洞内管棚方案比选

洞内管棚方案比选

张代辉

中国建筑第二工程局有限公司北京分公司北京100160

摘要：管棚支护是隧道施工过程中常用支护结构，起超前支护作用，其特点是支护能力强，适用于无自稳能力的破碎土质或对沉降控制要求高的特殊地段。本工程下穿高压燃气管线，管线沉降需控制在8mm以内，防沉降问题成为施工研究的要点。

关键字：隧道施工；管棚长度；管棚直径；施工技术

1.工程概况

本工程停车场出入线段为单洞双线隧道，全长812米，设计断面宽11.5米，高9.5米。隧道位于正阳西路下方，沿正阳西路由东向西延伸；全隧516米下穿（斜穿）燃气管线施工，其中159米斜交下穿，357米侧穿燃气，Ⅴ级围岩53米位于斜交下穿段。经相关会议讨论研究决定，隧道下穿高压燃气管线，采取加强支护措施；即河套停车场段90米斜穿段，进行超前管棚支护。

2.管棚长度方案比选

根据现场环境分析研究，管棚施工拟定三种设计方案：第一种90米超前管棚单向施工支护，第二种50米超前管棚对向支护，第三种22米超前管棚顶推支护。

2.1拟选管棚方案90米单向施工支护

施工问题：仰角控制问题。考虑管头因重力作用下沉，长管棚斜插角一般控制在1°～2°，管头下沉量过大不仅起不到加固效果，同时影响开挖；下沉量过小会造成隧道开挖轮廓周围的欠加固。对围岩各项物理性能指标掌握不准。长距离预注浆扩散半径覆盖不到，刚需加固区或注浆半径达不到设计扩散半径。

2.2拟选超前管棚50米对向交叉支护

施工问题：工筹安排问题。河套出入线竖井开工时间晚，开挖支护工程量大，施工周期长；按照施工进度安排，出入线开挖面接近燃气管线下方时，出入线竖井未达到指定区域，无法实现对向管棚支护，施工仍为单向50米管棚支护，开挖风险较大，施工安全无法保障；且线路工期紧，若等待出入线竖井到达指定区域进行对向施工，必将造成工期延误。

2.3超前22米管棚顶推支护

施工特点：仰角问题。管棚长度短，对围岩物理性能指标掌握准确，利于调整管棚推进方向和角度，避免管棚推进串孔；同时支护稳定性增加，减少不利因素的出现，对施工工期提供保证。

资源配置问题。管棚推进支护对相关配套设备数量要求降低，对设备空间性能要求降低，对设备施工成本降低；各类劳动力能够有效衔接，工种调配灵活，施工水平整体提高，工作效率提高的同时，计划工期得以保障。

综合上述比选，管棚推进支护适合本工程施工实际情况，既能保证施工安全，又能对施工周期进行合理控制。

3.管棚直径方案比选

3.1管棚位移敏感度设立

根据相关研究表明，常规跨度条件下，采用管棚施工的地下工程，管棚直径从Φ79至Φ108mm范围内，为敏感度急剧变化范围，在该范围内，管径的提高对位移影响较为显著；跨度超过一定范围，从控制位移角度出发，宜选用较大直径管棚，但同时随着管棚直径增加管棚位移敏感度会降低，因此管棚直径的合理选择需要进一步分析。

3.2管棚位移敏感度对比

在对合理管径进行探讨时，采用设计敏感度分析的概念，即：对于地下工程，若结构在开挖过程中的累计位移为μ，则μ对管棚惯性矩I的设计敏感度S为：

（1）

对于多数问题，μ的求解手段主要是以有限元为主的数值分析方法，因此，采用对离散后的增量形式运动方程直接进行微分来获得位移的设计敏感度，见表1。

图2移敏感度随管径变化情况（l=10m,s=7.2m）

从图中的位移变化曲线可见，随着管棚直径的加大，地层位移趋于减小；而位移敏感度变化曲线显示，随着管径增大，管棚对位移的限沉效果减弱，即位移敏感度趋于减小。因此开挖跨度越大，支护体系作用越弱，管棚长度因素对合理管径的影响也越大，当管棚长度较短时，位移敏感度迅速增加，管径提高对于位移的控制作用非常明显，而当管棚长度较长时，位移敏感度迅速降低，管径提高对于位移的控制作用减弱。

