結，從而改善了軟弱圍巖的物理力學性質，增強了圍巖的自承能力，達到加固鋼管周邊軟弱圍巖的目的。（3）環(huán)槽效應：掌子面爆破產(chǎn)生的爆炸沖擊波傳播和爆生氣體擴展遇管棚密集環(huán)形孔槽后被反射、吸收或繞射，大大降低了反向拉伸波所造成的圍巖破壞程度及擾動范圍。（4）確保施工安全：管棚支護剛度較大，施工時如發(fā)生塌方，塌碴也是落在管棚上部巖碴上，起到緩沖作用，即使管棚失穩(wěn)，其破壞也較緩慢。隧道超前支護法一覽根據(jù)采取的加固措施對周圍地層特性和應力分布的影響，可將超前支護分為地層改良法和預支護法。地層改良法就是提高開挖面周圍地層土的特性的方法，這種方法包括注漿、土壤加固、排水和地層凍結等；預支護法就是在隧道開挖前，先超前對圍巖進行加固，以增加圍巖的自穩(wěn)能力，并使開挖面周圍應力干擾達到最小的方法。超前支護方法主要包括：管棚法，機械預切糟法，預襯砌法，水平旋噴注漿法，超前小導管法，超前錨桿法、凍結法等等。其中管棚法、水平旋噴注漿法、小導管法等支護方法同時也改良和加固了地層。管棚注漿支護就是把一組鋼管沿開挖輪廓外己鉆好的孔中打入地層內(nèi)，并與鋼拱架組合形成強大的棚架預支護加固體系，支承來自于管棚上部的荷載，通過鋼管的梅花形布置的注漿孔加壓向地層中注漿，以加固軟弱破碎的地層，提高地層的自穩(wěn)能力。管棚注漿是一種長距離超前支護方法，超前距離長，剛度較大，適用于掌子面不能自穩(wěn)、含水的地層，控制地表沉降、防滲止水的效果較好，施工工藝要求較高。如將管棚注漿與小導管補充注漿法結合，除具有大管棚的特點外，能夠防止管棚下方三角土體的塌落，這種長短結合的預支護效果更為理想。管棚支護的設計管棚支護的設計參數(shù)主要包括：鋼管直徑、長度、間距、仰角、水平搭接長度、鋼架間距、注漿參數(shù)等，當需要增大鋼管的強度和剛度時，可在管內(nèi)設置鋼筋籠而后用水泥砂漿填充。我國《鐵路隧道施工規(guī)范》規(guī)定：管棚用鋼管直徑宜為φ70-φ127mm；鋼管中心間距宜為管徑的2-3倍；管棚長度應根據(jù)地層情況選用，不宜小于10m；縱向兩組管棚的搭接長度應大于3m。管棚支護參數(shù)可按工程類比法確定，并在施工中根據(jù)實際情況調整。管徑的選擇大部分工程的鋼管直徑在中φ50-φ180mm之間，有學者將管棚支護按管徑分類為小管棚和大管棚，小管棚管徑一般在φ30-φ50mm，大管棚管徑介于φ89-φ159mm，工程中多用φ108mm的鋼管，環(huán)向間距以不大于3-5倍管徑為宜。管棚鋼管的選擇根據(jù)計算結果和技術經(jīng)濟因素分析，對于支護條件要求較高的松軟地層，應選取φ127mm鋼管，土體凝聚力較高的粘性土，可選取φ89mm鋼管，一般土層在多數(shù)情況下選取φ108mm鋼管。管棚鋼管環(huán)向間距的確定管棚鋼管直徑范圍一般為φ70-180mm，我們可將管棚支護按管徑分類為小管棚、中管棚、大管棚。