维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第３期 浙江交通科技 ３ １ 大管棚和小导管在隧道支护设计中的综合应用 廖乾旭 （浙江省交通厅工程质量监督站 杭州 ３１０００９） 叶李林 邢锋丽 （文成县交通局 温州 ３２５３００） （摘要］ 以上程为实例，阐述大管棚和小导管的施ｊ二特点，提出了大管棚和小导管在隧道支护中的综合设计，起到了控制 隧道变形的作用。 （关键词］ 大管棚；小导管；隧道支护；综合没计 １ 引言 随着近年来公路建设步伐的加快和公路等级 的提高，公路设计中采用隧道方案越来越多。浙江 为多山地区，几乎每一条等级较高的公路均有隧 道，且隧道的地质情况各有千秋，软弱地质也各具 特色，设计单位为了保证工程安全，也尽量采用保 守设计，在软弱地质的超前支护中大多采用大管棚 方案。从实践来看，大管棚支护能达到设计效果， 但是成本较高。而采用注浆小导管超前支护，操作 简便，成本较省，支护效果也能达到设计要求。 ２管棚的施工设计 管棚适用于特殊困难地段，如极破碎岩体、塌 方体、岩堆等地段，但一般来说。隧道选址在塌方 体和岩堆地段较少，管棚设计普遍应用于Ｖ、Ⅵ级 围岩以及偏压严重和浅埋的较弱地质的加固支护。 ２．１管棚设计 常用的管棚采用直径为ｆｌ０８ｍｍ、壁厚６ｍｍ的 无缝钢管制成，管壁上留注浆孑Ｌ，孑Ｌ径１０ｍｍ，孑Ｌ距 ５０ｃｍ，呈梅花型布置，尾部１～２ｍ不钻孑Ｌ作为止浆 段。钢管中心间距为３０～５０ｃｍ．距开挖轮廓线３０ ～５０ｃｍ，外插角一般为１。～２。左右，管棚钻孑Ｌ孑Ｌ位 的准确性直接影响到管棚支护作用的发挥程度，设 置管棚套拱可很大程度地控制孑Ｌ位的准确性，管棚 衬套采用钢筋混凝土现浇而成，厚度为４０～５０ｃｍ， 长度２ｃｍ，孑Ｌ位按管棚设计要求预留。钻孑Ｌ的孑Ｌ径 不宜过小，钢管川围要有足够空间以满足钢管的放 置和注浆要求，对于ｆｌ０８ｍｍ的管棚，根据岩石的破 碎程度，孑Ｌ径一般选用１３０～１５０ｍｍ。 ２．２注浆设计 注浆是管棚施工的一个重要环节，注浆材料可 采作水泥砂浆或水泥一水玻璃双液浆。笔者在实 践中得出以下参数，可供参考： （１）配合比：水泥砂浆重量比为１：２，水灰比：０．６～０．８ 水泥～水玻璃浆体积比为１：０．５，水灰比：０．６～１．０ （２）注浆终压：２．０ＭＰａ （３）浆液扩散半径：Ｒ＝（０．６—０．７）ｂ。（其中 ｂ。为钢管中心间距，ｂ。大时取小值，ｂ。小时取 大值）。 （４）单根钢管注浆量：Ｑ＝丌×Ｒ ×Ｌ＋丌× （Ｒ 一Ｒ ）×Ｌ×，７一丌（ｒ 一ｒ０ ）×Ｌ 式中： 为钻孑Ｌ半径， 为钢管长度， 为扩 散半径，，７为岩体孑Ｌ隙率，ｒ为钢管外半径，ｒ。为钢 管内半径。 ２．３加固原理 管棚加固支护的作用原理是通过对带有预留 注浆孑Ｌ的钢管进行注浆，将水泥浆液压入周边岩体 缝隙，加固岩体，经过注浆的管棚刚度大，强度高， 不但可承受纵向的不均匀应力，同时与周边经加固 的岩体共同形成一个坚固的承载体，管棚沿开挖轮 廓线外侧均匀布置好以后，各承载体连在一起，形 成一个环形承载拱，保证拱内开挖的稳定性。 ２．