本发明属于地下空间支护结构，特别是一种涉及管棚的支护结构及其施工方法。
背景技术：
当前，我国城市地铁建设步伐日益加快，由于地面环境的局限，地铁车站常采用暗挖法施工。管棚施工方法是地铁暗挖施工中常用的超前支护方法之一，具有造价低，施工速度较快等优势。
但是管棚施工法中，管棚钢管施工精度相对较差，使得管棚钢管排列无序，而且狭小空间作业时效率低下；同时对于粉细砂地层的管棚施工，无法做到无水施工，需要借助循环液进行泥浆护壁，这种做法不仅浪费材料和水资源，还在一定程度上污染了现场作业环境。同时由于管棚钢管存在一定间隙，管棚施工完毕后，必须借助单独注浆工序对管棚钢管间隙地层进行补强。而由于软弱地层或粉细砂地层可注性较差，使得注浆不均匀，甚至出现漏浆、跑浆等现象，制约了注浆效果，无法完全实现地层加固，造成一定的安全隐患。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种管棚支护结构及其施工方法，要解决管棚钢管排列无序、狭小空间内施工效率低下、管棚施工水循环污染以及管棚钢管之间注浆不均匀的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种管棚支护结构，包括一组管棚钢管，所述管棚钢管之间通过注浆固结体连接，
相邻的管棚钢管之间留有间距并通过刚性的连接件依次连接为一体，连接件对管间间距内的土体的挤压形成注浆区，所述注浆区内填充有注浆料形成注浆固结体，注浆固结体连接各个管棚钢管形成整体的帷幕结构。
所述连接件只设置在管棚钢管的端部，或者一组连接件沿管棚钢管的长度方向间隔设置，或者连接件本身沿管棚钢管的长度方向通长设置。
所述连接件为成对设置的组件连接件、单一使用的单件连接件或者两者的结合。
所述组件连接件包括配合使用的母件和子件，所述母件和子件分别固定连接在相邻的两根管棚钢管之间，
所述单件连接件固定连接在各个管棚钢管上、朝向相邻的管棚钢管。
所述母件为c型卡槽，所述子件为相对滑动卡入c型卡槽内的t型卡头。
所述c型卡槽自体成型，包括第一槽帮钩板和槽底板，所述槽底板的中部直接与管棚钢管的管壁固定连接或者通过垂直管壁的母件连接钢板固定连接，
或者所述c型卡槽为间接成型，包括两个直接固定连接在管壁上的第二槽帮钩板，第二槽帮钩板与第二槽帮钩板之间的管壁形成c型卡槽。
所述t型卡头包括固定连接的横板和竖板，所述竖板的底部垂直管棚钢管的管壁、直接固定连接在管壁上，所述c型卡槽的开口大于竖板的厚度小于横板的宽度，所述横板的宽度小于c型卡槽的槽宽。
所述单件连接件包括单件连接钢板和贴管弧形套件，所述单件连接钢板的一端垂直管棚钢管的管壁、直接固定连接在管壁上，所述贴管弧形套件的弧形底部与单件连接钢板固定连接，所述贴管弧形套件的开口朝向相邻管棚钢管，所述贴管弧形套件的内壁弧度与相邻的管棚钢管的外径相适应。
一种管棚支护结构的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，施工准备：清理场地，搭建施工平台，进行设备安装调试；根据设计管棚钢管的位置，进行测量和放线，确定每根管棚钢管的打设位置，并利用开孔器对每个管棚钢管的施工孔位开孔；
步骤二，钢管组装：将管棚钢管按设计成组施工，每组为一个施工单元，每个施工单元的管棚钢管数量不少于2根；根据施工设计需求，确定管棚钢管的尺寸和管间间距，选择连接件的形式，按照连接件的形式在管棚钢管的一侧或两侧焊接，对施工单元进行组装；
步骤三，第一个施工单元的第一节管棚各钢管内均置入钻杆并安装钻头，经吊装设备吊至施工平台，将各管棚钢管管内钻杆分别与管棚钻机动力头连接；
步骤四，施工单元各钢管入孔调整：根据设计入孔角度调整管棚钻机和各个管棚钢管的入孔姿态；
步骤五，施工单元各管棚钢管同时顶进：启动设备，顶推油缸分别顶推管棚钢管同时前进，管棚钻机动力头驱动钻杆旋转，进行管内出土，管棚钢管顶进、土体切削及排土出渣同步进行；施工单元顶进的过程中，管棚钢管连接件随管棚钢管同步顶进，向前挤压切入管间土体并管间注浆区；
