摘要：介绍了超前管棚法的加固机理和施工效果检查。并结合北京地铁西单车站的施工实例说明了超前管棚即采用大管棚+地表注浆处理塌方体的方法在超前支护体系中重要作用。 关键字：超前管棚 支护 加固
Abstract: The article introduces the advanced reinforced mechanism of pipe roof method and construction effect inspection. Combined with the Xidan subway station construction of Beijing examples to explain the advanced reinforced mechanism of pipe roof method plays an important role in the Advanced supporting advance system.
Key word: advanced pipe roofsupportingreinforcement
中图分类号： TU94+2文献标识码：A文章编号：
1.管棚法的支护机理
管棚法是地下结构工程浅埋暗挖时采用的一种超前支护技术,其实质是在拟开挖的地下隧道或结构的衬砌拱圈隐埋弧线上,预先设惯性力矩较大的厚壁钢管,起临时超前支护作用,防止土层坍塌和地表下沉,以保证掘进和后续支护工艺安全运作。当遇到软岩破碎地层时,管棚结合围岩预注浆可成为有效的施工方法(管棚注浆法)。由于该工法具有不需要大型机具设备、工艺简单、见效快等特点,因此在地下工程软弱围岩施工中被广泛采用。采用管棚注浆法能显著抑制松软地层的变形,减少隧道初期支护结构的变形和受力。
1.1加固圈的形成
加固圈的形成管棚注浆法中钢管是沿隧道开挖轮廓周边,间隔一定的间距,沿洞轴以一定的外插角呈外插状分布。钢管起双重作用,一是起超前管棚作用;二是起注浆管的作用。这样通过注浆加固围岩,拱顶以上被加固密实,形成结实体,整体稳定性增大,加之管棚的临时支护作用,可达到理想的开挖条件。管棚注浆通常采用单排管,若假定浆液的扩散半径为R,相邻两注浆孔间距为S,则可计算出加固圈的厚度E值,即：
1.2加固作用机理研究
对于松散地层,隧道开挖后,围岩会发生片帮冒顶,形成松动压力,其中比较有代表性的理论是岩柱理论和普氏压力拱理论。岩柱理论认为在松散地层开挖后,由于洞顶下沉及岩柱两侧摩擦力的存在,使顶部岩体卸载,而两侧岩层加载,该理论适合于埋深极浅的隧道。根据岩柱理论,隧道开挖后边墙侧压很大,故应加强对隧道墙部的支护。普氏理论适合于埋深较浅的隧道.普氏理论认为,隧道开挖后,顶部岩体失去稳定,产生坍塌,并形成自然拱。随之,隧洞两侧由于应力集中而逐渐破坏。因此,顶部坍塌进一步扩大形成塌落拱。见图1,如果隧道开挖后及时支护,按照挡土墙原理,侧面岩石的破裂面与垂直轴的夹角为 ,顶部的破坏则介于自然拱和塌落拱之间,而破坏拱以内的岩石自重即为作用在隧道支护上的围岩压力。根据普氏理论，对上覆围岩破碎且埋深较浅的隧道，隧道开挖后，拱部易形成坍塌拱，因此应加强对隧道拱顶的支护。采用管棚注浆法进行超前预定加固时，加固圈将起到“承载拱”的作用，承受拱上部的岩层重量，使拱内部围岩与支护系统处于免压状态，拱内部围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧洞方向的变形引起的形变压力。当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管，且沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固圈的变形较小,因此隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。
另外，在管棚进口端一般加有套拱基础,另一端伸入到隧道围岩较为完整、坚硬处,这样就可以对上部破碎软弱岩石形成一个稳定的超静定支撑结构。根据理论研究可以认为一端为固定端，另一端为可动铰支。对它的承力计算也是基于这个模型。
