CN205101006U - 隧道高强度管棚超前支护结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道高强度管棚超前支护结构，包括支撑于隧道洞拱部下方的钢拱架、多个均安装在钢拱架上的孔口管和多根分别经多个孔口管由后向前钻进掌子面前方岩体内的管棚管，钢拱架位于隧道洞的掌子面后侧；多个孔口管沿钢拱架的中心线由左至右布设且其均布设在隧道洞的同一个隧道横断面上，多个孔口管分别为对多根管棚管进行导向的导向管；每根管棚管均包括由多个管节拼接而成的管体和同轴安装在管体前端的钻头，管节为无缝钢管且其内外侧壁均为光滑侧壁，相邻两个管节之间均以螺纹方式连接；钻头上开有多个注浆孔。本实用新型结构简单、设计合理且施工简便、支护效果好，采用自动钻进式管棚管，能简便、快速完成隧道超前支护过程。

Description

隧道高强度管棚超前支护结构

技术领域

本实用新型属于隧道超前支护施工技术领域，尤其是涉及一种隧道高强度管棚超前支护结构。

背景技术

管棚超前支护是将一组钢管(即管棚管)沿隧道的开挖轮廓线外侧己钻好的钻孔打入地层内，并与钢拱架组合形成强大的棚架预支护加固体系，用以支承来自于管棚上部围岩的荷载，并通过注浆孔加压向地层中注浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力。

目前，在隧道工程施工中，管棚施工主要采用的是引孔顶入法施工，具体先在隧道开挖轮廓线外利用钻机钻好钻孔，然后将管棚顶入已钻好的钻孔内，最后进行注浆稳固。实际施工时，引孔顶入法存在以下方面问题：第一、施工工序多，工序衔接复杂，施工工期较长，灵活性较差，超前支护长度及参数很难根据实际钻进施工情况进行及时调整，并且需专业作业队进行施工；第二、管棚安装到位后，采用低压灌浆，浆液扩散半径小，难以形成较大范围的加固圈；第三、管棚管上开孔，因管棚管管体开孔的原因，浆液先充填近端，阻断排气通道，造成管棚远端以及顶部存在空气包，注浆不能饱满；第四、围岩自稳能力较差的施工区域，易塌孔，顶入管棚困难。因而，需设计一种结构简单、设计合理且施工简便、支护效果好的隧道超前支护用高强度管棚，采用自动钻进式管棚管，能简便、快速完成隧道超前支护过程。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种隧道高强度管棚超前支护结构，其结构简单、设计合理且施工简便、支护效果好，采用自动钻进式管棚管，能简便、快速完成隧道超前支护过程。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：包括支撑于隧道洞拱部下方的钢拱架、多个均安装在钢拱架上的孔口管和多根分别经多个所述孔口管由后向前钻进掌子面前方岩体内的管棚管，所述钢拱架位于隧道洞的掌子面后侧；多个所述孔口管沿钢拱架的中心线由左至右进行布设，多个所述孔口管的结构和尺寸均相同且其均布设在隧道洞的同一个隧道横断面上，多个所述孔口管分别为对多根所述管棚管进行导向的导向管，每根所述管棚管均与对其进行导向的导向管呈同轴布设；多根所述管棚管的结构和尺寸均相同且其外插角均为1°～3°；每根所述管棚管均包括由多个管节拼接而成的管体和同轴安装在所述管体前端的钻头，多个所述管节的结构均相同且其由前至后进行布设，多个所述管节均呈同轴布设且其外径和壁厚均相同，每个所述管节均为无缝钢管且其内外侧壁均为光滑侧壁，相邻两个所述管节之间均以螺纹方式进行连接；所述钻头上开有多个注浆孔，多个所述注浆孔均与所述管体内部相通。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：所述管体的外径为Φ70mm～Φ120mm。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：多个所述管节均为地质钢管。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：每个所述管节的前部节段为设置有内螺纹的前连接段，每个所述管节的后部节段均为设置有外螺纹的后连接段；每个所述管节的后连接段均与其后侧相邻管节的前连接段进行紧固连接；所述前连接段与后连接段的长度相同。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：所述前连接段和后连接段的长度均为7cm～10cm。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：多个所述管节中位于最前侧的管节为前端管节，所述前端管节与钻头之间以螺纹方式进行连接，所述钻头后部设置有用于与所述前端管节的前连接段进行紧固连接的螺纹连接杆。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：所述管体的长度为15m～30m。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：所述管节的长度为3m～6m。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：多个所述孔口管呈均匀布设且相邻两个所述孔口管之间的环向间距均为35cm～45cm。

