不良地質條件下隧道管棚預支護技術：原理、應用與優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義隨著我國交通基礎設施建設的迅猛發(fā)展，隧道工程作為交通線路中的關鍵節(jié)點，其數量和規(guī)模不斷擴大。截至2020年，我國公路、鐵路隧道已突破3.8萬座，總長度超過4.1萬公里。在隧道施工過程中，掌子面前方及洞身周邊的工程地質和水文地質條件對施工質量和安全起著決定性作用。然而，諸多隧道不可避免地穿越如斷層破碎帶、巖溶地區(qū)、軟弱圍巖等不良地質區(qū)域，這些復雜的地質條件給隧道施工帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。不良地質條件下，隧道施工極易引發(fā)多種災害。在斷層破碎帶及巖溶區(qū)域，尤其是高壓富水斷層及大型充填溶腔，由于巖體破碎、地下水豐富，施工時隧道極易發(fā)生突泥突水災害。當隧道穿越煤系地層等不良地質體時，瓦斯等有害氣體積聚，稍有不慎就會誘發(fā)瓦斯爆炸災害，嚴重危及施工人員的生命安全和工程設備的完好，給工程帶來巨大的經濟損失。例如，陶家隧道項目在施工過程中，隧址穿越中梁山觀音峽背斜，存在巖溶、巖溶水、地下暗河、斷層破碎帶、夾煤層、瓦斯等不良地質，給施工帶來了極大的困難；沿江高速宜金段錦屏隧道，地形、地質條件復雜，存在斷層、巖溶、突泥、涌水、瓦斯、巖爆等諸多不良地質現(xiàn)象，對隧道建設構成了重重阻礙。為了有效應對這些挑戰(zhàn)，保障隧道施工的安全與質量，各種輔助施工技術應運而生，管棚預支護技術便是其中應用廣泛且極為重要的一種。管棚預支護技術是在擬開挖的隧道外周邊鉆設水平孔，然后安裝鋼管，再進行灌漿固結，使拱頂形成加固的傘形保護環(huán)。這一保護環(huán)能夠有效提高隧道周邊圍巖的強度及抗?jié)B性能，就像給隧道戴上了一頂堅固的“安全帽”。在該保護環(huán)的支撐下，施工人員可以安全地進行循環(huán)掘進和支護施工。通過向圍巖注漿，填充圍巖裂隙，提高圍巖的強度和剛度，形成“承載拱”，支承上部巖層重量，使隧道支護結構所承受的上部荷載大大減小。同時，管棚還能起到承載、擴散和傳遞開挖釋放荷載的作用，有效防止隧道發(fā)生塌方，控制地表沉降，全面保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。在實際工程中，管棚預支護技術已被證明能夠顯著提高隧道施工的安全性和可靠性，減少施工事故的發(fā)生，確保工程按時竣工。綜上所述，深入研究不良地質條件下隧道管棚預支護技術具有重要的現(xiàn)實意義。它不僅能夠為隧道工程在復雜地質條件下的安全施工提供堅實的技術支撐，減少災害事故的發(fā)生，降低工程風險和經濟損失，還能推動隧道施工技術的不斷進步，為我國交通基礎設施建設的高質量發(fā)展奠定堅實基礎。1.2國內外研究現(xiàn)狀管棚預支護技術作為保障隧道施工安全的關鍵技術之一，在國內外隧道工程領域都受到了廣泛關注，眾多學者和工程技術人員從理論分析、數值模擬和現(xiàn)場試驗等多個方面對其進行了深入研究。在理論分析方面，國內外學者做了諸多探討。國外學者PEILA等通過三維有限元模型分析了隧道開挖面預支護錨桿的力學行為，發(fā)現(xiàn)預支護錨桿對保持開挖面穩(wěn)定、控制塑性區(qū)發(fā)展有積極作用。KAMATA和MASHIMO則通過一系列試驗研究隧道開挖面預支護錨桿、隧道拱頂垂直預支護和管棚預支護等預支護結構對隧道開挖面加固的效果，試驗結果表明每種預支護形式均存在最佳長度和布置方式。國內方面，大連理工大學的研究團隊基于Pasternak彈性地基梁理論對管棚預支護體系的力學行為進行分析，并與現(xiàn)場測試數據進行對比驗證。他們綜合考慮隧道埋深、圍巖條件、開挖條件以及管棚作為臨時支護結構的特點等因素，分別推導了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算公式，建立了管棚的力學分析模型。研究表明，在開挖面附近，Pasternak模型較Winkler模型的計算結果與現(xiàn)場測試結果吻合更好，但隨著距開挖面距離越來越遠，理論計算曲線較現(xiàn)場測試曲線衰減得更快。還有學者通過對管棚支護下隧道CRD工法開挖時地表及拱頂沉降、管棚應變等進行量測，以土與基礎的相互作用理論為基礎，建立了基于雙參數模型之上的管棚支護結構與圍巖相互作用模型，采用解析解得到了管棚結構的擾度方程、轉角、彎矩方程及地基反力方程。數值模擬也是研究管棚預支護技術的重要手段。國外有研究運用三維彈塑性有限元分析軟件對管棚預支護段的施工過程進行模擬，分析隧道開挖過程中管棚、隧道圍巖及支護結構的受力與變形特征，對管棚預支護條件下隧道開挖面的穩(wěn)定性進行評價。國內學者也利用二維及三維有限元方法對管棚支護效果進行評價，證明管棚超前支護結合開挖方式能夠很好地抑制地表沉降和拱頂下沉，滿足工程設計要求。例如，有研究針對某淺埋隧道工程，通過數值模擬重點分析了隧道開挖過程中管棚、隧道圍巖及支護結構的受力與變形特征，同時在隧道施工過程中進行現(xiàn)場量測試驗，有限元計算結果與現(xiàn)場實測結果吻合較好，說明采用現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控量測與有限元仿真模擬相結合的方法，可為管棚預支護條件下隧道的設計和施工提供科學依據和技術指導?，F(xiàn)場試驗則為管棚預支護技術的研究提供了實際數據支撐。國內外眾多隧道工程都進行了管棚預支護的現(xiàn)場試驗。例如，日本在一些隧道穿越既有鐵路線或公路線的工程中應用管棚法，通過現(xiàn)場監(jiān)測驗證了管棚法對控制隧道開挖對既有線路產生的不良影響的有效性。在國內，北京西單地鐵車站暗挖工程中應用土星管棚鉆機進行管棚施工，取得了成功，為后續(xù)類似工程提供了實踐經驗。還有一些隧道工程通過現(xiàn)場量測試驗，得到了鋼支撐、噴射混凝土和二次襯砌等支護構件的受力和地表沉降及圍巖位移收斂狀況，為管棚預支護技術的優(yōu)化提供了依據。盡管國內外在管棚預支護技術方面已經取得了豐碩的研究成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有理論模型在考慮復雜地質條件如斷層破碎帶的巖體破碎程度差異、巖溶地區(qū)溶洞分布的隨機性、軟弱圍巖的流變特性等對管棚受力和變形的影響時，還不夠完善，導致理論計算與實際情況存在一定偏差。數值模擬中，對管棚與圍巖之間的相互作用機制的模擬還不夠精準，尤其是在模擬管棚注漿后與圍巖形成的復合體的力學行為方面，有待進一步改進。不同地質條件下管棚支護參數的優(yōu)化設計缺乏系統(tǒng)性和針對性，目前多是基于經驗和工程類比，缺乏深入的理論分析和大量的工程數據驗證?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀和不足，本文擬從以下幾個方面展開研究：深入研究復雜不良地質條件下管棚與圍巖的相互作用機理，建立更加精準的力學模型；運用先進的數值模擬技術，考慮更多實際因素，對管棚預支護施工過程進行精細化模擬分析；通過收集大量不同地質條件下的隧道工程案例數據，結合理論分析和數值模擬，建立管棚支護參數的優(yōu)化設計方法，為實際工程提供更具針對性和科學性的指導。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容管棚預支護技術原理深入剖析：全面梳理管棚預支護技術的基本原理，深入研究管棚與圍巖之間的相互作用機制。綜合考慮不良地質條件下巖體的物理力學性質、結構特征以及地下水等因素，分析管棚在不同工況下的受力特點和變形規(guī)律，為后續(xù)研究提供堅實的理論基礎。管棚預支護施工工藝系統(tǒng)研究：詳細闡述管棚預支護的施工工藝流程，包括施工前的準備工作、鉆孔、鋼管安裝、注漿等關鍵環(huán)節(jié)。深入分析每個環(huán)節(jié)的施工要點和技術要求，探討施工過程中可能出現(xiàn)的問題及相應的解決措施。例如，在鉆孔環(huán)節(jié)，研究如何保證鉆孔的精度和垂直度，避免出現(xiàn)塌孔、卡鉆等問題；在注漿環(huán)節(jié)，分析注漿材料的選擇、注漿壓力和注漿量的控制等對支護效果的影響。管棚預支護技術在不良地質條件下的應用案例分析：廣泛收集國內外在不同不良地質條件下應用管棚預支護技術的隧道工程案例，如穿越斷層破碎帶、巖溶地區(qū)、軟弱圍巖等。對這些案例進行詳細的分析，包括工程地質條件、管棚支護參數的設計、施工過程的監(jiān)控量測數據以及支護效果的評價等。通過對比分析不同案例，總結管棚預支護技術在不同不良地質條件下的應用規(guī)律和經驗教訓。