４施工注意事项 （１）孑Ｌ位要准确。进洞口山体坡面开挖力求平 整，孑Ｌ位放样准确，钻头在相对平整的坡面进孑Ｌ，如 开始位置为夹泥砂带时，可适当移动位置，但移动范 围不能超过设计孑Ｌ距的１／２。仰角放样务必准确，钻 孑Ｌ平台基础不能出现松动或沉降现象，且尽量水平。 （２）合理控制钻孑Ｌ速度。正常钻孑Ｌ时应保持匀 速，如钻头遇到夹泥砂层时，应控制钻进速度，避免 发生夹钻现象。 （３）及时安插钢管。成孑Ｌ后及时清孑Ｌ，清孑Ｌ必 须彻底，避免破碎层的岩石掉入孑Ｌ中影响插管，清 孑Ｌ后及时安插钢管，不能停顿，避免出现塌孑Ｌ现象。 （４）控制注浆压力。注浆压力逐步升高，达到 ２．０ＭＰａ时，持续稳定５分钟时间，可停止注浆，并及时 封堵注浆口。在注浆过程中如出现压力突然升高现象 时，可能发生堵管，应停机检查。在压浆过程中，根据 压力升高的速度适当调整水泥砂浆的水灰比。 ２．５管棚支护的缺点 由于钻杆和钻头的自重．在钻到一定长度时， 钻头自然下垂，在孑Ｌ深超过１０ｍ以后，如果钻头遇 见孤石或不均匀地质．钻机将无法控制钻头方向， 钻头逐渐偏离原来的轨迹，再加上工人在操作过程 的疏忽，在实践中经常看到管棚穿越开挖线现象， 这样管棚进入一定深度以后将不在原设计的同一 环线上，甚至存在缺口，也就起不到环形承载拱的 作用。另外，两组管棚连接处工作室长需２ｍ左右， 断面扩大５０ｃｍ以上，施工期间将会影响原来的围 岩压力结构，增加围岩自身负担，围岩压力：ｑ＝ ０．４５×２ ｒ× ，式中ｓ为围岩类别，ｒ为围岩容 维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 浙江交通科技 ２００６年第３期 重，∞为宽度影响系数， ＝１＋ｉ（ 一５），以上公 式表明ｑ随着宽度 的增加而增加。 ３小导管的施工设计 小导管加固支护适用于岩石节理发育的软弱 围岩、断层破碎带及浅埋地段等。 ３．１小导管设计 小导管支护的加固原理与管棚支护原理相似， 小导管沿开挖轮廓线外侧承环形布设，达到环形承 载拱的作用。小导管一般选用似２～似８ｍｍ的热轨 钢管，壁厚３ｒａｍ，长度３～５ｍ，环向间距３０ｒａｍ，外插 角７。～１０。，管壁每隔１０～２０ｃｍ交错钻眼，眼孔直径 ６～８ｍｍ，钻孔直径６ｅｒａ，纵向两组小导管间应有不 小于１００ｃｍ的水平搭接长度。在加固断层破碎带 时，孔位根据断层情况局部布设。 ３．２注浆参数 （１）注浆材料及配合比：一般采用水泥砂浆或水 泥～水玻璃浆液，水灰比为０．６～０．８为宜，根据围岩 缝隙间的含水量调整控制，水泥砂浆水泥与砂浆重 量比为１：２左右，水泥与水玻璃的体积比为１：０．５。 （２）注浆压力：１．０ＭＰａ。 （３）浆液扩散半径：尺＾＝０．７ ｂ。（ｂ。为导管中 心间距） （４）单根导管的浆液注入量 Ｑ＝Ｑ。 ＋Ｑ１＝７ｆ×尺 ： ＋７ｆ×（ 一尺 ）×Ｌ×＇７ 式中尺为钻孔半径，尼 为浆液扩散半径， 为导 管长度，叩为岩体孔隙率，导管本身体积可忽略不计。 ３．３小导管施工的特点 相对大管棚而言，由于小导管管长只有５ｍ左右， 孔径小，可用空压机钻孔，利用洞身开挖的钻孔设备， 只需更换钻头，施工灵活方便，而且钻孔位轨迹准确， 施工期短，在实践中基本达到设计的加固效果。 ４管棚和小导管的综合设计 根据上述对管棚和小导管特点的分析，管棚的 加固效果优于小导管，但管棚长度较大时，施工中很 难达到理想的设计加固效果，而小导管则在施工中 容易控制，可以达到预期的加固效果，因此，对于一 般的Ｖ、Ⅵ级围岩的加固，进洞１５～２０延米范围内采 用管棚加固，因为进洞开挖时更容易出现塌方现象， 大管棚的作用尤为明显，对地质很差的Ⅵ级围岩，进 洞时应采用两环大管棚，两环大管棚交叉布置，竖向 间距以３０ｃｍ为宜，而洞内部分根据地质情况合理采 用小导管加固，可起到同样的效果，详见图１。 Ｖ、Ｖｌ扭 围岩，岩体破碎 旨棚支护ｌ 、２０ｅｒａ 小导管点护 图１综合高级计示意图 对于风化程度很严重的围岩，小导管支护可采用 两环或三环小导管，多环小导管采用交叉布孔，上下层 小导管竖向间距为１０ｅｍ左右，第一层小导管距开挖轮 廓线５～１０ｅｍ。为了保证钻孔有足够空间，洞身开挖 时，根据实地情况适当扩大断面１０～２０ｅｒａ，见图２。 图２双环小导管布设不恿图 ５ 工程实例 ５．１：［程简介 文成县环城南路金鱼山隧道全长２１１ＩＴＩ，洞内 净宽１２ｍ，开挖宽度１３．８６ｍ，开挖断面１１４．７ｎ１２。进 口端为原已开挖山体，周边３０ｍ范围内均为民房， 进洞３０ｍ范围为Ｖ级围岩，从隧道开挖断面上分 析，上部三分之二为Ｖ级围岩，岩面强风化，呈水平 层状结构，下部三分之一为Ⅳ级围岩整体性较好， 洞顶为地表冲沟，覆盖层厚仅２．５～１０ｍ，洞口最薄 处仅２．５ｍ。出口端６０ｍ范围为Ｖ级围岩，右侧２０ｍ 处有民房，距洞口２０ｍ处的洞顶上方有弹药仓库， 覆盖层厚１２ｍ，紧靠仓库右侧民房距洞顶覆盖层厚 ７ｅｍ。隧道开挖断面围岩结构复杂，同一断面左下 角为Ⅳ级围岩，左上部为煤石，中右部为节理发育 的强风化岩，含水量高，遇水即软，施工从出口端单 向掘进，正台阶法施工。 ５．２支护设计 出口段进洞起拱线以上采用大管棚加固，管棚 长１５ｍ，￣１０８ｍｍ，壁厚６ｍｍ，环向离中心间距５０ｅｍ， 距开挖轮廓线５０ｅｍ，洞内１５—６０延米段Ｖ级围岩 采用小・导管加固，小导管长５ｍ，￣Ｍ．５ｍｍ，壁厚３ｍｍ， 环向导管中心间距３０ｅｍ，小导管纵向搭接水平长 图３支护设计（单位ｃｍ）（下转第３６页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ３６ 浙江交通科技 ２００６年第３期 １ 图２ ６结语 参考文献： 粉煤灰通过ＪＮＳ粉煤灰增强固化剂的激活和 ［１］《公路地基处理设计施工实用技术》．北京：人民交通出版社， 水性反应，克服了粉煤灰强度小、水稳性差、粘结力 ２００４，８ 低等缺点，成为具有轻质高强、水稳性好、粘结力高 ［２］《公路ｌ工程软基处理》．北京：人民交通出版社，２００２．３ ［３］《粉煤灰双层地基施工技术规程》．镇江市建筑科学研究院企业 等优点的新型道路填料混合料，可以从减小台后路 标准，２００４．８ 基地基沉降、减小台后填料自身的压缩变形、改善 ［４］《南京市市政工程粉煤灰混合料施工指导意见》（试行）。 