上述隧道高强度管棚超前支护结构，其特征是：所述钻头为直径由后向前逐渐缩小的圆锥形钻头，所述钻头的后端直径大于所述管体的外径；多个所述注浆孔沿圆周方向均匀布设且其均沿钻头的中心轴线布设。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、设计合理且投入成本较低。

2、所采用的管棚管结构简单、设计合理且拼接方便，并且强度高、使用过程安全可靠，将管棚管作为钻杆使用，安装方便且钻进过程简便，同时管棚管的强度高，能满足隧道超前支护需求。

3、施工简便、施工周期短且施工效率高，先在隧道掌子面后方6m范围施做钻机工作空间，再在隧道掌子面部位施做简易护拱和导向管，之后将钻机与注浆机安装就位，然后便可进行管棚超前支护施工。施工过程大幅度简化，管棚管的钻进、安装与注浆过程一体化，不需要跟管钻进。管棚管的钻进过程采用边注浆边钻进的方式，使管棚安装有类似旋喷桩的效果，能有效增加注浆扩散半径，改良围岩。管棚管的钻进过程采用水泥浆护壁钻进，能有效避免发生塌孔、卡钻等事故，加快施工进度，规避施工风险。

4、使用效果好且实用价值高，与传统的引管顶入法相比，管棚管采用高强度管，并在高强管端头配带合金钻头，钻头作为旋转注浆头，在钻机的作用下进行水泥浆护壁钻进，钻进、管棚管安装与注浆一次完成，终孔进行二次高压注浆，最终在隧道拱部形成高强度的管棚超前支护体系。同时，采用边钻进边注浆的方式，浆液扩散半径较大，能在一定程度上改良围岩。因而，具有施工工艺简单快捷，施工周期短，加固效率高，能有效规避施工风险；对提高软弱围岩的稳定性，具有很好的作用。

5、适用面广且推广应用前景广泛，能广泛应用于铁路、水电、公路、煤矿等隧道或巷道工程，尤其适用于浅埋暗挖隧道和软弱围岩地段隧道拱部超前支护，并且具有施工成本低、施工易于操作、支护效果好等优点，有利于加快施工进度，社会效益及经济价值极高。

综上所述，本实用新型结构简单、设计合理且施工简便、支护效果好，采用自动钻进式管棚管，能简便、快速完成隧道超前支护过程。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的横断面结构示意图。

图2为本实用新型的纵断面结构示意图。

图3为本实用新型管棚管的结构示意图。

图4为本实用新型管节的结构示意图。

图5为本实用新型的施工状态示意图。

附图标记说明:

1—钢拱架；2—导向管；3—管棚管；

3-1—管节；3-11—前连接段；3-12—后连接段；

3-2—钻头；4—隧道洞；5—钻机工作空间。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4及图5所示，本实用新型包括支撑于隧道洞4的拱部下方的钢拱架1、多个均安装在钢拱架1上的孔口管和多个分别经多个所述孔口管由后向前钻入掌子面前方岩体内的管棚管3，所述钢拱架1位于隧道洞4的掌子面后侧。多个所述孔口管沿钢拱架1的中心线由左至右进行布设，多个所述孔口管的结构和尺寸均相同且其均布设在隧道洞4的同一个隧道横断面上，多个所述孔口管分别为对多根所述管棚管3进行导向的导向管2，每根所述管棚管3均与对其进行导向的导向管2呈同轴布设。

多根所述管棚管3的结构和尺寸均相同且其外插角均为1°～3°。结合图3、图4，每根所述管棚管3均包括由多个管节3-1拼接而成的管体和同轴安装在所述管体前端的钻头3-2，多个所述管节3-1的结构均相同且其由前至后进行布设，多个所述管节3-1均呈同轴布设且其外径和壁厚均相同，每个所述管节3-1均为无缝钢管且其内外侧壁均为光滑侧壁，相邻两个所述管节3-1之间均以螺纹方式进行连接。所述钻头3-2上开有多个注浆孔，多个所述注浆孔均与所述管体内部相通。

本实施例中，所述管体的外径为Φ70mm～Φ120mm。

实际施工时，可根据具体需要，对所述管体的外径进行相应调整。

本实施例中，多个所述管节3-1均为地质钢管。

如图4所示，每个所述管节3-1的前部节段为设置有内螺纹的前连接段3-11，每个所述管节3-1的后部节段均为设置有外螺纹的后连接段3-12；每个所述管节3-1的后连接段3-12均与其后侧相邻管节3-1的前连接段3-11进行紧固连接；所述前连接段3-11与后连接段3-12的长度相同。