小管棚管徑一般在φ32~50mm范圍內(nèi)，多采用管徑為φ42mm的鋼管，管長以3.5-5m為宜，環(huán)向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長度1-1.5m。中管棚管徑一般在φ50-φ89mm范圍內(nèi)，管長一般不超過20m，環(huán)向間距一般取0.3-0.4m，水平搭接長度1-2m。大管棚一般可選用φ89-φ159mm的鋼管，常用管徑φ108mm，管長以不超過40m為宜，鋼管一般分節(jié)長4m或6m，以絲扣連接，絲扣長不小于150mm，環(huán)向間距一般不大于3-5倍管徑為宜。外插角的合理確定角度過小，將可能導致管棚遠端下垂至隧道開挖幅員內(nèi)影響后期施工；相反，角度過大，管棚離開挖幅員距離過大，管棚下方的三角土體坍塌給洞身開挖支護帶來很大困難，還應根據(jù)管棚鉆機工作室空間大小，以及鉆桿長度等情況綜合考慮確定。小管棚外插角常取5o-15o，中管棚常取2o-8o，長管棚多取1o-3o。鋼拱架支撐一般用工字鋼，或工字鋼與格柵鋼架間隔使用，間距一般不大于1米，特殊情況下需加密。管棚布置形式管棚布置形式管棚布置形式門型布置全周布置與上部一側布置管棚施工工藝流程鉆孔流程成孔方法常用的施工方法有夯管法、頂管法、鉆孔等。但鉆孔法是目前最常用的成孔方法。隨著鉆探設備的專業(yè)化分工越來越細，管棚專用鉆機也應運而生。但管棚鉆進為近水平鉆進，性質上與勘探鉆孔有所不同，對鉆孔方向(空間位置)的精度要求很高，終孔測量一旦發(fā)現(xiàn)孔斜或超出設計允許偏差，會造成嚴重的后果。鉆孔方法常規(guī)回轉鉆進——硬質合金（刮刀、牙輪等）鉆進；常規(guī)風動潛孔錘鉆進；ODEX法——風動潛孔錘跟管鉆進；雙動力頭跟管鉆進；長螺旋跟管鉆進；——潛孔錘跟管鉆進“海王星”跟管鉆進法“海王星”跟管系統(tǒng)如圖2-9所示，這種系統(tǒng)的內(nèi)外管系統(tǒng)基本和“土星“跟管系統(tǒng)相似，內(nèi)管定心是通過回轉內(nèi)管（3），借助一個螺旋伸縮接頭（8）和套管在潛孔錘外部的帶有凸臺（7）的套筒（6）一齊向下移動，使凸臺座落在套管（4）底部套管靴（5）內(nèi)的臺階上。此時將潛孔錘（1）擠向一側，并實現(xiàn)偏心鉆頭（2）的擴底鉆進，偏心鉆進進入套管并能提到地表。為防止套管靴內(nèi)部磨損，其內(nèi)部在與凸臺相對應的位置上設有耐磨環(huán)。潛孔錘跟管鉆具按鉆頭能否改變直徑可分為兩大類：即鉆頭變徑跟管鉆具和鉆頭不變徑跟管鉆具。鉆頭變徑跟管鉆具目前主要有單偏心變徑跟管鉆具、雙（三）偏心變徑跟管鉆具和徑向變徑跟管鉆具等結構。除單偏心變徑跟管鉆具屬于偏心跟管外，其余結構的鉆頭變徑跟管鉆具由于鉆頭翼瓣在張斂的過程中沿鉆具中心軸線是對稱的，因此應屬于同心跟管鉆具。鉆頭不變徑跟管鉆具均采用內(nèi)外鉆頭結構，一般套管需要回轉，此類鉆具屬同心跟管鉆具。相對來說鉆頭變徑跟管鉆具使用的比例較大，約占市場使用的95%，這都是由它的結構特點所決定的。