路基地基受力状况三方面有效防治桥头跳车病害， 施工简便，适应性强，具有较强的推广应用价值。 收稿日期：２００６—０７—０８ ・＋・・＋“—＋一“—＋一一—＋一“—＋一“＋“＋“＋“－＋－“－＋－“＋…■“＋・・＋“－＋－“－＋－ ４－．．－４－“＋”＋‘‘＋‘‘＋“＋－＋“－４－“＋“－４－“＋“＋”＋‘‘＋’’＋“＋“＋“＋“＋一＋“＋“＋“－４－．．－４－“＋“－４－ （上接第３２页）度ｌｍ。由于隧道从出口端向进口 表ｌ 各断面收敛观测记录统计表 （单位：ｍｍ） 端单向进洞施工，在进口端不存在进洞开挖，所以 进口段Ｖ级围岩浅埋地层均采用小导管加固支护， 点 萋 荠主 詈计２变８ 说明 洞中破碎带也采用小导管加固。注浆材料采用水 泥砂浆，水灰比为０．６，水泥和砂重量比为ｌ：２，管棚 注浆压力１．２ＭＰａ，小导管注浆１ＭＰａ。管棚和小导 管支护段均加以格栅钢支： 加固（间距１ｉｎ），喷混 以纯施工成本计算，采用管棚支护比小导管支 凝土厚度２０ｃｍ，图３所示。 护差价为４９８８．５元／延米．假如采用单环管棚与两 ５．３效果评价 环小导管成本相比，则差价为１０６６元／延米．以上 施工期间在隧道内共埋设８处收敛观测点，从 数据显示，小导管支护的成本远低于大管棚支护。 收敛量测记录来分析，表１经过大管棚和小导管加 ６ 结语 固支护的Ｖ级围岩收敛变形量与未经加固的Ⅲ级 大管棚和小导管在较弱地质的隧道施工中均 围岩地段的收敛变形量基本相近，对于正台阶法施 起到支沪作用。在隧道造价的构成中，支护费用远 工的隧道而言，初期收敛速度很大，７天以后收敛速 大于洞身开挖费用，在掌握隧道地质具体情况的前 度逐渐变缓，２８天之后进人平稳状态。就本工程而 提下，采用大管棚和注浆小导管综合应用的方案， 言，大管棚和小导管加固的效果均满足设计要求， 可以一定程度上节省造价，达到有效控制投资的目 都起到了控制隧道变形的作用。 的。 ５．４成本比较 参考文献： 『１］公路隧道设计规范．北京：人民交通出版社，２００４．１１．Ｏ１ 起拱线以上环向长度１７ｍ，管棚３５根，小导管 ６０根。隧道每延米管棚用量为３５ｍ，小导管用量 ７５ｍ（按长度５ｍ搭接１ｉｎ计算）。 收稿日期：２００６—０６—０６ （上接第３３页）筒之间的粘结力ｒ＝８６０ｋＰａ。在实 参考文献： 际施工条件下，测得的粘结力值比规范的值要高的 ［１］王娴明．建筑结构试验．北京：清华大学出版社，２０００ 多，并且验证了５０ｃｍ厚混凝土完全能够满足施工 ［２］孙训矛等．材料力学．北京：高等教育出版社，１９９４ 需要，比按照规范取值算得的厚度８０ｃｍ要小得多， ［３］林林，马远刚．吊箱围堰水下局部混凝土封底技术的试验研究． 世界桥梁，２００２（２）：３３—３５ 使封底混凝土可减少３７．５％的工程量，可解决封底 ［４］沈保汉．水下混凝土灌注．施工技术，２０ｏ２（第３１卷，第３期）：５０—５２ 混凝土为大体积混凝土的施工困难，并且使施工成 ［５］孟凡利．水下混凝土灌注常见故障分析预防及处理．山西交通 本大大降低。 科技，１９９８（３）：３８—４２ 收稿日期：２００５—０７—１２