实际加工时，所述前连接段3-11和后连接段3-12的长度均为7cm～10cm。

本实施例中，所述前连接段3-11和后连接段3-12的长度均为8cm。实际使用时，可根据具体需要，对前连接段3-11和后连接段3-12的长度进行相应调整。

本实施例中，多个所述管节3-1中位于最前侧的管节3-1为前端管节，所述前端管节与钻头3-2之间以螺纹方式进行连接，所述钻头3-2后部设置有用于与所述前端管节的前连接段3-11进行紧固连接的螺纹连接杆。

本实施例中，所述管体的长度为15m～30m。

并且，所述管节3-1的长度为3m～6m。

实际施工时，可根据具体需要，对所述管体的长度与各管节3-1的长度进行相应调整。

实际施工过程中，多个所述孔口管呈均匀布设且相邻两个所述孔口管之间的环向间距均为35cm～45cm。

本实施例中，相邻两个所述孔口管之间的环向间距均为40cm。

本实施例中，所述钻头3-2为直径由后向前逐渐缩小的圆锥形钻头，所述钻头3-2的后端直径大于所述管体的外径。多个所述注浆孔沿圆周方向均匀布设且其均沿钻头3-2的中心轴线布设。

实际施工时，本实用新型的施工过程如下：

步骤一、护拱与导向管施工：在当前施工隧道节段的掌子面后侧安装一个护拱；

步骤二、钻机与注浆机安装就位：在步骤一中所述钢拱架1后侧安装钻机与注浆机；

步骤三、管棚超前支护施工：对步骤一中多根所述管棚管3分别进行管棚超前支护施工，多根所述管棚管3的管棚超前支护施工方法均相同，且多根所述管棚管3分别经多个所述导向管2由后向前钻进掌子面前方岩体内；多根所述管棚管3的结构和尺寸均相同；如图4和图5所示，每根所述管棚管3均包括由多个管节3-1拼接而成的管体和同轴安装在所述管体前端的钻头3-2，多个所述管节3-1的结构均相同且其由前至后进行布设；多个所述管节3-1中位于最前侧的管节3-1为前端管节，多个所述管节3-1中位于最后侧的管节3-1为后端管节，所述钻头3-2安装在所述前端管节的前部；多个所述管节3-1均呈同轴布设且其外径和壁厚均相同，每个所述管节3-1均为无缝钢管且其内外侧壁均为光滑侧壁，相邻两个所述管节3-1之间均以螺纹方式进行连接；所述钻头3-2上开有多个注浆孔，多个所述注浆孔均与所述管体内部相通；对任一个所述管棚管3进行管棚超前支护施工时，过程如下：

步骤301、钻进前准备：在当前所施工管棚管3的前端管节前部安装钻头3-2，并将所述前端管节的后端与步骤二中所述钻机的钻进驱动机构连接，同时通过注浆管将所述前端管节的后端与步骤二中所述注浆机的注浆口连接；

步骤302、前端管节钻进及同步注浆：将步骤301中所述前端管节由后向前插入至对当前所施工管棚管3进行导向的导向管2内，并使所述前端管节与所插入的导向管2呈同轴布设；之后，启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进；钻进过程中，采用所述注浆机同步进行注浆；

步骤303、管节接续：在当前已完成钻进且位于最后侧的管节3-1后侧安装下一个管节3-1，并将当前所安装管节3-1的后端与步骤301中所述钻进驱动机构连接，同时通过所述注浆管将当前所安装管节3-1的后端与步骤301中所述注浆口连接；

步骤304、持续钻进及同步注浆：启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进；钻进过程中，采用所述注浆机同步进行注浆；

步骤305、多次重复步骤303至步骤304，直至完成当前所施工管棚管3的钻进过程，获得当前所施工管棚管3所处的钻孔；

步骤306、钻孔孔口封堵：对步骤305中所述钻孔的孔口进行封堵，获得钻孔孔口封堵结构，并在所述钻孔孔口封堵结构布设排气孔；所述钻孔孔口封堵结构为位于所述钻孔的孔口与当前所施工管棚管3的外侧壁之间环形空腔内的封堵结构，所述排气孔与所述环形空腔内部相通；

步骤307、终孔注浆施工：步骤306中钻孔孔口封堵完成后，采用所述注浆机进行二次注浆，直至所述排气孔内有所注浆液流出为止，完成当前所施工管棚管3的管棚超前支护施工过程；

步骤308、多次重复步骤301至步骤307，直至完成所有管棚管3的管棚超前支护施工过程；

步骤四、隧道开挖施工：对当前施工节段进行隧道开挖施工。

本实施例中，所述管节3-1与所述钻进驱动机构和所述注浆管之间均通过管道连接接头进行连接，所述管道连接接头上开有三个分别与管节3-1、所述钻进驱动机构和所述注浆管连接的接口。并且，所述管道连接接头与管节3-1、所述钻进驱动机构和所述注浆管之间均以螺纹方式进行连接。