鉆頭不變徑跟管的主要缺點有1、鉆具在工作時，內(nèi)外管同時回轉，易造成內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙被巖粉堵塞或被大塊巖屑卡住，造成內(nèi)管反轉失靈，內(nèi)外管無法分離。這種方法需要大扭矩的回轉鉆機，能源消耗大，不利于環(huán)保；2、由于鉆頭不變徑跟管鉆具的鉆進是同口徑進入，尤其是遇到漂石時，鉆進將非常困難，即使鉆孔成功，由于鉆孔縮徑，起拔套管也非常麻煩，甚至經(jīng)常造成套管斷裂等孔內(nèi)事故。吉林大學鄭治川成果三活瓣跟管鉆具的組成鉆頭活瓣結構鉆頭活瓣張開鉆頭活瓣閉合單偏心跟管鉆頭—Ⅰ型張開狀態(tài)單偏心跟管鉆頭—Ⅱ型該型鉆頭優(yōu)點1.連接偏心鉆頭和鉆頭體的橫銷只起到懸掛鉆頭的作，不承擔扭矩，避免了銷子的變形、折斷所造成孔內(nèi)事故；2.目前國內(nèi)采用的偏心跟管鉆頭需要轉動175°左右才能實現(xiàn)鉆頭的張斂，而這種類型鉆頭的鉆頭體正轉一個很小角度（8°左右）即可使鉆頭直徑增大到設定的擴孔直徑，鉆頭收回時，反轉一個很小角度即可使鉆頭直徑縮小到設定的直徑，減少了鉆頭收回時被卡住的概率；3.單偏心跟管鉆頭—Ⅱ型的扭矩是通過在鉆頭體上設有一腎形的長圓孔和在偏心鉆頭上設有一腎形的長圓軸的配合來傳遞的；4.易于實現(xiàn)較大的變徑要求。長螺旋跟管鉆進管棚鉆孔軌跡控制方法管棚鋼管鉆孔一旦出現(xiàn)孔斜或超出設計允許偏差，會妨礙鄰近鋼管的鉆設，造成洞體形狀參差不齊，支護效果不好等結果；若鋼管下沉到一定程度，開挖時還需要切除，造成間隔增大，易坍塌。為此，鉆進時可采取中壓給進、中等轉速、中等循環(huán)液量鉆進；鉆孔平面誤差徑向應控制在20cm內(nèi)，角度誤差小于1°以免因孔徑過大而造成管棚鋼管偏斜和向下彎曲。在實際施工中水平鉆孔彎曲一般較難避免，因此除提高管棚定位精度外，可再給以適當?shù)纳咸Я?根據(jù)現(xiàn)場地質情況定)，以補償部分鉆孔下垂量。掘進距離取決于管棚深度鋼管的安裝管棚鋼管在跟進過程中要派專人進行套接加長，管棚相接時，保證管棚中線在同一軸線上，順絲擰緊，不應出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象，并確保連接頭與管棚鋼管絲扣緊密結合，不出現(xiàn)不同軸、偏心現(xiàn)象?？紤]到鋼管受力、結構整體及施工方便等因素，同一斷面內(nèi)的鋼管接頭數(shù)一般不大于50%，且相鄰鋼管的接頭位置至少錯開1m，常用的作法是將鋼管按奇、偶編號，可確保鋼管接頭錯開，鋼管接頭采用絲扣連接。鋼管的分節(jié)長度一般為4m到6m，管壁加工梅花狀透漿孔，管棚安裝可采用人工或機械下管的方式。鋼管的安裝注漿管棚注漿是管棚施工的關鍵環(huán)節(jié)之一，注漿效果的優(yōu)劣同樣影響著整個管棚體系的施工質量。