隧道管棚工法新工艺研究

郏亚坤　郭晓帅

[摘要]近年来隧道工程管棚法在施工过程中出现的一些问题，本文提出了新的改进措施，通过管棚搭接、辅助注浆等方法，重点解决了管棚止水问题。

[关键词]隧道工程 管棚法 钢材切割 防渗处理 连接钢板

一、引言

管棚是隧道暗挖法中一项重要的预支护技术，它是隧道开挖前沿隧道开挖轮廓线外缘，每间隔一定的距离，用钻机钻孔然后将加工好的钢花管压入已钻好的孔中，沿隧道开挖轮廓线外排列形成的钢管棚，开挖后将支架设于拱形钢架上，形成牢固的“棚状”支护结构。在插入管棚钢管之前，要在一定范围内进行预注浆，固结软弱围岩待插入管棚钢管之后再往管内注浆来提高钢管的强度，充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密。[1]

但是近年来，管棚法在施工过程中出现了严重的管棚间渗水、渗泥等事故，如我国南方地区多为风化岩层区，地质泥化严重，因此在管棚法施工中如果管棚之间缺少必要的连接，就会造成渗水形成的泥浆从管棚中间渗出，这会严重影响隧道的安全。虽然有人尝试通过在钢管之间注浆来加固管棚间的围岩稳定，但是若工程段为全风化富含水的土介质，由于土体基本饱和，管棚注浆时浆液扩散不能达到预期的效果，无法保证浆液能够充满管棚间的围岩空隙中，使得施工质量无法保证。

对管棚工法的研究，对解决渗水、渗泥及塑性流动事故，维护施工安全有着重要的意义。

二、管棚施工问题原因分析

通过对一些典型管棚施工出现的问题的分析，本文认为，当前管棚法施工中存在以下几方面的问题：

（1）“管棚法”超前预支护中相邻管棚间缺少连接，不能有效的形成一个“帷幕”来进行隔水处理。

（2）现在隧道施工中工程地质遇到富水带时，有时可采用冷冻法施工，即利用制冷技术将水和围岩冻结后再进行隧道开挖。可是当隧道开挖后在进行二次衬砌时，要切割钢材，常用的切割钢材方法是激光切割，其代表方法是氧炔焰切割。可是氧炔焰在切割钢筋时要产生大量的热量，这样的热量很容易让已经冻结的围岩中的水融化，这样就造成的管涌的出现。

（3）防渗处理欠妥。对于富水带，应采用特殊方法进行预注浆加固地层。

三、管棚工法新工艺

针对以上本文对问题原因的分析，本文提出从以下三个方面进行解决：

（1）改进设计

某单线双车道公路隧道，在施工中采用长管棚法，在实际施工过程中，口部围岩为全风化，土体潮湿，有渗水，在开挖过程中，掌子面左侧拱腰首先出现渗水，随即转变为涌水流，进而导致塌方严重隧道事故[2]。经分析，事故发生原因为：

1.围岩的地质状况差。由于该段围岩为全风化含水粘土，洞内渗水持续，粘土遇水膨胀，围岩失去自稳能力。

2.管棚施工中管棚之间缺少刚性连接。管棚间不能形成一个有效的整体，使得粘土在地下水渗透过程中，能够随着地下水的流动而从管棚间的空隙渗出，渗出的水对初期支护和二次衬砌都会产生很大的影响。另外空隙的增大导致管棚和围岩之间的接触减少，导致管棚对围岩的衬砌作用减弱，进而引起管棚的失效，导致塌方事故的发生。

针对上述问题，可以对管棚法做如下改进：首先应对钢管进行改进，钢管的两边可以加上由钢板镶嵌上去所形成的卡勾，在围岩中插入大管棚后，再插入钢板，放在相邻的两个钢管之间，这样就可以让钢板和管棚相互镶嵌，达到隔绝上层水向下渗出的目的。所有钢管用钢板连接，自锁的方式形成管棚如图一。

具体施工步骤[1]：1、开挖管棚工作室。2、搭设平台，安装钻机，测定空位，安装钻机，测定孔位，安装钻机前，用经纬仪在掌子面放出管棚空位。钻机安装要牢固，防止不均匀下沉、位移、倾斜等影响钻孔的质量，钻孔距掌子面应不超过2m。3、钻孔4、安装管棚钢管5、安装钢板6、安装管棚钢筋，并在钢管中放置钢筋笼，然后注浆。钢筋笼是由四根螺纹钢筋焊接在管节上而形成的。

另外，有学者采用下种管棚间的连接形式（如图二）：

相比于图二的设计，图一中的设计的创新之处就是：

1.将管棚和钢板分开施工，降低了施工难度。图一的连接方式可以先把管棚插入围岩，然后嵌入钢板即可；而图二中，管棚与管棚之间的牵制过大，不易同时插入围岩，对施工工艺要求高，增加了施工难度。

2.图二的钢板用量较少，比图二经济。在两种连接方式都能达到遏制管棚间渗水的目的下，图一设计的经济性则占有更大优势。

（2）通过防渗处理，防患涌水、涌泥等现象

隧道岩溶涌泥、涌水问题主要是在隧道开挖过程中，遇到灰岩等可溶岩发育的溶蚀裂隙、岩溶管道及溶洞等.其内填充物涌人隧道内的事故。由于溶洞内填充物为孤石和稀泥，钻孔时稀泥很容易进入管棚与钻杆之间的空隙内，致使堵塞，造成整根管棚作废[4]。因此必须采用超前小导管注浆和管棚法超前预支护相结合的方法，达到固结围岩的目的，从而充分发挥围岩的固结能力，减少衬砌的支护作用。

全封闭固结注浆止水法来进行预注浆加固地层是一种较好的选择，施工步骤如下：首先沿隧道开挖线（含底部）按轴向辐射状布孔外，在开挖面中心也布孔注浆，然后注入按一定比例配制成的水泥-水玻璃后，浆液渗透扩散之破碎带的空隙中，并快速的凝固，与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体，在隧道周围及开挖面形成一个堵水帷幕，切断地下水通路，已达到固结止水，保持围岩稳定，增强施工安全的目的[1]。

另外，在初期支护和二次衬砌的中间可以设置一层防渗水材料，如高聚物土工薄膜，达到防止上层水向下渗漏的目的。

三、结语：

本文针对管棚施工中出现的问题，提出了新的施工工艺，主要从改进设计、辅助注浆两个方面提出了解决问题的措施。两种方法综合运用能够起到良好的施工质量，两种方法方法分别从改进管棚之间的连接方式和提高围岩自身的性质来达到预防管涌的目的本文提出方法对于保证管棚成功实施具有重要作用。

[参考文献]

[1]傅鹤林，李凯，彭学军，郭明香.《梅关隧道工程施工技术》.科学出版社， 2009：53-58

[2]王全胜，向晓峰.《某隧道工程长管棚失效所引起的几点思考》[U]. 地下交通工程与工程安全——第五届中国国际隧道工程研讨会文集， 2011.11：264

[3]李庆成.《隧道施工坍塌突涌泥石流处理技术》[J].铁道标准设计，2006， （5）：66

（作者单位：郑州大学水利与环境学院 郑州）