2.管棚施工的方向控制及管棚效果检查
2.1管棚方向的控制措施
a)套拱工字钢架必须制作良好,不能出现变形和误差。
b)安放拱架时,底面要铺垫一定厚度的混凝土垫层,其作用一是防止拱架下沉,二是便于放线定位,要求垫层平整度在3ｍｍ以内。
c)钻孔作业在套拱强度达70%后方可进行。d)钻孔时应自下而上进行,使下部注浆体有力地支托上部的钻进和顶管,防止下扰。
2.2管棚效果检查
(a)检测项目的确定
在施作预支护的隧道工程中，应设置专门的检测项目。管棚施工地段，要求检测的项目较多。其中拱顶下沉和净空变化为必测项目，其余的检测项目只可适当减少些测点，但属于不可缺少项目。
(b)检测的目的
1)实测预支护系统中各构件的应力、应变和荷载数值。可直接与各构件材料的容许值进行比较，以验证和检查预设计参数。
2)根据检测信息进行施工管理，确保施工安全和工程质量。
3)鉴于隧道预支护设计方法尚不成熟，特别是管棚预支护在国内的实践较少更须探索检测技术，累积检测数据，总结设计和施工的经验，以逐步充实和完善预支护的设计理论和检测、施工技术。
3.北京地铁西单车站管棚应用
国内，铁道部第十六工程局在北京地铁西单车站应用大管棚法施工获得了很大的成功。北京地铁西单车站，处于永定河冲洪积扇的脊部地带，车站洞体通过的地层主要为粉、细、砾砂及可塑状的粘土，部分为软塑至流塑状粘性土及潮湿至饱和状的中砂和圆砾土。施工过程中发现一条南北向古河道横穿于车站上部，还有辽代古墓穴，墓底距车站拱顶仅0.50ｍ。地下水分两层，第一层为上层滞水，水位不高，受地层结构及大气降水、管网漏水的影响，其水位一般在地面以下5-15ｍ：第二层为潜水，埋藏于地面以下21-23ｍ，年变化幅度1.5-3ｍ。施工过程中发现地下水位上升高幅较大，潜水位漫过车站底板1.5-3ｍ，同时发现多处上下管道因年久失修而大量漏水，给施工带来了较大困难。车站顶部最大土层仅6ｍ，其间管网密布，共有电力、通讯、煤气、上下、污水等各种管网线路28条，其中直径最大的（D1640mm雨污水管置于车站顶部40-100cm处。西单路口为北京市繁华地段，日集散人数达到20万人次，高峰人流量达2万余人1小时；机动车辆高峰流量超过8000辆／小时：自行车高峰流量超过2万辆／小时。环境因素影响对工程制约是很大的。在施工中，为了严格地把地表下沉量控制在3cm以内，采用了大管棚与小导管注浆相结合的超前预加固技术，主要技术参数为：管棚采用Ø115ｍｍ，壁厚大于4.5ｍｍ的大钢管，每节长6ｍ，钢管间距25-35cm。土星钻精度为6蕊，钻孔深度20ｍ-700ｍ ，不论施钻精度、质量、效率等都较以往有较大提高。从现在的眼光看，西单地铁车站的管棚施工也存在不足，管棚只起到管棚架的棚架作用，不能够注浆，注浆加固采用小导管来完成。这没有充分发挥管棚的作用，同时还费工、费时、费料。
综上所述根据塌方段的工程地质特点，决定采用大管棚+地表注浆处理塌方体，在拱部开挖轮廓线外施作 108 6mm大管棚，管棚间距40cm，并附以超前预注浆加固塌方体，形成大管棚与超前预注浆的联合支护体系，在拱顶四周围形成一个稳定可靠安全的固结壳，是保证开挖安全，提高施工进度和防止塌方进一步扩大的关键。这两种方法相互作用，形成一个整体。注浆能改善松软破碎岩层的物理力学性质，管棚起双重作用，一是起超前管棚作用；二是起注浆管作用。这样加固围岩在隧道拟开挖轮廓上部形成具有较强承载能力的加固带。
结语：
超前管棚在软弱松散地层和不良地层以及塌方题中掘进隧道得到很好的应用。结合注浆等方法能有效地限制地表沉陷，并全面保持加固地层在稳定状态下开挖隧道。实践表明：超前预支护体系在薄覆盖的软弱松散上层和不良地质地层以及城市地铁中掘进隧道得到了很好的应用，而超前管棚起到了预支护体系中的“骨架”作用，对整个超前预支护体系的效果起决定性作用。
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