管棚預支護參數優(yōu)化與效果評價：基于理論分析、數值模擬和工程案例數據，對管棚預支護的參數進行優(yōu)化研究。建立管棚支護參數與隧道穩(wěn)定性之間的定量關系，通過優(yōu)化設計，確定在不同不良地質條件下管棚的最佳長度、直徑、間距、注漿材料及注漿參數等。同時，建立科學合理的管棚預支護效果評價指標體系，運用層次分析法、模糊綜合評價法等方法對管棚預支護效果進行綜合評價，為工程實踐提供科學的決策依據。1.3.2研究方法文獻研究法：廣泛查閱國內外關于隧道管棚預支護技術的相關文獻，包括學術論文、研究報告、工程案例等。對這些文獻進行系統(tǒng)的梳理和分析，了解管棚預支護技術的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本文的研究提供理論支持和研究思路。案例分析法：選取具有代表性的隧道工程案例，深入分析管棚預支護技術在實際工程中的應用情況。通過對案例的研究，獲取現(xiàn)場施工數據、監(jiān)測數據以及工程實際效果等信息，總結管棚預支護技術在不同地質條件下的應用經驗和存在的問題，為理論研究和參數優(yōu)化提供實際依據。數值模擬法：運用有限元分析軟件，如ANSYS、FLAC3D等，建立隧道管棚預支護的數值模型。模擬不同地質條件下隧道的開挖過程以及管棚與圍巖的相互作用，分析管棚的受力和變形情況，以及對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。通過數值模擬，可以直觀地展示管棚預支護的作用效果，為管棚支護參數的優(yōu)化設計提供參考。理論分析法：基于彈性力學、塑性力學、巖石力學等相關理論，建立管棚預支護的力學分析模型。推導管棚在不同荷載作用下的內力和變形計算公式，分析管棚與圍巖之間的相互作用機理，為管棚預支護技術的研究提供理論依據。同時，結合工程實際情況，對理論分析結果進行驗證和修正，使其更符合實際工程需求。二、不良地質條件下隧道施工的挑戰(zhàn)2.1常見不良地質條件分析2.1.1軟弱圍巖軟弱圍巖通常指那些巖質軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結構破碎的圍巖。其具有顯著的特性，首先是強度低，一般而言，單軸飽和抗壓強度低于30MPa的巖石多被視為軟質巖或軟巖，像泥巖、砂巖、千枚巖、炭質板巖及絹云母片巖等都在此列。這種低強度使得圍巖在隧道開挖過程中難以承受上部巖體的壓力，容易發(fā)生變形和破壞。其次，軟弱圍巖的自穩(wěn)能力差，開挖暴露后，在短時間內就可能出現(xiàn)坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象。軟弱圍巖對隧道施工有著多方面的嚴重影響。由于其強度低、穩(wěn)定性差，在隧道開挖后，洞壁臨空，圍巖應力重新調整，洞壁向隧道凈空方向變形明顯。這種變形主要包括隧道正前方掌子面的水平位移，表現(xiàn)為掌子面的水平鼓出；掌子面前方圍巖下沉，淺埋隧道則會引發(fā)地表下沉，形成沉降槽；剛開挖的隧道洞壁出現(xiàn)收斂變形，體現(xiàn)為拱頂下沉和邊墻內移。若這些變形得不到有效控制，就可能導致隧道坍方。常見的坍方類型有掌子面水平變形過大引發(fā)的掌子面擠出坍方，以及支護下沉過大導致的整體失穩(wěn)坍方。當隧道上部覆土較淺時，隧道內的變形還可能發(fā)展到地表，引起地表變形開裂，甚至出現(xiàn)坍塌冒頂的情況，對隧道工程建設和周邊環(huán)境造成極大危害。此外，軟弱圍巖遇水易軟化，如頁巖、泥巖等軟質巖地層，在地下水的作用下，強度會進一步降低，穩(wěn)定性變差，增加了隧道施工的難度和風險。2.1.2斷層破碎帶斷層破碎帶是指斷層附近的破碎和粉化地層，其區(qū)域通常較大，可達數十米至數百米不等，形狀多變。其地質特征主要表現(xiàn)為巖體破碎，呈塊石、破碎或角礫狀，甚至呈斷層泥，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強度低，圍巖自穩(wěn)能力差。隧道軸線與斷層構造線的方向組合關系對施工難度影響顯著，當隧道軸線接近于垂直構造線方向時，斷層規(guī)模較小，破碎帶不寬，且含水量較小時，施工條件相對有利；而當隧道軸線斜交或者平行于構造方向時，隧道穿過破碎帶的長度增大，施工難度大幅增加。在隧道施工中，斷層破碎帶會引發(fā)諸多問題。由于巖體破碎，自穩(wěn)能力差，開挖過程中極易發(fā)生塌方事故，威脅施工人員的生命安全和工程進度。斷層破碎帶往往是地下水的良好通道，富含大量的地下水，施工時容易引發(fā)涌水現(xiàn)象。大量的涌水不僅會淹沒隧道施工場地，損壞施工設備，還會進一步軟化圍巖，降低圍巖的強度和穩(wěn)定性，加劇塌方的風險。例如，某隧道在穿越斷層破碎帶時，由于涌水導致圍巖失穩(wěn)，發(fā)生了嚴重的塌方事故，造成了巨大的經濟損失和工期延誤。2.1.3富水地層富水地層具有含水量高、水壓大的特點。在雨量充沛和地下水豐富的地區(qū)，隧道穿過斷層破碎帶、裂隙密集帶、不同巖層接觸帶或巖溶發(fā)育地段時，常常會遭遇大量涌水的情況。富水地層中的地下水補給來源廣泛，包括大氣降水、地表水以及其他含水層的補給，使得地下水量充裕，水壓較高。富水地層對隧道施工危害極大，其中最主要的危害是突水、涌泥。當隧道施工揭穿富水地層時，在高壓水的作用下，大量的地下水和泥砂會突然涌入隧道，其沖擊力和破壞力極強，可能會沖毀施工設備，掩埋施工人員，導致施工中斷。突水、涌泥還可能引發(fā)隧道周邊地層的塌陷，對周邊建筑物和地下管線造成嚴重破壞。此外，富水地層中的地下水還會對隧道襯砌結構產生侵蝕作用，降低襯砌結構的耐久性，影響隧道的長期使用安全。例如，某隧道在富水地層施工時，發(fā)生了突水涌泥事故，大量的泥砂涌入隧道，造成了施工掌子面被掩埋，經過長時間的搶險和處理才恢復施工，給工程帶來了巨大的損失。2.2不良地質對隧道施工的影響2.2.1施工安全風險在不良地質條件下進行隧道施工，施工安全風險顯著增加，塌方和突水突泥等災害是較為常見且危害極大的風險類型。塌方是隧道施工中頻發(fā)的災害之一，其成因復雜多樣。當隧道穿越如斷層破碎帶等不良地質區(qū)域時，巖體破碎，結構完整性遭到破壞，自穩(wěn)能力極差。在隧道開挖過程中，原本處于平衡狀態(tài)的圍巖應力被打破，由于巖體自身強度不足，無法承受開挖后產生的應力重分布，極易導致塌方事故的發(fā)生。據相關統(tǒng)計數據顯示，在隧道施工事故中，因穿越斷層破碎帶而引發(fā)的塌方事故占比較高。例如，在某隧道施工中，當隧道掘進至斷層破碎帶時，由于巖體破碎，支護措施未能及時有效跟進，導致掌子面突然坍塌，造成了多名施工人員被掩埋，施工設備嚴重損壞，直接經濟損失高達數千萬元。涌水和突泥災害同樣對隧道施工安全構成巨大威脅。在富水地層和巖溶地區(qū)，地下水量豐富，水壓較大。當隧道施工揭穿這些地層時，高壓水和攜帶的泥砂等物質會瞬間涌入隧道。這些涌水和突泥具有強大的沖擊力，能夠輕易沖毀施工設備，掩埋施工人員，使隧道施工陷入困境。例如，某隧道在富水巖溶地區(qū)施工時，遇到了大型溶洞，由于對溶洞的探測和處理措施不到位，在施工過程中突然發(fā)生突泥涌水事故，大量的泥砂和水在短時間內涌入隧道，造成了隧道內的施工人員和設備被淹沒，施工被迫中斷數月之久，不僅給施工人員的生命安全帶來了嚴重威脅，還導致了工程成本的大幅增加。瓦斯爆炸也是隧道施工中不容忽視的安全風險，尤其是在穿越煤系地層等含有瓦斯等有害氣體的地質區(qū)域時。煤系地層中常常含有大量的瓦斯氣體，當隧道開挖使瓦斯氣體釋放到隧道空間內，若瓦斯?jié)舛冗_到爆炸極限，遇到火源就會引發(fā)爆炸。瓦斯爆炸具有極強的破壞力，會瞬間產生高溫、高壓和強大的沖擊波，對隧道結構、施工人員和設備造成毀滅性的打擊。例如，某隧道在穿越煤系地層時，由于通風不暢，瓦斯氣體積聚，施工人員在進行爆破作業(yè)時引發(fā)了瓦斯爆炸，造成了重大人員傷亡和財產損失。這些安全風險不僅對施工人員的生命安全造成了嚴重威脅，還會導致施工設備的損壞，延誤施工進度，給工程帶來巨大的經濟損失。因此，在不良地質條件下進行隧道施工時，必須高度重視施工安全風險，采取有效的預防和應對措施，確保施工安全。2.2.2施工質量問題不良地質條件對隧道施工質量的影響是多方面的，其中襯砌開裂和滲漏水是較為突出的問題，這些問題嚴重損害了隧道的使用壽命和結構安全。襯砌開裂是不良地質條件下隧道施工常見的質量問題之一。在軟弱圍巖地段，由于圍巖強度低，變形量大，隧道開挖后，圍巖會對襯砌結構產生較大的壓力。當襯砌結構的強度和剛度不足以抵抗這種壓力時，就會導致襯砌開裂。