目录
1 前言
2 方案比选
3 方案特点
4 施工工艺流程及操作要点
5 主要结论和创新点
根据地质钻探SGZK-NYSSD-6钻孔资料和连续超前地质预报表明，南阳山隧道SK50+477～435.5段洞身穿越泥岩及砂砾交界地层。拱顶泥岩层围岩节理发育，岩性软弱，厚度0.6～2.0m不等，泥岩之上的砂砾层厚度22m左右，砂砾层主要由砾石及砂粒组成，砾石含量55%左右，钻孔岩芯采取率低，岩芯呈散体状，砂砾岩胶结较差，砂砾层松散、富水。施工中泥岩层渗水，遇水软化，产生收敛变形，局部可能出现线状水流、涌水现象，隧道洞室开挖若拱顶揭穿该层极易产生冒顶塌方现象，围岩稳定性极差。为规避隧道施工风险，保证隧道安全施工，寻求安全、经济、合理超前预支护方案穿越松散砂砾地层。
随着高速公路建设的快速发展，公路隧道的修建里程也随之增加，与此同时，隧道穿越软弱破碎、松散、整体性较差围岩施工中面临的技术问题、技术难题也日渐突出，特别是在通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地层，施工难度大，施工风险较高，安全性差。因此选择合理的施工方案和支护参数，有效地控制施工引起地表沉降，保证地层安全稳定，尽量减少对周围建筑物或环境的影响，保证围岩软弱和浅埋地段等不良地质条件下隧道的安全施工是亟需解决技术难题。
1、预支护方案对比选择
隧道施工中顺利通过浅埋、软弱破碎岩体、塌方段等不良地层的预支护方法众多，常规施工方法有超前小导管、超前锚杆、钻孔注浆等预支护体系,但支护效果在减少对周围建筑物的影响、有效保证地层安全稳定性、控制地表沉降、支护体系自身承载能力等方面不尽相同。
2、超前锚杆或超前小导管
超前锚杆或超前小导管，施工方法为沿隧道开挖轮廓线拱圈外纵向以一定外插角向前方打入锚杆或小导管，以撑托拱部以上临空围岩，起插板作用，通过锚杆或导管注浆固结一定范围围岩，提高围岩自承能力，提高围岩稳定性。可与格栅钢架、混凝土共同组成预支护系统，具有类似管棚的支护作用，但一次超前预支护一般为1～3m，加固洞壁范围围岩有限，预支护能力较弱。
3、超前钻孔注浆
超前钻孔注浆预加固地层是把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具设备压入所需加固的地层中，经过凝胶硬化作用后充填和堵塞地层中缝隙，减小注浆区地层渗水系数及隧道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱和松散岩体，注浆孔深一般在15～30m。使围岩强度和自稳能力得到提高，在加固地层、封堵水源方面效果较佳，但固结围岩自承能力有限。
4、管棚
管棚超前支护的基本工作原理是在开挖洞顶轮廓线以外一定角度范围内，环向按照一定的间距超前打入钢管，并通过钢管向松散岩层内压注水泥浆液，固结管棚周边的围岩，改善松散破碎岩层的物理力学性质。环向钢管形成棚架，为开挖及初期支护作业提供了安全保障；浆液固结后的围岩和钢管共同组成了一个固结圈，从而在隧道的纵向和横向分别形成一个刚度较大的梁结构和拱结构，有效提高围岩的承载力及自稳能力，减小围岩的变形，提前承受早期围岩压力，起到超前支护的作用，以抵挡隧道开挖后产生的围岩压力和变形。同时，隧道开挖后与钢架一起共同组成刚度较大的预支护结构。
◆通过以上施工方案对比分析，隧道在穿越松散砂砾层时，通过注浆改善松散破碎岩层的物理力学性质，在拟开挖段上方形成具有较强承载能力的整体排架式加固拱圈，能阻止和限制围岩变形，要求预支护体系自身能提前承受早期围岩压力，起到超前支护的作用，保证隧道施工安全，采用管棚法较为安全和合理。