本实施例中，步骤304中启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进之前，先采用所述注浆机进行注浆且注浆压力为3MPa～4Mpa；待当前所施工管棚管3所处钻孔的孔口有水泥浆液流出时，再启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进。

本实施例中，所述钢拱架1为型钢支架且其为弧形。

实际施工时，采用钢拱架1作为隧道管棚超前支护施工的简易护拱。所述钢拱架1的圆心角为140°～160°。

本实施例中，所述钢拱架1的圆心角为150°。

多个所述导向管2的长度均为0.8m～1.5m。本实施例中，多个所述导向管2均为钢管且其均焊接固定在钢拱架1上，多个所述导向管2的长度均为1m且其数量为50个。

实际施工时，可根据具体需要，对导向管2的长度和数量进行相应调整。

本实施例中，所述注浆孔的数量为三个。实际使用时，可根据具体需要，对所述注浆孔的数量以及各注浆孔在钻头3-2上的布设位置进行相应调整。

所述导向管2的内径大于所述管体的外径，且导向管2的内径大于钻头3-2的后端直径。

本实施例中，所述管体的外径为Φ110mm，所述导向管2的外径为Φ150mm且其壁厚为10mm，且钻头3-2的后端直径为Φ125mm。

实际施工时，可根据具体需要，对所述管体的外径、导向管2的内径和钻头3-2的后端直径进行相应调整。

如图5所示，步骤一中进行护拱与导向管施工时，先在当前施工节段的掌子面后侧施工一个供步骤二中所述钻机使用的钻机工作空间5，所述钢拱架1安装在所述钻机工作空间5的前侧内部；所述钻机工作空间5为对隧道洞4的拱部向外开挖后形成的空间；所述钻机工作空间5的长度为5m～8m。

本实施例中，所述钻机工作空间5的长度记作L1，且L1＝6m。并且，所述钻机工作空间5为对隧道洞4的拱部向外开挖40cm后形成的空间，也就是说，钻机工作空间5为将隧道洞4拱部调高40cm后的空间。

本实施例中，步骤二中进行钻机与注浆机安装就位时，将所述钻机与注浆机均安装在钻机工作空间5内。

本实施例中，步骤三中所述管体的长度为15m～30m；所述管节3-1的长度为3m～6m；

步骤308中完成所有管棚管3的管棚超前支护施工过程后，获得当前施工节段的管棚超前支护结构；前后相邻两个所述节段的所述管棚超前支护结构之间的搭接长度不小于3m。

实际施工时，前后相邻两个所述节段的所述管棚超前支护结构之间的搭接长度记作L2。本实施例中，L2＝3.5m。

本实施例中，步骤302和步骤304中采用所述注浆机同步进行注浆时以及步骤307中采用所述注浆机进行二次注浆时，所注浆液均为水泥浆；所述水泥浆的水灰比为0.5。

其中，所述水泥浆为P.O32.5普通硅酸盐水泥与水均匀拌合后形成的浆液，P.O32.5普通硅酸盐水泥也称为普通硅酸盐水泥32.5。水灰比指的是所述水泥浆中水的用量与水泥用量的重量比。

本实施例中，步骤302和步骤304中采用所述注浆机同步进行注浆时，注浆压力为3MPa～4MPa；步骤307中采用所述注浆机进行二次注浆时，注浆压力大于5MPa。

并且，步骤307中采用所述注浆机进行二次注浆时，注浆压力大于5MPa～6MPa。

本实施例中，步骤302中采用所述注浆机同步进行注浆时，所注浆液经所述前端管节由后向前流向钻头3-2，并经钻头3-2上的多个所述注浆孔流出；步骤302中钻进过程中，通过所注浆液对钻头3-2上的钻屑进行清理，并对钻头3-2进行冷却与润滑；

步骤304中采用所述注浆机同步进行注浆时，所注浆液经当前已连接为一体的多个所述管节3-1由后向前流向钻头3-2，并经钻头3-2上的多个所述注浆孔流出；步骤302中钻进过程中，通过所注浆液对钻头3-2上的钻屑进行清理，并对钻头3-2进行冷却与润滑；

步骤307中采用所述注浆机进行二次注浆时，所注浆液经当前所施工管棚管3的管体由后向前流向钻头3-2，并经钻头3-2上的多个所述注浆孔流至所述管体与步骤305中所述钻孔孔壁之间的环形区域，且所注浆液从前至后注满所述环形区域。