此外，在斷層破碎帶等地質條件復雜的區(qū)域，由于巖體的不均勻性和變形的復雜性，也容易使襯砌結構受到不均勻的壓力，從而引發(fā)襯砌開裂。襯砌開裂會削弱襯砌結構的承載能力，降低隧道的穩(wěn)定性，隨著時間的推移，裂縫可能會進一步發(fā)展，甚至導致襯砌結構的坍塌，嚴重影響隧道的正常使用。滲漏水問題在不良地質條件下的隧道施工中也較為普遍。在富水地層和巖溶地區(qū)，地下水豐富，水壓較大。如果隧道的防水措施不到位，地下水就會通過襯砌結構的裂縫、施工縫、變形縫等薄弱部位滲入隧道內部。滲漏水不僅會影響隧道內的行車安全，使路面濕滑，增加交通事故的風險，還會對隧道的襯砌結構和設備造成腐蝕破壞。長期的滲漏水會導致襯砌結構的鋼筋銹蝕，混凝土強度降低，從而縮短隧道的使用壽命。例如，某隧道在富水地層施工后，由于防水施工質量存在缺陷，隧道出現(xiàn)了嚴重的滲漏水問題。經過一段時間的運營，隧道襯砌結構的鋼筋因長期受到水的侵蝕而銹蝕，混凝土出現(xiàn)剝落，不得不進行大規(guī)模的維修和加固，耗費了大量的人力、物力和財力。此外，不良地質條件還可能導致隧道施工中的超欠挖問題。在斷層破碎帶等地質條件復雜的區(qū)域，由于巖體破碎，鉆孔難度大，爆破效果難以控制，容易出現(xiàn)超挖或欠挖現(xiàn)象。超挖會增加襯砌的工程量和成本，欠挖則會影響隧道的凈空尺寸，降低隧道的使用功能。這些施工質量問題相互影響，進一步降低了隧道的施工質量和使用壽命，給隧道的運營和維護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。2.2.3施工進度延誤不良地質條件是導致隧道施工進度延誤的重要因素，處理地質問題需要耗費大量的時間和資源，進而對工程成本產生顯著影響。在隧道施工過程中，一旦遇到不良地質條件，如軟弱圍巖、斷層破碎帶、富水地層等，施工單位需要采取一系列的處理措施來確保施工安全和工程質量。這些處理措施往往復雜且耗時，嚴重影響施工進度。以軟弱圍巖為例，由于其自穩(wěn)能力差，在開挖后需要立即進行支護，通常會采用超前支護、噴射混凝土、架設鋼支撐等多種支護手段相結合的方式。這些支護作業(yè)工序繁瑣，每一道工序都需要嚴格按照施工規(guī)范進行操作，且需要等待支護結構達到一定的強度后才能進行下一步的開挖作業(yè)，這就大大延長了施工周期。例如，某隧道在穿越軟弱圍巖地段時，為了確保施工安全，每循環(huán)開挖進尺不得不控制在較小的范圍內，且每次開挖后都需要花費大量時間進行支護作業(yè)，導致施工進度緩慢，原計劃的施工進度被嚴重拖延。當隧道遇到斷層破碎帶時，處理措施更為復雜。首先需要對斷層破碎帶進行詳細的地質勘察，了解其規(guī)模、破碎程度、含水量等情況，然后根據勘察結果制定相應的處理方案。常見的處理方法包括注漿加固、管棚支護、超前小導管支護等。這些處理措施不僅施工難度大，而且需要耗費大量的時間和材料。在注漿加固過程中，需要進行鉆孔、安裝注漿管、配制注漿材料、注漿等多個步驟，每一步都需要嚴格控制施工質量和參數，且注漿后還需要等待漿液凝固達到一定強度才能繼續(xù)施工。這個過程往往需要數天甚至數周的時間，使得隧道施工進度嚴重滯后。在富水地層施工時，涌水和突泥問題是影響施工進度的關鍵因素。為了應對涌水和突泥，施工單位需要采取排水、堵水等措施。排水措施包括設置排水盲管、排水管等，將地下水引出隧道；堵水措施則包括注漿堵水、設置止水帷幕等。這些措施的實施需要投入大量的人力、物力和時間，而且在處理過程中還可能會遇到各種問題，如注漿效果不佳、涌水突泥再次發(fā)生等，需要反復進行處理，進一步延誤施工進度。施工進度的延誤直接導致工程成本的增加。一方面，施工周期的延長使得人工成本、設備租賃成本、管理成本等持續(xù)增加。施工人員需要在工地停留更長的時間，設備需要更長時間的租賃，管理團隊也需要持續(xù)投入精力進行管理，這些都增加了工程的直接成本。另一方面，由于施工進度延誤，可能會導致工程無法按時交付，從而產生違約賠償等間接成本。此外，為了趕工期，施工單位可能需要增加人力、設備等資源的投入，這也會進一步加大工程成本。三、管棚預支護技術原理與作用3.1管棚預支護技術概述管棚預支護技術，作為隧道施工中一種至關重要的輔助施工技術，是在隧道開挖前，沿著隧道開挖輪廓線外的設定部位，以較小的外插角，向掌子面前方打入鋼管，然后通過鋼管向圍巖注漿，對管棚周圍的圍巖進行加固，從而在隧道開挖輪廓線外形成一個棚狀的支護結構。這一結構猶如為隧道施工撐起了一把堅固的保護傘，有效防止掌子面坍塌并限制圍巖變形，為后續(xù)的隧道開挖提供安全保障。管棚預支護技術的發(fā)展歷程是一個不斷演進和完善的過程。該技術最初是作為山嶺隧道施工的一種輔助方法被提出，主要用于應對隧道穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段時所面臨的施工難題。早期的管棚施工技術相對簡單，施工精度和效率較低，適用范圍也較為有限。隨著工程實踐的不斷積累和技術的持續(xù)進步，特別是導向跟管鉆進等技術及多種新的施工工藝的引入，管棚施工的精度、打設長度、沉降控制及施工工效都取得了長足的發(fā)展。如今，管棚預支護技術已廣泛應用于各類隧道工程，成為保障隧道施工安全和質量的關鍵技術之一。管棚預支護技術具有廣泛的適用范圍，尤其在不良地質條件下的隧道施工中發(fā)揮著不可替代的作用。在軟弱砂土質地層、砂卵礫石地層，由于土體顆粒松散，自穩(wěn)能力差，管棚預支護可以通過注漿加固土體，提高土體的強度和穩(wěn)定性，防止土體坍塌。膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質粘土地層，這類地層具有較強的膨脹性和流變特性，容易導致隧道圍巖變形過大，管棚預支護能夠有效地約束圍巖變形，保證隧道施工安全。對于裂隙發(fā)育巖體、突泥突水段、斷層破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段等地質條件復雜的區(qū)域，管棚預支護可以增強圍巖的整體性和承載能力，防止突泥突水、塌方等災害的發(fā)生。在淺埋大偏壓等地質和地下水豐富條件的地下構筑物施工中，管棚預支護可以有效地控制地表沉降，防止既有線路、建筑物、構筑物因隧道開挖而遭到破壞。此外，管棚預支護技術還常用于隧道進出口段開挖的支護，以及地鐵等穿越城區(qū)的地下工程的開挖預支護，可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結構物下方修建隧道的輔助方法。在隧道洞口段及修建大斷面隧道施工中，管棚預支護技術也能發(fā)揮重要作用，確保施工的順利進行。在隧道施工中，管棚預支護技術占據著舉足輕重的地位。它是應對不良地質條件的重要手段，能夠有效地解決隧道施工中遇到的各種難題，保障施工人員的生命安全和工程的順利進行。管棚預支護技術與其他支護技術如噴射混凝土、鋼支撐等相結合，可以形成更加穩(wěn)固的支護體系，提高隧道圍巖的穩(wěn)定性。管棚預支護技術還可以為后續(xù)的施工工序創(chuàng)造良好的條件，減少施工風險和施工成本，提高施工效率和工程質量。因此，深入研究管棚預支護技術的原理與作用，對于推動隧道工程技術的發(fā)展，保障隧道施工的安全和質量具有重要的現(xiàn)實意義。3.2管棚預支護的工作原理3.2.1承載原理管棚預支護的承載原理基于其與圍巖形成的共同承載體系。在隧道開挖前，沿隧道開挖輪廓線外設置管棚，這些管棚通常采用剛度較大的鋼管，如常用的直徑為108mm的鋼管。當隧道開挖時，圍巖應力重新分布，管棚與周圍圍巖緊密結合，共同承擔圍巖壓力。管棚如同梁結構，以掌子面和后方穩(wěn)定圍巖為支點，形成梁式結構。在這個結構中，管棚承受著來自上方圍巖的荷載，并將荷載傳遞到掌子面前方的土體和后方的穩(wěn)定圍巖上。通過這種方式，管棚分擔了隧道開挖后的部分圍巖壓力，使作用在隧道支護結構上的壓力得到分散，從而減小了支護結構所承受的荷載。例如，在某隧道工程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在采用管棚預支護后，隧道初期支護結構所承受的壓力明顯減小，證明了管棚在分擔圍巖壓力方面的重要作用。管棚的承載能力受到多種因素的影響。管棚的直徑和壁厚是關鍵因素之一，直徑和壁厚越大，管棚的剛度和承載能力就越強。采用直徑較大的管棚，在相同的圍巖條件下，能夠承受更大的荷載。管棚的間距也對承載能力有顯著影響，間距過小會增加施工成本，過大則會降低管棚的承載效果，一般來說，管棚間距應根據圍巖的具體情況進行合理設計。圍巖的性質同樣重要，如圍巖的強度、完整性等，軟弱圍巖條件下，管棚需要承擔更大的荷載，對管棚的承載能力要求更高。管棚的長度和布置方式也會影響其承載能力，合理的長度和布置方式能夠使管棚更好地發(fā)揮承載作用。