一般洞口工程选择φ89mm或φ108mm管径钢管，但必须根据隧道穿越地层围岩状况、施工位置、管棚自身承载能力、穿越能力、施工安全和工期要求等特设条件，选择钢管直径。南阳山隧道穿越砂砾地层段落地处洞内，洞身所穿越地层为松散、富水砂砾层，砂砾层无任何自承能力，要求管棚自身受力能力要强，加之施工位置特殊，工期要求较紧，管棚自身受力能力必须保证隧道安全施工，最终选择φ133mm长大管棚。
●大管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢拱架作为横向环形支撑,构成纵、横整体,刚度较大,能阻止和限制围岩变形,并能提前承受早期围岩压力，施工安全可靠。
●大管棚一次超前量较大,支护过程中搭接较少,节省材料。亦可减少安装钢管次数,并减少与开挖作业之间的干扰,适用于大中型机械进行大断面开挖。
●与其它支护方法相比，管棚支护技术机具简单及工艺简单，工期短、效率高，支护效果好，经济和社会效益明显。
●大管棚施工可预知管棚范围内复杂围岩的准确情况,对随后的注浆、开挖提供第一手地质资料,有利于施工方案的确定。
施工工艺流程
施工技术准备
施工材料设备准备
管棚工作室制作
搭设操作平台
测量定位
钻机就位
管棚加工
钻孔与清孔
管棚安装
浆液制备与注浆
隧道开挖
隧道监控量测
管棚采用直径φ133mm无缝钢管，壁厚大于6mm ,管棚环向间距35cm，管棚采用分段制作，丝扣连接,每节长度为3～5m。隧道断面拱部150°范围内布置管棚，每环管棚51根，根据隧道穿越砂砾层长度分两个循环施作超前大管棚。第一循环管棚布置在SK50+483m掌子面上，管棚长度为18m，外插角5～8°（如图一）；第二循环管棚布置在SK50+468m处掌子面上，管棚长度为37.5m，外插角1～3°（如图二）。第一环管棚与第二环管棚搭接长度3m，第二环管棚穿越砂砾层后，伸入泥岩层5m（如图三）。
制作管棚工作室的同时，将施工所需空压机、潜孔钻机、钻机液压系统、管棚加工车床、钻机平台机架及管棚钢管准备到位。检查、调试、安装各种机械设备，保证机具施工过程运转正常。将φ133mm、φ127mm无缝钢管进场，对无缝管外观质量、壁厚等进行验收，保证合格材料进场，并进行管棚钢管、连接钢管的车丝和加工。
隧道洞口进行管棚施工时，须采用套拱作为管棚导向墙。明洞开挖至明暗交接处时，预留管棚施工平台，为保证棚打设精度，一般明洞衬砌外缘设计管棚导向套拱。而隧道洞内施作管棚较洞外复杂，为保证管棚施工安全，根据超前地质预报资料，准确判断隧道穿越砂砾层桩号及段落，隧道开挖未进入砂砾层之前必须完成隧道扩挖，完成管棚工作室制作。同时保证管棚工作室段落支护结构安全，对管棚工作室布点进行监控量测。
根据管棚钻机长度、高度、管棚施作角度等提前扩挖隧道断面，形成管棚工作室，工作室长度和高度必须满足管棚施工占用空间和搭设管棚施工平台要求，空间过小影响管棚角度，从而影响管棚施工质量。
根据管棚工作室与管棚施工掌子面距离，将管棚工作平台及支架搭设完成,将钻机导梁固定于支架上,通过调整支撑杆来调整导梁的倾角,满足管棚设计倾角需要。再将钻机固定于导梁上,工作平台搭建和安装必须牢固、稳定，保证施工过程安全，防止施工中钻机振动过大发生偏移和倾斜，影响管棚钻孔角度。
洞内管棚一般无管棚导向墙,不规则断面管棚施钻点放样较为困难，采用全站仪免棱镜三维坐标进行管棚钻点放样，先在孔口附近测量任意点三维坐标，根据测点桩号与理论钻点桩号差、测点与中线偏距、理论钻点与中线偏距、管棚外插角的水平分角、竖直分角等，计算出实际掌子面放样点的三维坐标，进行管棚施工放样，解决了不规则断面管棚钻点定位难题，大大提高放样速度和放样准确度。现场实地放样每根管棚的具体位置,采用水泥钉作准确标记，并用醒目的油漆对空口位置作明显标识，对管棚位置进行编号。
钻机就位时根据施工放样准确位置安装和固定钻机，并严格进行机位调整。H型钢轨找平误差±3mm，底盘对角线误差±3mm，四柱对角误差±5mm。
