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1、大管棚的适用范围及其应用连云港东疏港总监办 任锐摘要：连云港东疏港高速公路是第一条直达港区的高速公路。隧道工程是关键性和控制性工程，3750m的隧道自中标至开通运营仅24个月的时间。工程质量和施工进度是本工程的重点。本文是在施工过程中充分掌握工程地质和水文地质状况，认真分析辅助工法的机理，有区别的确定了超前支护的方案。大管棚是地下工程的辅助措施之一，是预支护的重要方法。大管棚超前支护的形式，是在超前小导管的基础上发展起来的，目前大管棚在大跨度、浅埋和地层破碎的地段，特别是洞口部分，运用越来越多，对控制隧道变形和坍塌及改善开挖轮廓等方面，起到了越来越大的作用。我们在云台山隧道施工中，根据工程的具
2、体情况和大管棚的特点，有选择的选取了大管棚和超前小导管，取得了预期的效果。现就本工程的实践，作如下综合性探讨。一、 大管棚超前支护的机理1、 大管棚超前支护的产生随着地下工程向软弱地层的推进和向大跨度方向的发展，在复合衬砌的基础上，超前支护是一次明显的、跨越性的进步。超前支护是在洞内或地面对开挖面前方的围岩进行加固的技术，这种技术主要是稳定掌子面，不使其失稳或坍塌。前期是采用小导管配合注浆，使小导管的长度伸入稳定土体，以加固开挖面前上方的围岩（如图1）；当围岩为软弱地质时，内摩擦角小到一定程度，小导管的长度很难伸入稳定围岩，在这种情况下，产生了大管棚。2、 大管棚超前支护的作用机理大管棚超前支
3、护的机理,主要表现在大管棚的“简支梁”作用、“悬臂梁”作用和对围岩的“挤密”作用。、 大管棚的“简支梁”作用大管棚完成安装并注浆之后，围岩与大管棚形成一层比较密实的“壳体”加固层，开挖过程中形成的空间，均处在大管棚形成的“壳体加固层”的支撑下，处于安全状态下。当大管棚处于简支梁状态时，其计算简图可表达为下图所示：- 6 -当开挖进尺为1.5m、埋深5m、因爆破围岩的松动层约为0.5m、经计算，本工程开挖时不产生松动层，此处系考虑洞口段的特殊情况特意按松动层0.5m计，即使这样，钢管的受力仍然很小。、管棚周向间距0.4m、其单位压力Q为： Q=hL250.51.519（Kn/m）大管棚的拉应力：
4、每根钢管承担压力约10kN。每根钢管的最大弯矩M MhL2/83.5kN-m。、 大管棚的“悬臂梁”作用当开挖到达大管棚的末端，含在地层中的部分不足以提供支座反力时，此时的大管棚就转换为组合悬臂梁，同样使开挖空间处在安全状态。当大管棚处于悬臂状态时，其计算简图可表达为下图所示：当开挖进尺为1.5m、埋深5m、因爆破围岩的松动层为0.5m、管棚周向间距0.4m、其最大弯矩M。MhL2/214kN-m、“顶进”大管棚对地层的加密作用当隧道处于塑性土体中时，大管棚的施工如果仍用钻孔安装大管棚的工艺，则会使土层因遇到钻孔用水而急剧恶化；对应的方法是将大管棚“顶进”。顶进大管棚将“挤密”大管棚周围的土体
5、。当三车道隧道，一般大管棚的断面长度约为20m，间距约为0.4m，采用108mm钢管，注浆后加固半径按0.4m计，仅“挤密”作用，即可将土体密度提高2.28% ，。因本工程不属软弱岩层，对大管棚在软土中的作用，不作讨论。3、大管棚超前支护的适用范围施工方案的选择应确保工程质量和施工安全，同时亦应考虑工程成本，按此要求，大管棚适宜于大跨度、软弱围岩的地下工程。作为判别条件，可考虑以下几点：、围岩级别一般低于级。、土质和松散卵（碎）石土地层的隧道。、当一次开挖高度h、内摩擦角、超前小导管长L，形成 L（1.21.4）hcos时。、膨胀或地下水较大的土质地层二、 云台山隧道对大管棚的应用1、 工程概
6、况连云港东疏港高速公路设计有两座三车道分离式隧道，洞口地段的线间距均在2倍洞径以上（45m），隧道断面的开挖高度11.8m、宽度16.2m，其中后云台山隧道全长3750m，炮台顶隧道844m。隧道穿过的围岩属于“地壳稳定”；“不存在活动断层”；“浅粒岩、变粒岩硬质岩石，致密坚硬、抗压强度大，抗风化性能好，岩体完整性好”；地下水为“基岩裂隙水”，“岩体透水性差”；“地震活动强度及频度都较弱，近代小地震震级也相对较小”。八个隧道洞口地段的围岩级别均定为级。按工程的具体情况，施工组织安排炮台顶隧道出口施工，后云台山隧道进出口均安排施工。设计的辅助工程措施均为24M108mm大管棚。2、 超前支护种类