3.2.2加固原理管棚通過注漿等方式對圍巖進行加固，其加固原理主要體現(xiàn)在以下幾個方面。注漿是管棚加固圍巖的重要手段。在管棚施工過程中，通過鋼管上的注漿孔向圍巖中注入漿液，如水泥漿、水泥砂漿等。這些漿液在壓力作用下，滲透到圍巖的裂隙和孔隙中，隨著時間的推移，漿液逐漸凝固，將松散的巖體膠結在一起，形成一個強度較高的加固圈。這個加固圈增強了圍巖的整體性和穩(wěn)定性，就像給圍巖穿上了一層堅固的鎧甲，提高了圍巖的承載能力。有研究表明，在砂巖地層中注漿后，其強度可增加50%-70%，粉砂巖和泥質巖的強度甚至能增加2-4倍，充分說明了注漿對圍巖強度提升的顯著效果。管棚與圍巖之間的摩擦力和咬合力也是加固的重要因素。管棚在打入圍巖后，與圍巖緊密接觸，在圍巖變形過程中，管棚與圍巖之間會產生摩擦力和咬合力。這些力能夠約束圍巖的變形，阻止圍巖的松動和坍塌。管棚的表面粗糙度、管徑以及圍巖的性質都會影響摩擦力和咬合力的大小。表面粗糙度較大的管棚，與圍巖之間的摩擦力更大，加固效果更好。管棚還可以改善圍巖的應力狀態(tài)。在隧道開挖前，管棚的設置改變了圍巖的初始應力分布，使圍巖在開挖過程中的應力變化更加均勻。通過分擔圍巖壓力，管棚減小了圍巖的應力集中程度，降低了圍巖發(fā)生破壞的可能性。在一些隧道工程中，通過數值模擬分析發(fā)現(xiàn)，采用管棚預支護后，圍巖的最大主應力和剪應力明顯減小，有效地改善了圍巖的應力狀態(tài)。3.2.3防坍塌原理管棚在防止隧道坍塌方面發(fā)揮著至關重要的作用，其防坍塌原理主要基于形成的棚架體系和對圍巖松動的阻止。管棚在隧道開挖輪廓線外形成了一個棚架體系，這個體系就像一把保護傘，為隧道開挖提供了有力的支撐。當隧道開挖時，管棚能夠承受上方圍巖的壓力，阻止圍巖的垮落。管棚與鋼拱架等支護結構相結合，形成了一個更為穩(wěn)固的承載結構，進一步增強了對圍巖的支撐能力。在某隧道穿越斷層破碎帶的工程中，通過設置管棚和鋼拱架，有效地防止了隧道坍塌，確保了施工的安全進行。管棚能夠阻止圍巖的松動。在隧道開挖過程中，圍巖會因受到擾動而出現(xiàn)松動現(xiàn)象，管棚的存在可以限制圍巖的變形，阻止松動范圍的進一步擴大。管棚與圍巖之間的摩擦力和咬合力，以及注漿形成的加固圈，都能夠有效地約束圍巖的位移，保持圍巖的穩(wěn)定性。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在采用管棚預支護的隧道中，圍巖的松動范圍明顯小于未采用管棚的情況，證明了管棚在阻止圍巖松動方面的有效性。在不同地質條件下，管棚的防坍塌效果有所差異。在軟弱圍巖中，管棚的支撐作用尤為關鍵，能夠有效地防止圍巖的大變形和坍塌。在斷層破碎帶，管棚可以增強破碎巖體的整體性，防止巖體因開挖而失穩(wěn)坍塌。在富水地層中，管棚不僅能夠支撐圍巖，還能通過注漿起到止水的作用，減少地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響，從而防止因涌水導致的坍塌事故。3.3管棚預支護的作用3.3.1提高圍巖穩(wěn)定性管棚預支護在提高圍巖穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關重要的作用，其作用機制主要體現(xiàn)在增強圍巖整體性和抑制圍巖變形兩個關鍵方面。管棚通過注漿與圍巖緊密結合，顯著增強了圍巖的整體性。在隧道開挖前，沿隧道開挖輪廓線外設置管棚，然后進行注漿。注漿材料如水泥漿、水泥砂漿等，在壓力作用下，通過鋼管上的注漿孔滲透到圍巖的裂隙和孔隙中。隨著時間的推移，這些漿液逐漸凝固，就像強力的膠水一樣，將原本松散的巖體膠結在一起，使圍巖形成一個相對完整的整體。在某隧道穿越斷層破碎帶的工程中，破碎的巖體在管棚注漿的作用下，被膠結為一個強度較高的整體，有效提高了圍巖的穩(wěn)定性。這種增強圍巖整體性的作用，使得圍巖在隧道開挖過程中能夠更好地抵抗外部荷載，減少了因巖體松散而導致的坍塌風險。管棚還能夠有效地抑制圍巖變形。在隧道開挖過程中，圍巖會受到開挖擾動的影響，產生應力重分布，從而導致變形。管棚作為一種剛度較大的支護結構，能夠分擔部分圍巖壓力，限制圍巖的變形。管棚以掌子面和后方穩(wěn)定圍巖為支點，形成梁式結構，當圍巖發(fā)生變形時，管棚能夠通過自身的剛度和與圍巖之間的摩擦力、咬合力，阻止圍巖的進一步變形。在軟弱圍巖隧道施工中，采用管棚預支護后，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，圍巖的變形量明顯減小，有效地保證了隧道施工的安全。管棚還可以改善圍巖的應力狀態(tài)，減小圍巖的應力集中程度，進一步抑制圍巖變形。通過數值模擬分析可知，在采用管棚預支護后，圍巖的最大主應力和剪應力顯著降低，應力分布更加均勻，從而降低了圍巖發(fā)生破壞的可能性。3.3.2控制地表沉降管棚在控制地表沉降方面具有顯著作用，其作用機制主要包括阻斷沉降傳遞和均勻沉降曲線。管棚能夠阻斷沉降傳遞。在隧道開挖過程中，尤其是在淺埋隧道或穿越軟弱地層時，隧道開挖引起的圍巖變形會向上傳遞，導致地表沉降。管棚設置在隧道開挖輪廓線外，形成了一個棚狀的支護結構，就像一道堅固的屏障，能夠有效地阻擋圍巖變形向上傳遞，從而減少地表沉降。管棚與圍巖形成的共同承載體系，分擔了隧道開挖后的部分圍巖壓力，使作用在隧道上方土體的壓力減小，進而降低了地表沉降的可能性。在某淺埋隧道工程中，通過設置管棚預支護，有效地控制了地表沉降，使地表沉降量控制在允許范圍內，保障了隧道上方建筑物的安全。管棚還能使沉降曲線更加均勻。在沒有管棚預支護的情況下，隧道開挖可能會導致地表沉降不均勻，出現(xiàn)局部沉降過大的情況，這對隧道上方的建筑物和地下管線等設施危害極大。而管棚的存在可以使隧道開挖引起的沉降更加均勻地分布。管棚在隧道周邊均勻布置，其對圍巖的支撐作用也較為均勻，從而使得隧道開挖后地表的沉降曲線更加平緩。通過現(xiàn)場監(jiān)測數據對比發(fā)現(xiàn)，采用管棚預支護的隧道，地表沉降曲線的波動明顯小于未采用管棚的隧道，有效地減少了因沉降不均勻對周邊環(huán)境造成的破壞。3.3.3防止隧道塌方管棚在防止隧道塌方方面發(fā)揮著關鍵作用，主要通過支撐上覆巖土體和減少塌方風險來實現(xiàn)。管棚能夠有效地支撐上覆巖土體。在隧道開挖過程中，上覆巖土體的重量會對隧道圍巖產生巨大的壓力，尤其是在不良地質條件下，如軟弱圍巖、斷層破碎帶等，圍巖自身的承載能力不足，容易導致塌方。管棚作為一種剛度較大的支護結構，沿隧道開挖輪廓線外布置，能夠承受上覆巖土體的部分荷載，將荷載傳遞到掌子面前方的土體和后方的穩(wěn)定圍巖上。管棚與鋼拱架等支護結構相結合，形成了一個更為穩(wěn)固的承載體系，進一步增強了對圍巖的支撐能力。在某隧道穿越軟弱圍巖地段時，通過設置管棚和鋼拱架，成功地支撐了上覆巖土體，防止了隧道塌方的發(fā)生。管棚還能減少塌方風險。管棚的設置可以改善圍巖的受力狀態(tài)，減小圍巖的應力集中程度，降低圍巖發(fā)生破壞的可能性。管棚通過注漿加固圍巖，增強了圍巖的整體性和穩(wěn)定性，使圍巖能夠更好地抵抗外部荷載。在斷層破碎帶等地質條件復雜的區(qū)域，管棚可以將破碎的巖體連接在一起，形成一個相對穩(wěn)定的結構，減少了因巖體松動而導致的塌方風險。管棚的存在還可以限制圍巖的變形，防止圍巖變形過大引發(fā)塌方。通過現(xiàn)場監(jiān)測和數值模擬分析可知，采用管棚預支護后，隧道塌方的風險顯著降低。四、管棚預支護技術施工工藝4.1施工前準備4.1.1地質勘察地質勘察在管棚預支護技術施工中起著舉足輕重的作用，是確保施工安全和支護效果的關鍵前提。通過詳細的地質勘察，能夠全面深入地了解隧道施工區(qū)域的地質條件，為管棚設計提供精準、可靠的依據，從而使管棚的各項參數，如長度、直徑、間距等，得以科學合理地確定，充分滿足實際施工的需求。地質勘察涵蓋豐富多樣的內容，包括對地層巖性的細致鑒別，確定其屬于何種巖石類型，如砂巖、泥巖、灰?guī)r等，以及了解巖石的物理力學性質，如抗壓強度、抗拉強度、彈性模量等；對地質構造的深入分析，查明是否存在斷層、褶皺、節(jié)理裂隙等構造，以及這些構造的產狀、規(guī)模和分布特征；對地下水情況的全面掌握，包括地下水位的高低、含水層的分布、地下水的補給與排泄條件、水質對混凝土的侵蝕性等。在實際勘察過程中，運用多種先進的勘察方法。鉆探是獲取地下地質信息的重要手段之一，通過鉆探可以直接采集巖芯樣本，直觀地觀察地層巖性、地質構造以及地下水的賦存情況。物探則是利用地球物理方法，如地質雷達、地震波法、電法等，對地下地質結構進行間接探測。