采用三维空间控制钻机就位和钻孔，保证管棚打入角度精度。钻机入孔的方位角及倾角必须根据测量数据严格控制，保证打入管棚角度符合要求，钻杆前端准确就位于测量放样点位，钻机后端根据三维坐标测量数据严格调整水平分角和竖直分角，保证钻孔角度符合要求。为避免钻杆及钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象, 钻孔角度可根据地质条件和钻孔情况作适当调整, 并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。
管棚钢管采用φ133mm无缝钢管，分段管棚长度应为3的倍数较合适，可以减少材料浪费。管棚钢管加工成每节长为3.0～5.0m之间，管口丝扣车深度为6cm母扣，管体每0.5m梅花状设注浆孔，孔径大小1.0cm，连接管采用φ127×8mm无缝钢管，公扣长12cm。
根据管棚穿越泥岩及砂砾层地质条件，泥岩层含水量较大、粘性强，无水干钻法容易出现抱钻现象，而砂砾层富水、松散，成孔难度大，钻孔过程易出现塌孔、卡钻现象，采用先成孔后送管方式，虽工艺简单，但钻孔过程存在塌孔现象，送管困难，根据特殊地层条件，钻孔中需解决抱钻、塌孔、卡钻等难题，成孔后需解决送管过程钢管与孔壁摩阻力大难题，且一次送管长度达到37.5m，最终采用国内较为先进的潜孔锤冲击跟管钻进施工工艺成孔和送管。
钻进时潜孔冲击器震动冲击中心钻头，中心钻头传递冲击给管棚钻头并带动管棚钢管钻头转动钻进，每根管棚之间靠螺纹连接到钻孔所需的长度，管棚与回转动力头无连接。冲击器与内钻杆联接，内钻杆联接到钻孔所需的长度通过连接头的内螺纹与回转动力头连接，回转动力头通过连接头传递扭矩给管棚和钻杆，钻进时的排渣通过管棚和内钻杆的间隙排出，当钻进到所需长度时，反向旋转内钻杆90度即可将中心钻头与管棚钻头分离，将内钻杆全部取出孔外，即可将管棚留在孔内。
采用跟管钻进施工方案的同时，为保证φ133大管径钢管顺利穿越松散砂砾地层,送管长度符合要求，采用水泥浆液护壁钻孔，水泥浆液对孔壁取润滑作用，减小钻进过程钢管与孔壁摩阻力，浆液渗入围岩能起到固结作用，提高围岩稳定性和整体性，进一步减少钻孔过程易塌孔、卡钻现象，解决了砂砾层中普通钻孔工艺成孔困难难题。
安装每节钢管前必须进行质量检查，管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好，管材内的铁屑、杂物及锈皮等必须清除干净。
钻进中，每次加尺时要观察丝扣连接是否紧密，如果松动和间隙，将丝扣拧紧并进行焊接，保证跟管钻进过程不掉管。
完成管棚钻孔和送管工作后，应及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实, 在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀。
◆浆液制备
提高注浆效果，注浆浆液采用水泥水玻璃浆液，水玻璃掺量为水泥重量5％，水泥浆液水灰比采用1:1；水玻璃浓度35波美度，模数为2.4。
制备浆液加水的同时，将水玻璃按一定比例加入搅拌筒，让水玻璃充分溶解，再加入水泥，搅拌时间2～3min。
配置好的浆液存放于低速搅拌器的储浆罐内，防止浆液随存放时间产生沉淀、离析现象。
注浆前先检查管路畅通和机械运转状况, 确认机械正常后进行浆液各项检验指标试验, 确定合理的注浆参数；
注浆前掌子面必须先素喷一层混凝土作为止浆墙, 对掌子面进行封闭，确保 注浆过程不漏浆；
管棚注浆方式采用间歇式注浆，即一机两孔换孔注浆。间歇时间不能大于1.5小时，让浆液有一定的凝固时间，防止连续注浆过程浆液无限制扩散。
注浆顺序为先低孔后高孔，先注无水孔后注有水孔，从两拱脚向拱顶对称进行。
注浆标准为单管注浆量达到设计值或注浆压力达到终压并稳压20分钟以上，孔内不再进浆，方可停止注浆。