步骤六、管棚钢管接尺：第一个施工单元的第一节各管棚钢管顶进完成后，拆开管棚钻机动力头和管棚钢管，回拖管棚钻机动力头至顶进初始位置；将该施工单元的下一节各管棚钢管均内置钻杆吊至施工平台，该段管棚钢管的内置钻杆分别与已顶进管棚钢管内的各钻杆连接，各钢管前端分别与已顶进完成的第一节各管棚钢管连接，后端分别与管棚钻机动力头连接；
步骤七、重复步骤五至步骤六，该施工单元的施工孔位的管棚钢管顶进至设计深度时，该孔位施工结束；
步骤八、逐步回退管棚钻机动力头，待步骤六施工孔位管棚钢管内的钻杆回拔，拆卸及吊返完毕后，移动管棚钻机至下一施工单元的施工孔位；
步骤九、封孔注浆：在管棚钢管内以及注浆区内进行注浆，直至该单元的管内及管间注浆区注浆完毕，形成该单元的帷幕结构，注浆工序可以在该施工单元顶进过程中进行或者顶进完成后立即进行；
步骤十，施工下个单元的第一节各管棚钢管内均置入钻杆（5）并安装钻头（6），经吊装设备吊至施工平台，将各管棚钢管分别与管棚钻机动力头（4）连接；
步骤十一，施工单元各钢管入孔调整：根据设计入孔角度调整管棚钻机和各个管棚钢管的入孔姿态；
步骤十二，施工单元各管棚钢管同时顶进：启动设备，施工单元顶进、土体切削与管内出土同步进行；施工单元内各钢管通过连接件（2）连接，施工单元间钢管亦通过连接件（2）连接，即正在顶进的施工单元的连接件与已施工完毕的相邻施工单元的连接件或者管棚钢管进行匹配并连接，使得两相邻施工单元连接成为一体，连接件（2）随施工单元各管棚钢管顶入，施工单元管间连接件以及相邻两个施工单元之间的连接件均由外至内挤压或者扰动管间的土体，土体发生松动均形成供后期置换注浆的注浆区；
步骤十三、重复步骤六至步骤七，该施工单元的施工孔位的管棚钢管顶进至设计深度时，该孔位施工结束；
步骤十四、封孔注浆：在管棚钢管内以及注浆区内进行注浆，直至该单元的管内及管间注浆区注浆完毕，形成该单元的帷幕结构，注浆工序可以在该施工单元顶进过程中进行或者顶进完成后立即进行；
步骤十五、重复步骤十至步骤十四进行后续孔位管棚钢管的施工，直至所有孔位施工完成，整体帷幕结构注浆完毕。
所述施工单元包括已施工单元和待施工单元，
待施工单元均包含主控钢管和随行钢管，所述主控钢管是与已施工单元相邻的管棚钢管，所述随行钢管是其余待施工的钢管，
所述主控钢管顶进时超前随行钢管的长度为50-200cm，随行钢管数量不小于1根，钢管顶进时，主控钢管是该施工单元的钢管顶进方向主导钢管，通过控制主控钢管与已施工单元之间的连接件，对两者的相对顶入位置进行纠偏。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：
本发明的结构是以一组钢管为施工单元，钢管之间通过连接构件连接，每组钢管之间也通过连接构件连接定位，多根钢管同时顶进，顶进过程中管内出土，多组钢管顶进完毕后，对连接构件挤压土体形成的扰动区域进行置换注浆，形成整体帷幕结构。
本发明将传统管棚施工方法及注浆施工方法有机结合，将两道支护工序集成在管棚施工中，节约大量工期；本发明施工质量高，管棚钢管通过安装连接件，使得管棚钢管顶进过程中，通过连接构件对管间土体的挤压作用，提高了管间地层的可注性，使得注浆均匀可控，有效提升了施工地层的可注性，解决了无法均匀注浆的技术难题；有效提高了管棚的支护能力。
本发明通过连接构件形成的腔体进行置换注浆，使得管棚钢管间有效连接，管间注浆形成的浆液固结体与管棚钢管形成整体的帷幕结构，对于有水地层，具有一定的止水功能。
本发明高效可操控性强，能够实现多根管棚钢管同时顶进，连接件一方面作为相邻两根钢管间的连接纽带，另一方面作为相邻钢管滑行的轨道，避免了钢管和钻杆的反复吊装和拆卸，实现了管棚各钢管的统筹化施工；多管同时顶进，通过管间连接构件保证了各钢管的施工精度，避免了钢管顶进轨迹发生较大变化，实现了各钢管间有序排列，不仅保证了钢管的有序排列和施工精度，同时使得施工更经济高效。