地質雷達能夠快速、準確地探測淺部地層的地質構造和不良地質體，如空洞、破碎帶等；地震波法可以根據地震波在不同介質中的傳播速度和反射特征，推斷地層的結構和性質；電法則通過測量地下介質的電阻率、介電常數等電學參數，來識別地質體的分布和特征。這些物探方法具有快速、高效、非侵入性等優(yōu)點，能夠在較短時間內獲取大面積的地質信息。以某隧道工程為例，在施工前進行地質勘察時，通過鉆探發(fā)現(xiàn)隧道穿越的地層主要為砂巖和泥巖互層，其中存在一條斷層破碎帶，巖石破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。利用地質雷達探測，進一步確定了斷層破碎帶的具體位置和范圍，以及周邊巖體的完整性情況。通過物探方法，還查明了地下水位較高，且存在富水區(qū)域。這些勘察結果為管棚設計提供了關鍵依據，根據地層巖性和地質構造情況，確定了管棚的長度和直徑，以確保能夠有效穿越斷層破碎帶，增強圍巖的穩(wěn)定性；根據地下水情況，選擇了合適的注漿材料和注漿工藝，以達到止水和加固圍巖的目的。通過對勘察結果的深入分析，能夠精準地確定管棚的布置位置、長度、直徑、間距等關鍵參數。在斷層破碎帶等地質條件復雜、巖體破碎的區(qū)域，適當增加管棚的長度和直徑，縮小管棚的間距，以提高支護效果；在地下水豐富的區(qū)域，選擇抗?jié)B性好的注漿材料，確保注漿能夠有效填充圍巖裂隙，形成止水帷幕，提高圍巖的抗?jié)B性能。地質勘察結果還為施工方案的制定提供了重要參考，如確定施工方法、施工順序、施工安全措施等，從而保障管棚預支護施工的順利進行，確保隧道施工的安全和質量。4.1.2材料準備管棚施工所需材料主要包括鋼管和注漿材料，這些材料的質量和性能直接關系到管棚預支護的效果和隧道施工的安全。鋼管是管棚的核心材料，其質量和規(guī)格至關重要。常用的鋼管有熱軋無縫鋼管和焊接鋼管，在實際工程中，一般選用直徑80-180mm，壁厚4-8mm的無縫鋼管。熱軋無縫鋼管具有強度高、韌性好、抗腐蝕性強等優(yōu)點，能夠在復雜的地質條件下承受較大的荷載，保證管棚的穩(wěn)定性。焊接鋼管則具有成本較低、加工方便等特點，但在強度和抗腐蝕性方面相對較弱，因此在一些對鋼管性能要求較高的工程中，多采用熱軋無縫鋼管。管節(jié)長度視工程具體情況而定，一般情況下每節(jié)長小于10m，長管棚采用的鋼管每節(jié)長度大于10m。在選擇鋼管時，要嚴格檢查其質量，確保鋼管無裂縫、無孔洞、無變形等缺陷，其力學性能和工藝性能必須符合國家有關標準和設計要求。注漿材料的選擇同樣關鍵，它直接影響到管棚與圍巖的粘結效果和圍巖的加固質量。常用的注漿材料有水泥漿、水泥砂漿、水泥-水玻璃雙液漿等。水泥漿具有成本低、結石體強度高、耐久性好等優(yōu)點，是應用較為廣泛的注漿材料。在一些對注漿速度和早期強度要求較高的工程中，可選用水泥-水玻璃雙液漿，這種漿液具有凝膠時間短、早期強度高的特點，能夠快速填充圍巖裂隙，提高圍巖的穩(wěn)定性。注漿材料應具有良好的流動性、可灌性，以便能夠順利地注入到圍巖裂隙中；凝膠時間可根據需要調節(jié)，以滿足不同施工條件的要求；固化時收縮小，確保注漿后形成的固結體能夠緊密地與圍巖結合；漿液與圍巖、混凝土等粘結力強，使管棚與圍巖形成一個整體，共同承受荷載；固結體具有高強度和良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性、耐久性，能夠有效增強圍巖的強度和抗?jié)B性能，保證隧道的長期穩(wěn)定。一般情況下，應采用強度等級不低于32.5的水泥系漿材。在材料準備過程中，要嚴格把控材料的質量。對鋼管進行抽樣檢驗，檢查其力學性能和工藝性能，如屈服強度、抗拉強度、伸長率、冷彎性能等，確保其符合國家標準和設計要求。對注漿材料的原材料，如水泥、砂、水玻璃等，也要進行質量檢驗，確保其質量合格。水泥應無結塊、無受潮現(xiàn)象，其強度等級和凝結時間等指標符合要求；砂應質地堅硬、潔凈，含泥量和泥塊含量符合標準；水玻璃的模數和濃度應符合設計要求。同時，要注意材料的儲存和保管，防止材料受潮、變質或受到損壞，影響其性能和使用效果。4.1.3設備準備管棚施工所需設備主要包括鉆機和注漿泵等，這些設備的性能和狀態(tài)直接影響到施工的效率和質量。鉆機是管棚施工的關鍵設備，其選型應根據工程地質條件、管棚長度、直徑等因素綜合確定。常見的鉆機有潛孔鉆機、回轉鉆機、頂管鉆機等。潛孔鉆機具有鉆進速度快、成孔質量高、適應多種地層等優(yōu)點，在管棚施工中應用較為廣泛。在一些巖石硬度較高的地層中，潛孔鉆機能夠通過沖擊和回轉的方式，快速鉆進，提高施工效率。回轉鉆機則適用于較為松軟的地層，其通過回轉鉆頭切削土體進行鉆進，具有鉆孔精度高、操作簡單等特點。頂管鉆機主要用于長距離、大直徑管棚的施工，其能夠將鋼管直接頂入地層，減少了鉆孔和插管的工序，提高了施工效率，但設備成本較高。在選擇鉆機時，要確保鉆機的扭矩、推力、轉速等參數滿足施工要求，同時要考慮鉆機的穩(wěn)定性、可靠性和操作便利性。注漿泵也是管棚施工不可或缺的設備，其作用是將注漿材料以一定的壓力注入到鋼管和圍巖中。常用的注漿泵有活塞式注漿泵、螺桿式注漿泵、液壓式注漿泵等。活塞式注漿泵具有壓力高、流量大、結構簡單等優(yōu)點，適用于大流量、高壓力的注漿作業(yè)。螺桿式注漿泵則具有流量穩(wěn)定、壓力波動小、可輸送高粘度漿液等特點，在一些對注漿質量要求較高的工程中應用較多。液壓式注漿泵具有體積小、重量輕、操作方便、壓力調節(jié)范圍大等優(yōu)點，能夠適應不同的施工條件。在選擇注漿泵時，要根據注漿材料的性質、注漿壓力和注漿量的要求，選擇合適的注漿泵型號，確保其能夠滿足施工需求。在設備準備過程中，設備調試是至關重要的環(huán)節(jié)。在施工前，要對鉆機和注漿泵等設備進行全面的調試，檢查設備的各項性能指標是否正常。對于鉆機，要檢查其鉆進速度、扭矩、推力、鉆孔精度等參數是否符合要求，調試鉆機的操作系統(tǒng)，確保操作靈活、準確。對于注漿泵，要檢查其注漿壓力、流量、密封性等性能，調試注漿泵的壓力控制系統(tǒng)，確保能夠按照設計要求準確地控制注漿壓力和注漿量。還要檢查設備的各個部件是否連接牢固，潤滑是否良好，電氣系統(tǒng)是否安全可靠等。通過設備調試，及時發(fā)現(xiàn)和解決設備存在的問題，確保設備在施工過程中能夠正常運行，提高施工效率和質量。4.2施工流程4.2.1測量定位測量定位在管棚施工中起著至關重要的作用，是確保管棚準確安裝、發(fā)揮其支護作用的關鍵環(huán)節(jié)。測量定位的精度直接影響到管棚的布置位置和角度，進而影響到管棚對隧道圍巖的支護效果。若測量定位不準確，管棚可能無法有效支撐圍巖，導致隧道施工過程中出現(xiàn)坍塌等安全事故，因此，必須高度重視測量定位工作，嚴格按照相關標準和規(guī)范進行操作。在測量定位過程中，全站儀是常用的測量儀器之一。全站儀具有高精度、高效率、多功能等優(yōu)點，能夠快速、準確地測量出管棚的位置和角度。使用全站儀時，首先要在隧道內設置控制點，控制點應選擇在穩(wěn)定的基巖或堅實的地面上，以確保測量的準確性。通過對控制點的測量和計算，確定管棚的孔位和外插角。具體操作如下：在隧道掌子面上，根據設計要求，利用全站儀放出管棚的孔位，并用紅漆標記；然后，將全站儀架設在控制點上，瞄準孔位，測量出孔位的坐標和高程；根據測量結果，計算出管棚的外插角，外插角的大小應根據隧道的地質條件、管棚的長度和直徑等因素綜合確定，一般為1°-3°。在測量過程中，要注意全站儀的對中、整平，確保測量數據的準確性。除了全站儀測量外，還可以采用其他輔助測量方法，如水準儀測量和鋼尺測量等。水準儀測量主要用于測量管棚孔位的高程，確保管棚在同一水平面上。鋼尺測量則用于測量管棚孔位之間的距離，保證管棚的間距符合設計要求。在實際施工中，通常將全站儀測量、水準儀測量和鋼尺測量相結合，以提高測量定位的精度。測量定位的精度要求非常嚴格，一般來說，孔位偏差應控制在±50mm以內，外插角偏差應控制在±1°以內。為了達到這些精度要求，在測量定位過程中，需要采取一系列的質量控制措施。要對測量儀器進行定期校準和維護，確保儀器的精度和性能符合要求。在測量前，要對測量數據進行復核，避免因數據錯誤導致測量結果偏差。在測量過程中，要嚴格按照操作規(guī)程進行操作，確保測量的準確性。測量完成后，要對測量結果進行檢查和驗證，如發(fā)現(xiàn)偏差，應及時進行調整。以某隧道工程為例，在管棚施工測量定位時，首先使用全站儀在隧道掌子面上精確放出管棚孔位，孔位偏差控制在±30mm以內。然后，用水準儀測量孔位的高程，確?？孜桓叱唐钤凇?0mm以內。在測量外插角時，通過多次測量和復核，將外插角偏差控制在±0.5°以內。通過嚴格的測量定位和質量控制，該隧道管棚施工順利進行，管棚支護效果良好，有效保證了隧道施工的安全和質量。