因此，注漿要根據(jù)地質情況選用合適的漿液、壓力和合理的流量，在注漿過程中壓力小則注不進，壓力過大則會造成地面外鼓、崩裂，在城市淺埋地段對地面建筑物造成影響。注漿時，一般采用先低壓、中流量注入，注漿過程壓力逐漸升高，注漿流量逐漸減少；當壓力升至終壓時，繼續(xù)壓注5min，再結束注漿。注漿在設計給出漿液種類、預期注漿效果等條件下，為保證施工質量，在實際注漿施工前宜進行現(xiàn)場原位注入試驗，確定最優(yōu)注漿參數(shù)等來指導注漿，以保證注漿效果。為防止出現(xiàn)塌孔或注漿竄孔，可在鉆孔時隔孔位鉆孔，加大孔與孔之間的距離，待注漿完成凝固后再鉆相連孔位，這樣可有效保證鉆孔和注漿質量，管棚和注漿混凝土形成厚拱，實現(xiàn)管棚縱向成梁、橫向成拱的承載作用。注漿為減少相鄰管孔注漿間的相互影響，注漿順序通常采用由下往上，左右對稱進行；但由于塌體內(nèi)有許多塊石相互支架，致使塌體內(nèi)空洞大而多，這些空洞有的直接與塌空區(qū)相連，注漿時漿液在壓力作用下通過這些空洞泄流至塌空區(qū)，而不能在管棚附近均勻擴散，從而使注漿加固帶無法形成，為此，根據(jù)經(jīng)驗采用間歇注漿法，即當長時間注漿壓力上不來時，說明漿液順空隙泄流至塌空區(qū)，這時將漿液凝結時間調整至30-50秒，注漿1-5分鐘，停40秒，待原注入漿液初凝變稠后再注，如此反復，則原先的泄?jié){通道逐漸變小并最終堵塞，漿液即在管棚周圍達到均勻擴散的目的。管棚超前支護技術發(fā)展趨勢在目前的超前支護方法中,主要有超前錨桿、超前小導管注漿和超前管棚。超前錨桿和超前小導管注漿具有施工便捷、技術易掌握、機械化配套程度要求不高等優(yōu)點,但支護長度小(僅3～5m),錨桿或小導管伸入工作面前端滑動線內(nèi)距離短,開挖循環(huán)進尺受限制,一般在淺埋松散地層中循環(huán)進尺多控制在15～17m,循環(huán)次數(shù)增加,工序交換頻繁,特別是在自穩(wěn)能力極差的圍巖中,錨桿和導管前端仍在滑移面內(nèi),起不到超前支撐保護的作用,極易造成工作面失穩(wěn),存在較大的安全隱患。因此，長管棚的應用越來越普遍。長管棚超前支護施工技術的支護作用機理在于,主要是鋼管與漿液固結體共同作用的結果,一方面進行鉆孔、下設鋼管,當鋼管穿過松散軟弱圍巖、巖石(土)等破壞區(qū)后,伸入到原狀土部位時,有力地保障了開挖掌子面巖土體的穩(wěn)定,起到骨架、格柵作用;另一方面通過注漿使?jié){液從鋼花管孔眼中壓出,并在一定的壓力作用下注入到鋼管周圍松散、軟弱的地層中,從而形成復合穩(wěn)定的固結體,使周圍地層的力學性質得到改變,穩(wěn)定性能得到加強,可以防止土層坍塌和地表下沉。意大利產(chǎn)管棚鉆機DDL-300型鉆機固體礦床的金剛石鉆進，硬質合金鉆進。同時也可以用于工程地質勘探鉆進及基樁孔鉆進。廣泛應用于地質勘查，工程勘查，錨固護，旋噴注漿，管棚支護等工程施工作業(yè)。三．技術規(guī)格：