3.3管棚直径确定

管棚长度较短时，管棚直径提高对位移控制作用效果明显，而当管棚长度较长时，在一定范围内（φ108～φ300），管棚直径提高对于位移控制效果减弱。本工程选用管棚长度30米以内，管棚长度属于较短型；仰角小于5度，选用管棚直径φ108mm较为合理。

4.管棚施工方案确定

4.1设计要求

支护措施方案调整如下：

（1）Ⅳ1级围岩斜穿段，150°设置φ108大管棚，L=30米，环向间距0.4米；φ42注浆小导管，L=3.0米，环向间距0.5m×1.5m，φ22钢筋格栅@0.75m。

（2）Ⅴ级围岩斜穿段，150°设置φ108大管棚，L=30米，环向间距0.4米；φ42注浆小导管，L=3.0米，环向间距0.5m×1.0m，φ22钢筋格栅@0.50m。

（3）Ⅲ2级围岩侧穿段，120°设置双排小导管，L=3.0米，环向间距0.4×1.5米；φ22钢筋格栅@0.75m。

（4）Ⅳ1级围岩侧穿段，120°设置φ76自进式管棚，L=8米，环向间距0.4×5米；φ42注浆小导管，L=3.0米，环向间距0.4m×1.5m，φ22钢筋格栅@0.75m。

（5）Ⅳ2级围岩侧穿段，120°设置φ76自进式管棚，L=8米，环向间距0.4×5米；φ42注浆小导管，L=3.0米，环向间距0.4m×1.0m，φ22钢筋格栅@0.75m。

4.2管棚施工

4.2.1管棚工作室施工

隧道斜穿燃气管线段，由原来的上下台阶法变更为“CD”法，增加管棚工作室。管棚工作室起点里程YRSK0+913～YRSK0+906。

工作室开挖前联立三榀格栅钢架，建立稳定支撑结构；根据隧道尺寸拱顶与两侧挑高拓宽1.1米，形成喇叭口状结构。挑高拓宽完成后，平行隧道方向开挖进尺5米至YRSK0+906，全程采用机械开挖，严格控制角度、控制进尺；格栅钢架支护间距0.50米，跟进及时，并加强监控量测。施工完成后，环面与掌子面齐平，为管棚施工提供工作面。

4.2.2掌子面封闭

管棚洞室设计长度7m（含挑高段），左右线施工至管棚打设里程均需封闭掌子面。封面采用单层钢筋网+早强C25喷射混凝土，喷混厚度300mm，隧道超挖部分均用喷浆料回填密实。

4.2.3超前支护

为了控制格栅初支的沉降，及加强围岩稳定性，管棚洞室拱部150°打设双排超前小导管，小导管参数：φ42，L=2.5m，t=3.5mm，环纵向间距0.4m×1.0m，仰角10°/30°，注水灰比为1：1的水泥浆，注浆压力控制在0.2～0.5MPa。

4.2.4管接安装

第一环管棚长度30m，仰角1°，管棚施工完成后，进行隧道初支施工，隧道开挖支护完成11.3m后，临时封闭掌子面，进行第二环管棚施工；后续管棚长度22m，仰角3°，钻孔长度35.4m，成孔检查合格后，将管棚推至孔底，使端头侵限孔为空孔，保证管棚不影响隧道开挖面。

5.总结

本次施工过程中，高压燃气管线斜穿段未出现沉降加速，地面累计沉降控制在8mm以内，防沉降问题得到很好的解决；隧道开挖过程中未出现大量土体掉落情况，有效的防止暗挖施工土体坍塌情况的发生，为地铁施工打下坚实质量、安全基础，为以后类似施工提供思路。

参考文献:

［1］袁海峰.浅析某隧道Φ89mm超前长管棚质量控制[J].科技信息,2012(13):379+340.

［2］董新平,彭中和.浅埋地下工程管棚法施工中合理管棚直径分析[J].岩土工程学报,2007(09):1355-1360.

［3］王海涛,贾金青,郁胜.隧道管棚预支护的力学行为及参数优化[J].中国公路学报,2010,23(04):78-83.