4.2.2鉆孔鉆孔是管棚預支護施工中的關鍵環(huán)節(jié)，其質量直接影響到管棚的安裝和支護效果。在鉆孔過程中，選擇合適的鉆孔設備和工藝至關重要。鉆孔設備的選擇應根據工程地質條件、管棚長度、直徑等因素綜合確定。常見的鉆孔設備有潛孔鉆機、回轉鉆機、頂管鉆機等。潛孔鉆機適用于各種地層，尤其是巖石地層，其鉆進速度快、成孔質量高。在某隧道穿越硬巖地層的管棚施工中，采用潛孔鉆機進行鉆孔，能夠快速穿透巖石，且鉆孔的垂直度和孔徑精度都能滿足要求。回轉鉆機則更適合于較軟的地層，如砂土、粉質土等，其鉆孔過程較為平穩(wěn)，能夠保證鉆孔的精度。在軟弱土層中，回轉鉆機可以通過調整鉆進參數，實現(xiàn)精確鉆孔。頂管鉆機一般用于長距離、大直徑管棚的施工，它能夠將鋼管直接頂入地層，減少了鉆孔和插管的工序，提高了施工效率。在一些城市地鐵隧道的管棚施工中，由于隧道埋深較淺，周圍建筑物密集，采用頂管鉆機可以有效減少對周圍環(huán)境的影響。鉆孔工藝也有多種，常見的有回轉鉆進、沖擊鉆進等。回轉鉆進是通過鉆機的回轉裝置帶動鉆桿和鉆頭旋轉，切削巖土，實現(xiàn)鉆孔。這種工藝適用于較軟的地層，能夠保證鉆孔的精度和孔壁的穩(wěn)定性。在粉質土地層中，回轉鉆進能夠使鉆孔壁較為光滑，有利于后續(xù)管棚的安裝。沖擊鉆進則是利用沖擊器產生的沖擊力，使鉆頭沖擊巖土，破碎巖土實現(xiàn)鉆孔。沖擊鉆進適用于堅硬的巖石地層，能夠提高鉆進速度。在花崗巖地層中，沖擊鉆進可以快速破碎巖石，提高施工效率。在鉆孔過程中，有諸多注意事項。防止塌孔是關鍵問題之一。塌孔會導致鉆孔無法順利進行，影響施工進度，還可能對周圍地層造成破壞。為防止塌孔，在鉆孔前，應根據地層情況選擇合適的護壁措施。對于松散的砂土和粉質土地層，可以采用泥漿護壁，通過向鉆孔內注入泥漿，在孔壁形成一層泥皮，起到護壁的作用。在某隧道的管棚施工中，穿越松散砂土地層時，采用泥漿護壁，泥漿的相對密度控制在1.1-1.3之間，黏度控制在18-22s之間，有效地防止了塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。對于巖石地層，可采用套管護壁，將套管跟隨鉆頭一起鉆進，保護孔壁?？刂沏@孔的垂直度也非常重要，鉆孔偏斜會影響管棚的安裝和支護效果。在鉆孔過程中，應使用測斜儀等設備實時監(jiān)測鉆孔的垂直度，一旦發(fā)現(xiàn)偏斜，及時進行調整。還要注意鉆孔的速度和壓力，根據地層情況合理調整鉆進參數，避免因鉆進速度過快或壓力過大導致鉆孔質量問題。在鉆進過程中，要及時清理鉆孔內的巖屑和泥土，保證鉆孔的暢通。4.2.3管棚安裝管棚安裝是管棚預支護施工的重要環(huán)節(jié)，其安裝質量直接影響到管棚的支護效果和隧道施工的安全。管棚安裝的方法主要有頂進法和鉆進法，每種方法都有其特點和適用條件。頂進法是將鋼管通過頂進設備頂入鉆孔中。在采用頂進法時，首先要將鉆孔清理干凈，確保鉆孔內無雜物和積水。然后，將鋼管逐節(jié)連接，連接方式一般采用絲扣連接或焊接。絲扣連接時，要確保絲扣的質量和擰緊程度，防止在頂進過程中出現(xiàn)松動。焊接連接時，要保證焊接質量，焊縫應飽滿、牢固，無虛焊、漏焊等缺陷。連接好的鋼管通過頂進設備，如千斤頂等，頂入鉆孔中。頂進過程中，要控制好頂進的速度和方向，確保鋼管能夠準確地頂入設計位置。頂進法適用于鉆孔較為穩(wěn)定、地層條件較好的情況，其優(yōu)點是施工速度較快，能夠保證管棚的連續(xù)性。鉆進法是將鋼管作為鉆桿，在鉆進的同時將鋼管送入鉆孔中。這種方法適用于地層條件較為復雜、鉆孔易坍塌的情況。在采用鉆進法時，首先要選擇合適的鉆機和鉆頭，確保能夠順利鉆進。然后，將鋼管與鉆機連接，開始鉆進。鉆進過程中，要控制好鉆進的參數，如轉速、扭矩、壓力等，確保鋼管能夠順利地鉆進。鉆進法的優(yōu)點是能夠在鉆進的同時將鋼管送入鉆孔中，減少了單獨插管的工序，提高了施工效率。而且，由于鋼管是在鉆進過程中逐漸進入鉆孔的，能夠更好地適應地層條件，保證管棚的安裝質量。管棚連接的質量控制至關重要。管棚連接不牢固會導致管棚的整體性和承載能力下降，影響支護效果。在絲扣連接時，除了要確保絲扣的質量和擰緊程度外，還可以在絲扣處涂抹密封膠，防止地下水和泥漿進入絲扣，影響連接的牢固性。在焊接連接時，要嚴格按照焊接工藝要求進行操作，對焊接接頭進行探傷檢測，確保焊接質量符合要求。對于重要的管棚工程，還可以采用加強連接措施，如在鋼管連接處設置加強環(huán)等，提高管棚連接的強度和穩(wěn)定性。4.2.4注漿注漿是管棚預支護技術的關鍵環(huán)節(jié)之一，通過注漿可以使管棚與圍巖緊密結合，增強圍巖的穩(wěn)定性，提高管棚的支護效果。注漿材料和注漿工藝的選擇直接影響到注漿的效果。常用的注漿材料有水泥漿、水玻璃雙液漿等。水泥漿具有成本低、結石體強度高、耐久性好等優(yōu)點，是應用較為廣泛的注漿材料。一般采用強度等級不低于32.5的水泥，水灰比根據工程實際情況確定，通常在0.8-1.2之間。在一些對注漿速度和早期強度要求較高的工程中，可選用水泥-水玻璃雙液漿。這種漿液具有凝膠時間短、早期強度高的特點，能夠快速填充圍巖裂隙，提高圍巖的穩(wěn)定性。水泥漿與水玻璃的體積比一般為1:0.5-1:1，水玻璃的濃度一般為35-40波美度，模數為2.4-3.0。注漿工藝包括注漿設備的選擇、注漿壓力和注漿量的控制等。注漿設備一般采用注漿泵，常見的注漿泵有活塞式注漿泵、螺桿式注漿泵、液壓式注漿泵等?；钊阶{泵具有壓力高、流量大、結構簡單等優(yōu)點，適用于大流量、高壓力的注漿作業(yè)。螺桿式注漿泵則具有流量穩(wěn)定、壓力波動小、可輸送高粘度漿液等特點，在一些對注漿質量要求較高的工程中應用較多。液壓式注漿泵具有體積小、重量輕、操作方便、壓力調節(jié)范圍大等優(yōu)點，能夠適應不同的施工條件。在選擇注漿泵時，要根據注漿材料的性質、注漿壓力和注漿量的要求，選擇合適的注漿泵型號。注漿壓力和注漿量的控制是注漿工藝的關鍵。注漿壓力過小，漿液無法充分填充圍巖裂隙，影響注漿效果；注漿壓力過大，則可能導致圍巖破裂、漿液外溢等問題。注漿壓力應根據地層條件、管棚長度、注漿材料等因素綜合確定。在軟弱圍巖中，注漿壓力一般控制在0.5-1.5MPa之間；在較硬的圍巖中，注漿壓力可適當提高到1.5-3.0MPa。注漿量一般根據鉆孔的體積和圍巖的裂隙情況確定，通常為鉆孔圓柱體體積的1.5-2.0倍。在注漿過程中，要密切關注注漿壓力和注漿量的變化，當注漿壓力達到設計終壓，且注漿量達到設計注漿量的80%以上時，可停止注漿。還要注意注漿的順序，一般采用分段、間隔注漿的方式，先注下游孔，再注上游孔，先注邊孔，再注中間孔，確保漿液能夠均勻地填充圍巖裂隙。4.3施工質量控制4.3.1管棚質量檢測管棚質量檢測是確保管棚預支護效果的重要環(huán)節(jié)，其檢測方法和標準涵蓋多個方面，包括管棚的材質、安裝位置和連接質量等。在材質檢測方面，對于管棚所用鋼管，必須嚴格檢查其力學性能和工藝性能。每批鋼管進場時，都要按規(guī)定抽取試件進行檢驗，檢驗項目包括屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎性能等，其質量必須符合國家有關標準和設計要求。對鋼管的外觀進行檢查，要求鋼管表面應光滑，無裂縫、結疤、折疊、分層等缺陷，如有輕微的銹蝕、麻點等，其深度不得超過壁厚負偏差的一半。通過這些檢測，確保鋼管具備足夠的強度和穩(wěn)定性，能夠在隧道施工中承受相應的荷載。安裝位置的檢測至關重要。孔位偏差是一個關鍵指標，一般要求孔位偏差控制在±50mm以內。通過全站儀等測量儀器，在管棚施工過程中對每個孔位進行精確測量，確保管棚的安裝位置符合設計要求。若孔位偏差過大，可能導致管棚無法有效支撐圍巖，影響支護效果。外插角偏差也是重要的檢測內容，通常外插角偏差應控制在±1°以內。外插角過大或過小都會影響管棚的受力狀態(tài)和支護效果，通過測量儀器對管棚的外插角進行實時監(jiān)測和調整，保證外插角在允許范圍內。管棚的長度也需要進行檢測，確保其達到設計長度，滿足工程需求。管棚連接質量同樣不容忽視。對于采用絲扣連接的管棚，要檢查絲扣的擰緊程度，使用扭矩扳手進行扭矩檢測，確保絲扣連接牢固。還需檢查絲扣處是否有松動、變形等情況，如有問題及時處理。對于焊接連接的管棚，要對焊縫進行探傷檢測，常用的探傷方法有超聲波探傷、射線探傷等。超聲波探傷能夠檢測出焊縫內部的缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣等，射線探傷則可以更直觀地顯示焊縫內部的質量情況。根據探傷結果，判斷焊縫質量是否符合要求，若存在缺陷，及時進行補焊或返工處理。當檢測結果出現(xiàn)偏差時，需要采取相應的處理措施。