本实施例中，步骤302和步骤304中启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进时，钻进速度为25m/h～35m/h；

步骤302和步骤304中采用所述注浆机同步进行注浆时以及步骤307中采用所述注浆机进行二次注浆时，所注浆液的注浆量均为550ml/h～600ml/h。

本实施例中，所述DZ50地质管为45Mn2材料，屈服强度为531MPa，抗拉强度721为MPa，延伸率为18％。

本实施例中，所述钻头3-2为合金钻头。

所述前端管节与钻头3-2之间以螺纹方式进行连接，所述钻头3-2后部设置有用于与所述前端管节的前连接段3-11进行紧固连接的螺纹连接杆。

本实施例中，所述前连接段3-11与后连接段3-12的长度均为8cm且螺纹螺距均为8mm。实际使用时，可根据具体需要，对前连接段3-11与后连接段3-12的长度和螺纹螺距分别进行相应调整。

本实施例中，步骤301中进行钻进前准备时，先将所述管道连接接头分别与所述钻进驱动机构和所述注浆管进行连接，再将所述前端管节的后端与所述管道连接接头进行连接。步骤302中启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进时，直至钻进至仅所述前端管节的后连接段3-12露出导向管2为止。

步骤303中进行管节接续时，先拆除当前已完成钻进且位于最后侧的管节3-1与所述管道连接接头之间的连接，再对下一个管节3-1进行拼接；拼接完成后，将当前所安装管节3-1的后端与所述管道连接接头连接，便完成管节接续过程。步骤304中持续钻进及同步注浆：启动所述钻机并通过所述钻机由后向前进行钻进时，直至将步骤303中所安装管节3-1钻进至仅后连接段3-12露出导向管2为止。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：包括支撑于隧道洞(4)拱部下方的钢拱架(1)、多个均安装在钢拱架(1)上的孔口管和多根分别经多个所述孔口管由后向前钻进掌子面前方岩体内的管棚管(3)，所述钢拱架(1)位于隧道洞(4)的掌子面后侧；多个所述孔口管沿钢拱架(1)的中心线由左至右进行布设，多个所述孔口管的结构和尺寸均相同且其均布设在隧道洞(4)的同一个隧道横断面上，多个所述孔口管分别为对多根所述管棚管(3)进行导向的导向管(2)，每根所述管棚管(3)均与对其进行导向的导向管(2)呈同轴布设；多根所述管棚管(3)的结构和尺寸均相同且其外插角均为1°～3°；每根所述管棚管(3)均包括由多个管节(3-1)拼接而成的管体和同轴安装在所述管体前端的钻头(3-2)，多个所述管节(3-1)的结构均相同且其由前至后进行布设，多个所述管节(3-1)均呈同轴布设且其外径和壁厚均相同，每个所述管节(3-1)均为无缝钢管且其内外侧壁均为光滑侧壁，相邻两个所述管节(3-1)之间均以螺纹方式进行连接；所述钻头(3-2)上开有多个注浆孔，多个所述注浆孔均与所述管体内部相通。

2.按照权利要求1所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：所述管体的外径为Φ70mm～Φ120mm。

3.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：多个所述管节(3-1)均为地质钢管。

4.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：每个所述管节(3-1)的前部节段为设置有内螺纹的前连接段(3-11)，每个所述管节(3-1)的后部节段均为设置有外螺纹的后连接段(3-12)；每个所述管节(3-1)的后连接段(3-12)均与其后侧相邻管节(3-1)的前连接段(3-11)进行紧固连接；所述前连接段(3-11)与后连接段(3-12)的长度相同。

5.按照权利要求4所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：所述前连接段(3-11)和后连接段(3-12)的长度均为7cm～10cm。

6.按照权利要求4所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：多个所述管节(3-1)中位于最前侧的管节(3-1)为前端管节，所述前端管节与钻头(3-2)之间以螺纹方式进行连接，所述钻头(3-2)后部设置有用于与所述前端管节的前连接段(3-11)进行紧固连接的螺纹连接杆。

7.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：所述管体的长度为15m～30m。

8.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：所述管节(3-1)的长度为3m～6m。

9.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：多个所述孔口管呈均匀布设且相邻两个所述孔口管之间的环向间距均为35cm～45cm。

10.按照权利要求1或2所述的隧道高强度管棚超前支护结构，其特征在于：所述钻头(3-2)为直径由后向前逐渐缩小的圆锥形钻头，所述钻头(3-2)的后端直径大于所述管体的外径；多个所述注浆孔沿圆周方向均匀布设且其均沿钻头(3-2)的中心轴线布设。