注浆结束后及时封闭止浆阀，注浆过程中检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象, 如发生串浆,应立即停止该孔注浆，采用间歇式注浆封堵串浆口,间隔一孔或数孔注浆，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵, 直至不再串浆时再继续注浆, 注浆过程中压力如突然升高, 则可能发生堵管, 应停机检查；
注浆过程应派专人负责填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液量、注浆压力等数据, 观察压力表值。
待管棚注浆达到一定强度,可开始进行隧道开挖,开挖时根据围岩地质状况决定开挖方式、开挖进尺及具体施工方案。南阳山隧道因管棚区穿越松散砂砾层，采用预留核心土上中下微台阶法开挖施工，预留变形量15cm，上中下台阶高分别按3m、2.5m、2.8m进行，每循环开挖进尺按50～100cm控制，初期支护紧跟开挖完成，及时将仰拱封闭成环，组织二次衬砌施工。施工中，加强监控量测工作。
根据《康临高速公路KL6合同段南阳山隧道监控量测实施方案》，对SK50+460断面从开挖初期支护完成至二衬封闭进行了全过程测量。SK50+460断面共埋设7个测点，分别位于拱顶中心布置的A点，起拱线以上垂直距离3m拱腰处B、C点，起拱线处D、E点及下导坑路面标高以上1.0m处F、G点。
◆沉降量在各施工阶段分布情况及沉降速率随时间变化关系曲线
根据拱部沉降观测成果表，拱部累计沉降量分别为A点86mm、B点74mm、C点67mm，三点的沉降量分布均在上台阶支护后至下台阶支护期间内最大，分别为A点84.9%、B点86.5%、Ｃ点83.6%；下台阶支护后至仰拱封闭后分别为Ａ点15.1%、B点13.5%、C点16.4%；仰拱封闭后至施工二衬前分别为Ａ点0%、B点0%、C点0%。
根据拱部沉降数据绘制沉降速率与时间变化的关系曲线，曲线走势及数据显示，铺设防水板前沉降速率分别为A点0.27mm/d、B点0.25mm/d、C点0.24mm/d，表明A、B、C三点的速率在此时均已基本趋于稳定。
◆净空收敛量在各阶段分布情况及收敛速率随时间变化关系曲线
根据净空收敛观测成果表，净空累计收敛量分别为DE线80.37mm、FG线点12.91mm。DE测线的收敛量在上台阶支护后至下台阶支护后期间最大，占总收敛量的89.4%；FG测线的收敛量在下台阶支护后至仰拱封闭期间最大，占总收敛量的98.6%。
根据净空收敛数据绘制收敛速率与时间变化的关系曲线，曲线走势及数据显示，铺设防水板前DE测线收敛速率为0.25mm/d，表明DE测线的速率在此时已基本趋于稳定。
砂砾层、泥岩层注浆效果
砂砾层、泥岩层注浆效果
★ 大管径钢管作为超前支护材料，与小管径的超前锚杆、超前小导管相比，管棚强度较高，自身能够承受部分围岩压力。通过管棚注浆提高围岩自承能力，管内填充高强砂浆增强管棚受力条件，管棚与围岩共同组成支护体系，进一步提升超前预支护结构承受围岩荷载能力，穿越松散地层和不良地质中，技术方面可靠，管棚适用性强，支护效果较为明显，降低不良地质中隧道施工风险，保证了隧道施工质量和结构安全；
★ 与其他超前预支护相比，管棚一次性能形成较长超前支护体系，减少循环次数，减少劳动强度，加快了隧道施工进度，保证隧道按时交工和通车营运，取得较好社会效益，缩短超前支护施工工期，从而降低施工成本。
★ 采用跟管钻进和水泥浆液护壁钻孔施工技术施作长大管棚，解决钻进过程钢管与其四周围岩摩阻力大难题，解决砂砾层中普通钻孔工艺成孔困难,钻孔过程易塌孔、卡钻现象,且保证管棚施作长度。
★ 采用全站仪免棱镜三维坐标进行管棚钻点放样，解决了不规则断面管棚钻点定位难题，放样精确；采用三维空间控制钻机就位和钻孔，保证管棚打入角度精度。
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