對于孔位偏差和外插角偏差超出允許范圍的管棚，若偏差較小，可以通過調整后續(xù)管棚的安裝位置和角度進行彌補；若偏差較大，則需要重新鉆孔安裝管棚。對于管棚長度不足的情況，應采取接長措施，確保管棚長度滿足設計要求。對于連接質量不合格的管棚，如絲扣連接松動，應重新擰緊絲扣，并進行扭矩檢測；如焊縫存在缺陷，應進行補焊后重新探傷，直至合格為止。通過嚴格的管棚質量檢測和及時的處理措施，確保管棚預支護的質量，為隧道施工的安全提供保障。4.3.2注漿效果檢測注漿效果檢測是評估管棚預支護質量的關鍵環(huán)節(jié)，它直接關系到管棚與圍巖的粘結效果以及圍巖的加固程度，常用的檢測方法包括取芯檢測和物探檢測等。取芯檢測是一種較為直觀的檢測方法。在注漿完成后，達到一定的養(yǎng)護時間后，使用鉆機在管棚周圍的圍巖中鉆孔取芯。通過觀察取出的巖芯，判斷漿液的擴散范圍和固結情況。如果巖芯中漿液填充飽滿，說明注漿效果良好；若巖芯中存在空洞或漿液填充不密實的情況，則表明注漿效果不佳。對巖芯進行抗壓強度測試，通過測試結果評估注漿后圍巖的強度是否達到設計要求。在某隧道工程中，取芯檢測發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域的巖芯中漿液填充率達到90%以上，抗壓強度較注漿前提高了50%，說明該區(qū)域的注漿效果良好；而在另一部分區(qū)域，巖芯中存在較多空洞，漿液填充率僅為60%，抗壓強度提升不明顯，需要對該區(qū)域進行補注漿處理。物探檢測則是利用地球物理方法對注漿效果進行間接檢測。常用的物探方法有地質雷達和聲波透射法。地質雷達通過發(fā)射高頻電磁波，根據電磁波在不同介質中的反射特性，判斷圍巖中漿液的分布情況和注漿體的完整性。在地質雷達圖像中，注漿效果良好的區(qū)域表現(xiàn)為連續(xù)、均勻的反射信號；而存在缺陷的區(qū)域則會出現(xiàn)異常反射信號，如反射波增強、反射界面不連續(xù)等。聲波透射法是通過在管棚內和圍巖中布置聲波發(fā)射和接收裝置，根據聲波在不同介質中的傳播速度和能量衰減情況，判斷注漿體的密實度和完整性。當注漿體密實、與圍巖粘結良好時，聲波傳播速度較快，能量衰減較??；反之，聲波傳播速度會減慢，能量衰減增大。在某工程中，利用地質雷達檢測發(fā)現(xiàn)，隧道某段的管棚注漿體存在局部不密實的情況，通過聲波透射法進一步驗證后，確定了不密實區(qū)域的范圍，為后續(xù)的處理提供了依據。這些檢測結果對注漿質量的評估具有重要作用。通過取芯檢測和物探檢測，可以全面了解注漿體的擴散范圍、密實度、強度等情況，從而準確評估注漿質量。根據檢測結果，可以判斷注漿是否達到預期效果，是否需要進行補注漿或采取其他改進措施。如果檢測結果顯示注漿效果良好，說明管棚與圍巖能夠形成有效的共同承載體系，提高了圍巖的穩(wěn)定性；若檢測結果不理想，則需要分析原因，采取相應的措施進行改進，以確保管棚預支護的效果。4.3.3施工過程監(jiān)控施工過程監(jiān)控在管棚預支護施工中具有極其重要的意義，它能夠實時掌握施工情況，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，確保施工安全和質量。監(jiān)控內容涵蓋多個方面，包括位移監(jiān)測、應力監(jiān)測等。位移監(jiān)測主要是對隧道周邊圍巖和管棚的位移進行觀測。在隧道周邊布置位移監(jiān)測點，使用全站儀、水準儀等測量儀器，定期測量監(jiān)測點的位移變化情況。通過監(jiān)測數據，可以了解隧道周邊圍巖的變形趨勢，判斷圍巖是否穩(wěn)定。若圍巖位移過大或變形速率過快，可能預示著圍巖存在失穩(wěn)的風險，需要及時采取加強支護等措施。對管棚的位移也進行監(jiān)測，了解管棚在施工過程中的受力和變形情況。應力監(jiān)測則是通過在管棚和圍巖中安裝應力傳感器，監(jiān)測管棚和圍巖的應力變化。在管棚內安裝應變片，測量管棚的應力大小和分布情況；在圍巖中安裝壓力盒，監(jiān)測圍巖的壓力變化。通過應力監(jiān)測數據，可以分析管棚和圍巖的受力狀態(tài)，判斷管棚是否能夠有效地承擔圍巖壓力，以及圍巖的應力是否超過其承載能力。監(jiān)控方法多樣，儀器監(jiān)測是常用的方法之一。使用高精度的測量儀器和傳感器，如全站儀、水準儀、應變片、壓力盒等，對施工過程中的各項參數進行精確測量。這些儀器能夠實時采集數據，并通過數據傳輸系統(tǒng)將數據傳輸到監(jiān)控中心，便于施工人員及時掌握施工情況。人工巡查也是不可或缺的監(jiān)控方法。安排經驗豐富的施工人員定期對施工現(xiàn)場進行巡查，觀察管棚的安裝情況、注漿效果、圍巖的穩(wěn)定性等。人工巡查能夠發(fā)現(xiàn)一些儀器監(jiān)測難以察覺的問題，如管棚的連接部位是否松動、圍巖表面是否出現(xiàn)裂縫等。通過儀器監(jiān)測和人工巡查相結合的方式，實現(xiàn)對施工過程的全面監(jiān)控。監(jiān)控數據的分析和應用是施工過程監(jiān)控的關鍵環(huán)節(jié)。對采集到的監(jiān)控數據進行及時、準確的分析，繪制位移-時間曲線、應力-時間曲線等圖表，通過圖表直觀地展示施工過程中各項參數的變化趨勢。根據數據分析結果，判斷施工過程是否正常，是否存在安全隱患。若發(fā)現(xiàn)位移或應力異常，及時分析原因，采取相應的處理措施。當發(fā)現(xiàn)隧道周邊圍巖位移過大時，可能是管棚支護效果不佳或圍巖自身穩(wěn)定性較差，此時需要加強支護，如增加管棚數量、縮短管棚間距、提高注漿壓力等；若發(fā)現(xiàn)管棚應力過大，可能是管棚的承載能力不足，需要調整管棚的參數，如增大管棚直徑、增加管棚壁厚等。監(jiān)控數據還可以為后續(xù)的施工提供參考，通過對監(jiān)控數據的總結和分析，不斷優(yōu)化施工工藝和參數，提高施工質量和效率。五、管棚預支護技術應用案例分析5.1案例一：[具體隧道名稱1]5.1.1工程概況[具體隧道名稱1]位于[具體地點]，是[工程名稱]的關鍵組成部分，全長[X]米，采用雙洞單向行車設計，單洞凈寬[X]米，凈高[X]米。該隧道的建設對于完善當地交通網絡，促進區(qū)域經濟發(fā)展具有重要意義。該隧道穿越的地質條件極為復雜，主要地層包括第四系全新統(tǒng)坡積碎石土、三疊系泥巖夾頁巖以及泥巖夾泥灰?guī)r。隧道區(qū)處于[具體大地構造單元]，受背斜構造影響，巖體小褶曲發(fā)育，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，局部產狀紊亂。這種復雜的地質構造使得隧道施工面臨諸多挑戰(zhàn)。隧道施工區(qū)域內的地下水類型主要為基巖裂隙水和巖溶水?；鶐r裂隙水主要賦存于風化裂隙和節(jié)理裂隙帶中，巖溶水則存在于巖溶弱-中等發(fā)育地帶，主要靠大氣降水補給，且無侵蝕性。但豐富的地下水增加了隧道施工的難度和風險，容易引發(fā)涌水、突泥等災害。在該隧道施工中，面臨著多個施工難點。隧道穿越的泥巖夾頁巖和泥巖夾泥灰?guī)r地層，巖石強度較低，自穩(wěn)能力差，在隧道開挖過程中極易發(fā)生坍塌，嚴重威脅施工安全。復雜的地質構造導致巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得隧道支護難度加大，需要采取有效的支護措施來確保圍巖的穩(wěn)定性。地下水豐富，涌水、突泥等災害發(fā)生的可能性較大，這不僅會影響施工進度，還可能對施工人員的生命安全和施工設備造成嚴重威脅。5.1.2管棚預支護方案設計針對該隧道復雜的地質條件和施工難點，經過詳細的地質勘察和專家論證，最終確定采用管棚預支護技術。管棚設計參數的確定是確保支護效果的關鍵。選用直徑為108mm的熱軋無縫鋼管，這種鋼管具有強度高、韌性好的特點，能夠在復雜地質條件下承受較大的荷載。鋼管壁厚為6mm，以保證其足夠的剛度。管棚長度根據隧道穿越的軟弱破碎圍巖厚度確定為30m，這樣的長度能夠有效穿越軟弱地層，為隧道開挖提供可靠的支護。管棚環(huán)向間距設定為40cm，既能保證管棚之間的相互協(xié)同作用，又能在經濟合理的前提下達到較好的支護效果。設計方案的選擇依據充分考慮了隧道的地質條件、施工要求以及經濟性等多方面因素。由于隧道穿越的地層軟弱破碎，自穩(wěn)能力差，需要采用剛度較大的管棚來增強圍巖的穩(wěn)定性。直徑108mm的熱軋無縫鋼管能夠滿足這一要求，其較大的管徑和壁厚可以提供足夠的承載能力。管棚長度30m是根據軟弱破碎圍巖的實際厚度確定的，確保管棚能夠完全覆蓋軟弱地層，有效防止圍巖坍塌。環(huán)向間距40cm則是在保證支護效果的同時，綜合考慮了施工成本和施工難度。通過數值模擬分析和工程類比，這一間距能夠使管棚之間形成有效的承載體系，共同承擔圍巖壓力。