7、的选择随着洞前石方及明洞部分的开挖，暗挖开始里程的埋深在0.56.0m之间（见下图）洞口围岩状况除云台山进口左右洞处在全风化向强风化过度的位置，围岩风化、破碎、强度较低以外，其他洞口围岩强度和完整性均较好。各洞口的工程地质及水文地质状况见下表。各洞口的工程地质及水文地质状况表洞别工程地质水文地质后云台山隧道左洞进口强弱风化变粒岩，松散结构，裂隙发育。RC=4060MPa；孔隙裂隙水和基岩裂隙水，富水性一般。右洞进口左洞出口强弱风化变粒岩，碎裂结构，裂隙发育。RC=4060MPa；孔隙裂隙水和基岩裂隙水，雨季洞室会出现淋雨状出水。右洞出口炮台顶隧道左洞进口强弱风化变粒岩，松散结构，裂隙发育。RC
8、=4575MPa；孔隙裂隙水和基岩裂隙水，富水性一般。右洞进口经再三分析比较，认为：、 不加超前支护，掌子面不会出现失稳、坍塌现象；、 云台山左右洞进口，地质状况较差，埋深较浅，且洞顶有居民楼，应慎重；、 岩石的强度一般在6070MPa之间，大管棚的钻孔可能会遇到困难；、 除云台山进口外，其他洞口均存在优化的空间。、 无地下水，在降雨后，有少量裂隙水，对围岩的稳定性没有大的威胁。在此基础上，确定了两种超前支护的形式。云台山左右洞进口，采用大管棚。云台山左右洞出口和炮台顶左右洞出口采用双层超前小导管。3、 大管棚的施工、 灌注套拱套拱（也称作导向墙）的作用主要是固定洞口的仰坡和安装导向套管，为大
9、管棚钻孔时导向和固定方向。一般套拱设计为高宽=0.62.0m，在隧道初期支护的外轮廓线以外的拱部约130140范围内设置。一般设计为4榀钢架，C20混凝土灌注。 施工工序为 砌筑套拱基座安装底模架立钢架安装侧模板钢架方向、标高定位并固定导向钢管定位、焊接灌注混凝土。套拱的关键是导向钢管的定位，其技术要求是保证数十米的管棚钢管保持其设计位置，不得侵限，也不得出现间距的超限。在施工中，这一要求是不易全部达到的，因此，提出了必须确保的条件：不得侵限。所以安装时就规定了“外插角”的范围，一般要求外插角为12；其次力争管棚的空间平行，以使钢管受力均匀，并避免间距过大，有块石脱落。、 钻孔一般选用YG50
10、型钻机（电动机功率18.5kW、 液压系统额定压力20MPa ），钻头为130mm，钻孔进度因岩石的硬度而不同，一般进度为0.51.0m/h。但在个别位置，岩石硬度高，有时1天进尺不足1m。、 安装管棚钢管大管棚一般分注浆钢管（花管）和不注浆钢管两种，交错布置。钢管为施工方便，一般按35m一节，采用丝扣连接。、 安装加强钢筋在地层压力较大时，管棚钢管中有时设置加强钢筋笼（如下图）以便使钢筋分布均匀。、 大管棚注浆注浆是大管棚的主要组成部分，一般地层要求压注水泥浆，压力为0.51.0MPa。当地下水丰富时，经常采用化学浆液（水泥水玻璃）；当地层的孔隙较叫时，还可采用超细水泥注浆。本工程采用11水
11、泥浆，大管棚穿越地层，洞口为堆积层内侧为强风化变粒岩，孔隙率约为0.50.8%，依此，注浆量约为Q。Q=钢管内体积+钻孔与钢管的容积差+地层中渗透浆液= =pir管2L+pir孔2L+piR2L式中：R浆液扩散半径，取0.4m地层孔隙率，0.08%浆液有效填充率，0.9浆液损失系数，1.2L大管棚长度，24m。按此计算，每根大管棚注浆量约为0.36m3/根（=0.22+0.1+0.04=0.36） 图表 1：大管棚安装完毕4、 施工结果目前6各洞口均全部开挖，并进洞300m以上，大管棚和双层小导管均十分顺利，即使是小导管作超前支护，拱部和掌子面均未见坍塌或岩块坠落现象。拱顶沉降量均在10mm以内，符合现行施工规范的要求，选取的超前支护方法即确保了工程质量和施工安全，又加快了工程进度，在工程造价上，也有所降低 、本工程合同价，管棚（1086mm无缝钢管）：380.33元/m；424mm注浆小导管：42.45元/m。每延米约节减投资1万元。，这一施工方案的选取是合适的。参考文献：1、公路隧道设计规范JTG D70-20042、公路隧道施工技术规范JTJ 042-943、江苏省交通规划设计院有限公司：连云港主体港区东疏港高速公路施工图设计2008.24、关宝树：隧道工程设计要点集2003.