对于软弱地层或粉细砂地层管棚施工，本发明巧用钢管顶进及管内出土的方式避免了循环液使用，实现了管棚无水施工，施工更环保，符合国家绿色安全文明要求，是一种施工工效高且环保的新管棚施工方法。本发明适用性更好，对于狭小空间的施工作业亦可适用，可视作方形、圆形等等常见断面的管棚结构施工。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为管棚支护结构示意图。
图2为连接件一的结构示意图。
图3为连接件二的结构示意图。
图4为连接件三的结构示意图。
图5为连接件四的结构示意图。
图6为施工方法中一个施工单元具有两根管棚钢管的实施例。
图7为施工方法中一个施工单元具有四根管棚钢管的实施例。
附图标记：1－管棚钢管、11－已施工单元、12－待施工单元、13－主控钢管、14－随行钢管、2－连接件、21－组件连接件、211－母件、2a－第一槽帮钩板、2b－槽底板、2c－母件连接钢板、2d－第二槽帮钩板、212－子件、2e－横板、2f－竖板、22－单件连接件、221－单件连接钢板、222－贴管弧形套件、3－注浆固结体、4－管棚钻机动力头、5－钻杆、6－钻头。
具体实施方式
实施例参见图1-5所示，一种管棚支护结构，包括一组管棚钢管1，所述管棚钢管之间通过注浆固结体3连接。
相邻的管棚钢管之间留有间距并通过刚性的连接件2依次连接为一体，连接件对管间间距内的土体的挤压形成注浆区，所述注浆区内填充有注浆料形成注浆固结体3，注浆固结体连接各个管棚钢管形成整体的帷幕结构。
所述连接件为成对设置的组件连接件21、单一使用的单件连接件22或者两者的结合。
所述组件连接件21包括配合使用的母件211和子件212，所述母件和子件分别固定连接在相邻的两根管棚钢管1之间。所述母件211为c型卡槽，所述子件212为相对滑动卡入c型卡槽内的t型卡头。
参见图2、图3和图4均为组件连接件，图2中组件连接件为c型卡槽自体成型，包括第一槽帮钩板2a和槽底板2b，所述槽底板2b的中部直接与管棚钢管1的管壁固定连接。图3中组件连接件为c型卡槽自体成型，包括第一槽帮钩板2a和槽底板2b，所述槽底板2b的中部通过垂直管壁的母件连接钢板2c固定连接。图4为所述c型卡槽为间接成型，包括两个直接固定连接在管壁上的第二槽帮钩板2d，第二槽帮钩板2d与第二槽帮钩板2d之间的管壁形成c型卡槽。
所述t型卡头包括固定连接的横板2e和竖板2f，所述竖板2f的底部垂直管棚钢管1的管壁、直接固定连接在管壁上，所述c型卡槽的开口大于竖板2f的厚度小于横板2e的宽度，所述横板2e的宽度小于c型卡槽的槽宽。
参见图5所示，所述单件连接件22固定连接在各个管棚钢管1上、朝向相邻的管棚钢管1。所述单件连接件22包括单件连接钢板221和贴管弧形套件222，所述单件连接钢板221的一端垂直管棚钢管1的管壁、直接固定连接在管壁上，所述贴管弧形套件222的弧形底部与单件连接钢板221固定连接，所述贴管弧形套件222的开口朝向相邻管棚钢管1，所述贴管弧形套件222的内壁弧度与相邻的管棚钢管1的外径相适应。
本发明中的所有连接件均为钢制结构。所述连接件只设置在管棚钢管的端部，或者一组连接件沿管棚钢管的长度方向间隔设置，或者连接件本身沿管棚钢管的长度方向通长设置。连接件具体设置情况是根据连接件的具体结构所决定，例如实施例中的组件连接件21均是沿管棚钢管的长度方向通长设置，是指连接件本身的长度与管棚钢管的长度相同。实施例中的单件连接件22只设置在管棚钢管的端部，或者一组单件连接件22沿管棚钢管的长度方向间隔设置。
这种管棚支护结构的施工方法，施工步骤如下：
步骤一，施工准备：清理场地，搭建施工平台，进行设备安装调试；根据设计管棚钢管1的位置，进行测量和放线，确定每根管棚钢管的打设位置，并利用开孔器对每个管棚钢管的施工孔位开孔。
步骤二，钢管组装：将管棚钢管按设计成组施工，每组为一个施工单元，每个施工单元的管棚钢管数量不少于2根。
参见图6所示实施例每组施工单元包括两根管棚钢管，图7所示另一种实施例每组施工单元包括四根管棚钢管。根据施工设计需求，确定管棚钢管的尺寸和管间间距，选择连接件的形式，按照连接件2的形式在管棚钢管1的一侧或两侧焊接，对施工单元进行组装。
步骤三，第一个施工单元的第一节管棚钢管内均置入钻杆5并安装钻头6，经吊装设备吊至施工平台，将各管棚钢管分别与管棚钻机动力头4连接。