在設計過程中，還采取了一系列優(yōu)化措施。為了增強管棚的剛度和強度，在管棚內設置了鋼筋籠，并采用水泥砂漿填充。鋼筋籠的設置可以提高管棚的抗彎能力，水泥砂漿的填充則進一步增強了管棚的整體性和承載能力?？紤]到隧道施工過程中可能出現(xiàn)的各種情況，如圍巖變形過大、管棚受力不均等，對管棚的布置方式進行了優(yōu)化。在隧道拱頂和拱腰部位適當加密管棚，以提高這些關鍵部位的支護強度。在施工過程中，還根據現(xiàn)場監(jiān)測數據，實時調整管棚的支護參數，確保管棚預支護的效果。5.1.3施工過程與效果在[具體隧道名稱1]的管棚施工過程中，嚴格按照既定的施工工藝流程進行操作。首先進行測量定位，使用全站儀在隧道掌子面上精確放出管棚的孔位，孔位偏差控制在±30mm以內，確保管棚的安裝位置準確無誤。根據地質條件，選用潛孔鉆機進行鉆孔作業(yè)。在鉆孔過程中，采用泥漿護壁的方式防止塌孔，通過調整泥漿的相對密度和黏度，使泥漿的相對密度控制在1.1-1.3之間，黏度控制在18-22s之間，有效地保證了鉆孔的順利進行。鉆孔完成后，進行管棚安裝，采用頂進法將管棚逐節(jié)頂入鉆孔中。管棚連接采用絲扣連接，在絲扣處涂抹密封膠，確保連接牢固，防止地下水和泥漿進入絲扣，影響連接的穩(wěn)定性。安裝完成后，進行注漿作業(yè)，選用水泥漿作為注漿材料，水灰比控制在1:1。注漿壓力根據現(xiàn)場實際情況控制在0.5-1.5MPa之間，確保漿液能夠充分填充圍巖裂隙。在施工過程中，采取了多項質量控制措施。對每一根管棚的材質進行嚴格檢驗，確保其符合設計要求。在管棚安裝過程中，使用測量儀器實時監(jiān)測管棚的外插角，確保外插角偏差控制在±1°以內。在注漿過程中，密切關注注漿壓力和注漿量的變化，當注漿壓力達到設計終壓，且注漿量達到設計注漿量的80%以上時，才停止注漿。通過這些質量控制措施，保證了管棚施工的質量。施工完成后，通過多種監(jiān)測手段對管棚預支護的效果進行了評估。在隧道周邊布置位移監(jiān)測點，使用全站儀和水準儀定期測量監(jiān)測點的位移變化情況。監(jiān)測數據顯示，采用管棚預支護后，隧道周邊圍巖的位移得到了有效控制，拱頂下沉量和周邊收斂量均在允許范圍內，證明管棚有效地抑制了圍巖變形。通過地質雷達對管棚注漿效果進行檢測，結果表明，注漿體填充飽滿，管棚與圍巖緊密結合，形成了有效的共同承載體系，提高了圍巖的穩(wěn)定性。在隧道施工過程中，未發(fā)生坍塌、涌水等事故，施工進度順利，進一步驗證了管棚預支護技術在該隧道施工中的有效性。5.2案例二：[具體隧道名稱2]5.2.1工程概況[具體隧道名稱2]坐落于[具體地點]，作為[工程名稱]的重要組成部分，其建設對于促進區(qū)域交通互聯(lián)互通，帶動沿線經濟發(fā)展具有不可替代的作用。該隧道全長[X]米，采用雙向四車道設計，單洞凈寬[X]米，凈高[X]米。該隧道穿越的地質條件極為復雜，給施工帶來了諸多嚴峻挑戰(zhàn)。地層主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質黏土、砂質黃土，上第三系粉質黏土、泥巖，白堊系泥巖、砂巖等構成。這些地層巖性差異較大，力學性質復雜，增加了隧道施工的難度。隧道區(qū)域處于[具體大地構造單元]，地質構造活動頻繁，褶皺、斷層等構造發(fā)育。受構造影響，巖體破碎，節(jié)理裂隙縱橫交錯，進一步降低了圍巖的穩(wěn)定性。隧道施工區(qū)域內的地下水類型主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水賦存于砂質黃土和砂層中，水量較大；基巖裂隙水則存在于基巖的節(jié)理裂隙中，受地形和構造控制，分布不均。豐富的地下水不僅增加了施工難度，還容易引發(fā)涌水、突泥等災害，嚴重威脅施工安全。在施工過程中，該隧道面臨著多個施工難點。穿越的砂質黃土和粉質黏土等軟弱地層，自穩(wěn)能力極差，在隧道開挖過程中極易發(fā)生坍塌，需要采取有效的支護措施來確保施工安全。復雜的地質構造導致巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得隧道支護難度大幅增加，常規(guī)的支護方法難以滿足工程需求。地下水豐富，涌水、突泥等災害發(fā)生的可能性極大，一旦發(fā)生，將對施工進度和人員安全造成嚴重影響。5.2.2管棚預支護方案實施針對[具體隧道名稱2]復雜的地質條件和施工難點，經過專家團隊的深入研究和論證，最終確定采用管棚預支護技術，并結合隧道的實際情況，精心設計了管棚預支護方案。管棚設計參數的確定是方案的關鍵。選用直徑為127mm的熱軋無縫鋼管，這種鋼管具有較高的強度和剛度，能夠在復雜地質條件下有效地承擔圍巖壓力。鋼管壁厚為8mm，進一步增強了其承載能力。管棚長度根據隧道穿越的軟弱破碎圍巖厚度和地質構造情況確定為40m，確保管棚能夠穿越軟弱地層，為隧道開挖提供可靠的支護。管棚環(huán)向間距設定為50cm，既能保證管棚之間的協(xié)同作用，又能在經濟合理的前提下達到較好的支護效果。在施工過程中，嚴格按照施工工藝流程進行操作。首先進行測量定位，使用全站儀在隧道掌子面上精確放出管棚的孔位，孔位偏差控制在±30mm以內，確保管棚的安裝位置準確無誤。根據地質條件，選用潛孔鉆機進行鉆孔作業(yè)。在鉆孔過程中，采用套管護壁的方式防止塌孔，確保鉆孔的順利進行。鉆孔完成后，進行管棚安裝，采用頂進法將管棚逐節(jié)頂入鉆孔中。管棚連接采用焊接連接，確保連接牢固，焊縫飽滿，無虛焊、漏焊等缺陷。安裝完成后，進行注漿作業(yè)，選用水泥-水玻璃雙液漿作為注漿材料。這種漿液具有凝膠時間短、早期強度高的特點，能夠快速填充圍巖裂隙，提高圍巖的穩(wěn)定性。水泥漿與水玻璃的體積比為1:0.8，水玻璃的濃度為38波美度，模數為2.8。注漿壓力根據現(xiàn)場實際情況控制在1.0-2.0MPa之間，確保漿液能夠充分填充圍巖裂隙。在施工過程中，還采取了多項質量控制措施。對每一根管棚的材質進行嚴格檢驗，確保其符合設計要求。在管棚安裝過程中，使用測量儀器實時監(jiān)測管棚的外插角，確保外插角偏差控制在±1°以內。在注漿過程中，密切關注注漿壓力和注漿量的變化，當注漿壓力達到設計終壓，且注漿量達到設計注漿量的80%以上時，才停止注漿。通過這些質量控制措施，保證了管棚施工的質量。5.2.3應用效果評估[具體隧道名稱2]采用管棚預支護技術后，取得了顯著的應用效果。通過在隧道周邊布置位移監(jiān)測點，使用全站儀和水準儀定期測量監(jiān)測點的位移變化情況。監(jiān)測數據顯示，采用管棚預支護后，隧道周邊圍巖的位移得到了有效控制，拱頂下沉量和周邊收斂量均在允許范圍內，與未采用管棚預支護的地段相比，位移量明顯減小。在某段隧道施工中，采用管棚預支護的區(qū)域拱頂下沉量最大為15mm，周邊收斂量最大為10mm；而未采用管棚預支護的對比區(qū)域，拱頂下沉量最大達到30mm，周邊收斂量最大為20mm。這充分證明了管棚有效地抑制了圍巖變形，提高了圍巖的穩(wěn)定性。通過地質雷達對管棚注漿效果進行檢測，結果表明，注漿體填充飽滿，管棚與圍巖緊密結合，形成了有效的共同承載體系。對注漿后的圍巖進行取芯檢測，巖芯中漿液填充率達到90%以上，抗壓強度較注漿前提高了60%，進一步驗證了注漿效果良好。在隧道施工過程中，未發(fā)生坍塌、涌水等事故，施工進度順利，未出現(xiàn)因地質問題導致的停工情況，保證了工程按時竣工。該案例也為類似工程提供了寶貴的經驗教訓。在管棚施工前，必須進行詳細的地質勘察，準確掌握地質條件，以便合理設計管棚參數。在本案例中，通過詳細的地質勘察，確定了管棚的長度、直徑和間距等參數，為管棚預支護的成功實施奠定了基礎。施工過程中，要嚴格控制施工質量，確保管棚的安裝和注漿質量。在本案例中，通過對管棚材質的嚴格檢驗、對外插角的實時監(jiān)測以及對注漿壓力和注漿量的精確控制，保證了管棚施工的質量。要加強施工過程中的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的措施。在本案例中，通過對隧道周邊圍巖位移和管棚應力的實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理了一些潛在的問題，確保了施工安全。六、管棚預支護技術的優(yōu)化與展望6.1技術優(yōu)化策略6.1.1設計參數優(yōu)化管棚設計參數的優(yōu)化對于提升管棚預支護技術的效果至關重要，需要綜合考慮地質條件、隧道埋深、開挖方式等多方面因素，以實現(xiàn)支護效果和經濟成本的平衡。在地質條件復雜多變的情況下，管棚的管徑和間距需根據具體情況靈活調整