基本參數(shù)3.1

鉆孔直徑φ110-219mm

鉆桿直徑60，89mm

鉆孔角度全方位

鉆機外廓尺寸4800X2000X2500mm

鉆機重量7500Kg3.2

動力頭

后動力頭：（鉆桿）

轉速轉矩

單馬達

低速

0-120

r/Min1600Nm高速

0-310

r/Min700

Nm

雙馬達

低速

0-60

r/Min3200Nm高速

0-155

r/Min1400Nm

前動力頭：（套管）

轉速轉矩

單馬達低速

0-60

r/Min2500Nm

雙馬達低速

0-30

r/Min5000Nm

動力頭給進行程：

2200Nm3.5

卷揚機

提升速度0.2—0.7m/s

提升能力15

KN

鋼絲繩直徑12

mm

容繩量50

M3.6

行走裝置

液壓鋼制履帶

理論速:

2.1Km/h

額定牽引力

10KNm

爬坡度：

上坡:小于25度

下坡：

20度

側翻角：35度

履帶寬：400mm

履帶中心距:2260mm

接地壓強：≤35KPa3.7

配備動力

道依茲風冷柴油機

46KW3.3

給進裝置：

單油缸鏈條倍增

動力頭提升能力50

KN

動力頭給進能力35

KN

動力頭提升速度16

M/min

動力頭給進速度24

M/min3.4

夾持器

夾持范圍50-200

mm

夾持力6000

Nm隧道全液壓履帶管棚鉆機---KR80412-3科萊（德國）美國卡特彼勒3056DI-T水冷發(fā)動機，功率：114kW;工作重量：14.2噸(配200V鉆架和KD1624鑿巖機)，鉆孔深度：水平30m,鉆孔口徑89-250mm,也可用于錨索孔鉆進施工。超前管棚注漿施工案例本合同段隧道淺埋Ⅱ類圍巖段采用超前長管棚注漿支護，管棚采用Φ108mm，壁厚4mm的鋼管。管棚與鋼拱架配合使用并從拱架腹部穿過。在拱架上沿隧道開挖輪廓線縱向鉆設管棚孔，外插角約3°，以不侵入隧道開挖線越小越好，孔徑比管棚鋼管直徑大20～30mm，鉆孔順序由高孔位向低孔位進行。鋼管前端加工成尖錐形，尾部焊接Φ10加勁筋補強。鋼管上入巖部分梅花形布置Φ12mm注漿孔，注漿孔間距15cm。鋼管方向與路線中線平行，縱向搭接長度大于1.5m。隧道施工工藝流程測量放樣→鉆眼→裝藥→聯(lián)線→放炮→通風→清浮石→仰拱裝載機裝矸（中心水溝挖掘機裝矸）→自卸汽車排矸→施作系統(tǒng)錨桿→噴射砼1.主要工藝流程⑴鉆孔、安設注漿管在隧道開挖輪廓線以外現(xiàn)澆C25混凝土護拱，搭設鉆機平臺，用工程水平鉆機鉆孔，達到設計深度后掃孔，安裝注漿管，并在孔口1.5m~2.5m處安設與鉆孔直徑相同的橡膠套，用水泥砂漿封閉孔口，防止?jié){液沿注漿管與鉆孔壁的縫隙擠出。采用鉆－注的順序進行施工。1.主要工藝流程⑵配漿及注漿用超細水泥配制注漿液，采用后退式分段注漿，關閉孔口閥門，開啟注漿泵進行管路壓水試驗，試驗壓力等于注漿終壓，如有漏水及時檢修。注漿時采取低壓力、中流量注入，注漿過程中壓力逐步上升，流量逐步減小，當壓力升至終壓時，繼續(xù)壓注5min

再結束注漿。注漿孔在注漿結束后及時清除管內(nèi)漿液，并用30號水泥砂漿填充，以增強管棚的剛度和強度。1.主要工藝流程⑶注漿結束標準每段注漿施工正常，注漿壓力達到設計終壓，注漿量達到設計注漿量的80%及以上，或雖未達到設計終壓，但注漿量已達設計注漿量，即可結束單孔注漿，設計的所有注漿孔均達到結束標準，無漏注現(xiàn)象，注水試驗地層吸水率0.05L/min，粘土固結強度大于0.4Mpa時即可結束全段注漿。2、超前小導管注漿施工超前小導管采用Φ42mm，壁厚3.5mm的無縫鋼管。鋼管上入巖部分梅花形布置Φ6mm注漿孔，注漿孔間距12cm。導管前端加工成尖錐形，尾部焊接Φ6.5加勁筋補強。注漿機選用液壓注漿機。施工時，先用儀器測量放線，畫出開挖外輪廓線，定出小導管中心線位置。導管采用鉆孔施工時，孔眼深度應大于導管長度；采用錘擊或鉆機頂入時，其頂入長度不小于管長的90%。注漿采用液壓注漿機。注漿前應噴射混凝土封閉作業(yè)面，防止漏漿，噴層厚度不小于5cm。導管注漿時，尾部應設封堵塞，當灌注水泥漿時，應在封堵塞上設注漿孔和排氣孔。注漿時，排氣孔出漿后應立即停止注漿。3、錨桿施工1）φ22砂漿超前錨桿錨桿鉆孔前根據(jù)設計要求和圍巖情況，定出孔位，作出標記。鉆孔做到圓而直，其孔徑和孔深符合設計要求，孔內(nèi)積水和巖粉應吹洗干凈；錨桿孔口巖面應整平，并使巖面與鉆孔方向垂直，如不垂直，安裝錨桿時可用特制墊板調整，使托板密貼巖面。錨桿施工預張拉力時，預張拉力值宜為錨固力的50%～80%，安裝后要定時檢查，發(fā)現(xiàn)松動及時緊固。2）D25中空注漿錨桿各類圍巖錨桿采用D25中空注漿系統(tǒng)錨桿，錨桿長度為3.0～3.5m，梅花型布置。采用風鉆鉆孔，鉆至規(guī)定深度后，用高壓風吹孔，打入錨桿，然后用注漿泵由錨桿中孔向孔底灌滿砂漿，安裝墊板螺栓。錨桿施工要點及注意事項①孔位按設計布置，偏差小于10cm，孔深誤差±10cm。鉆孔直徑大于錨桿直徑15mm。錨桿插入長度不小于設計長度。②鉆孔本身成直線，