步骤四，施工单元各钢管入孔调整：根据设计入孔角度调整管棚钻机和各个管棚钢管的入孔姿态。根据设计入孔角度调整管棚钻机和各个管棚钢管的入孔姿态，调整过程中不仅要确保待顶进钢管之间连接构件紧密连接，还要确保其与已顶进完毕孔位钢管通过连接构件紧密扣接。并确保各个管棚钢管的入孔姿态与设计相符。
步骤五，施工单元各管棚钢管同时顶进：启动设备，顶推油缸分别顶推管棚钢管同时前进，管棚钻机动力头驱动钻杆旋转，进行管内出土，管棚钢管顶进、土体切削及排土出渣同步进行；，施工单元顶进的过程中，管棚钢管连接件2随管棚钢管同步顶进，向前挤压切入管间土体，并形成后期注浆的管间注浆区。
顶进过程中，实时监测管棚钢管顶进轨迹，当顶进发生偏差时，及时进行纠偏。钢管顶进过程中，钢管前端的连接件一方面能够有效挤压管间土体，提升了土体可注性，尤其是软弱围岩地层及粉细砂地层的可注性，使得注浆更均匀，避免了漏浆、跑浆等现象，提升了施工质量。或者对于软弱地层，可以边顶进，边在管间连接件形成的注浆区进行注浆或者待该施工单元顶进结束后，直接在管间注浆区注浆。
步骤六、管棚钢管接尺：第一个施工单元的第一节管棚钢管顶进完成后，拆开管棚钻机动力头和管棚钢管，回拖管棚钻机动力头至顶进初始位置；将该施工单元的下一节各管棚钢管均内置钻杆吊至施工平台，该段管棚钢管的内置钻杆分别与已顶进管棚钢管内的各钻杆连接，各钢管前端分别与已顶进完成的第一节各管棚钢管连接，后端分别与管棚钻机动力头连接。
步骤七、重复步骤五至步骤六，该施工单元的施工孔位的管棚钢管顶进至设计深度时，该孔位施工结束。
步骤八、逐步回退管棚钻机动力头，待步骤六施工孔位管棚钢管内的钻杆回拔，拆卸及吊返完毕后，移动管棚钻机至下一施工单元的施工孔位。
步骤九、封孔注浆：在管棚钢管内以及注浆区内进行注浆，直至该单元的管内及管间注浆区注浆完毕，形成该单元的帷幕结构，注浆工序可以在该施工单元顶进过程中进行或者顶进完成后立即进行；注浆工序可以在该施工单元顶进过程中进行或者顶进完成后立即进行。注浆的时机主要考虑土体的密实程度，土体情况较好时，可以在一个单元施工顶进完成后进行，若是土体情况不好的软弱地层时，可以在步骤五进行时，顶进过程中边顶进边进行注浆。
步骤十，施工下个单元的第一节各管棚钢管内均置入钻杆（5）并安装钻头（6），经吊装设备吊至施工平台，将各管棚钢管分别与管棚钻机动力头（4）连接。
步骤十一，施工单元各钢管入孔调整：根据设计入孔角度调整管棚钻机和各个管棚钢管的入孔姿态。
步骤十二，施工单元各管棚钢管同时顶进：启动设备，施工单元顶进、土体切削与管内出土同步进行；施工单元内各钢管通过连接件（2）连接，施工单元间钢管亦通过连接件（2）连接，即正在顶进的施工单元的连接件与已施工完毕的相邻施工单元的连接件或者管棚钢管进行匹配并连接，使得两相邻施工单元连接成为一体，连接件（2）随施工单元各管棚钢管顶入，施工单元管间连接件以及相邻两个施工单元之间的连接件均由外至内挤压或者扰动管间的土体，土体发生松动均形成供后期置换注浆的注浆区。
步骤十三、重复步骤六至步骤七，该施工单元的施工孔位的管棚钢管顶进至设计深度时，该孔位施工结束。
步骤十四、封孔注浆：在管棚钢管内以及注浆区内进行注浆，直至该单元的管内及管间注浆区注浆完毕，形成该单元的帷幕结构，注浆工序可以在该施工单元顶进过程中进行或者顶进完成后立即进行。
步骤十五、重复步骤十至步骤十四进行后续孔位管棚钢管的施工，直至所有孔位施工完成，整体帷幕结构注浆完毕。
所述施工单元包括已施工单元11和待施工单元12，待施工单元12均包含主控钢管13和随行钢管14，所述主控钢管13是与已施工单元12相邻的管棚钢管，所述随行钢管14是其余待施工的钢管，所述主控钢管13顶进时超前随行钢管14的长度为50-200cm，随行钢管14数量不小于1根，钢管顶进时，主控钢管是13该施工单元的钢管顶进方向主导钢管，通过控制主控钢管13与已施工单元11之间的连接件2，对两者的相对顶入位置进行纠偏。本发明在多根钢管顶进过程中，实时进行顶进轨迹纠偏，当顶进轨迹与设计轨迹发生偏差时通过楔形纠偏钻头进行纠偏。