长大管棚在隧道浅埋段的施工技术.doc

长大管棚在隧道浅埋段的施工技术摘要：介绍福建省首例采用40m长大管棚超前支护的施工技术，并在参数确定、机具选择、进度情况、质量控制与成本分析5个方面作了具体介绍。关键词：长大管棚；施工技术；参数确定；机具选择；质量控制；成本分析1、工程概况杨梅岭隧道设计为上下行分离式4车道高速公路隧道，隧道左线长1365m，右线长为1340m.全隧道按新奥法设计和施工，进口左洞和出口右洞洞口浅埋段最薄覆盖层分别为3.67m、4.05m，在洞口35m范围内为强风化、弱风化花岗岩，顶板为残坡积层，风化裂隙，发育具块状镶嵌结构，局部散体结构，围岩不稳定，易塌。福建省首次采用40m长大管棚对洞口段进行超前支护。沿隧道衬砌外缘一定距离打入一排纵向钢管，并且在插入钢管后，再往管内注浆以固结软弱围岩、充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密，以提高钢管的强度。开挖后架设拱形钢架支撑，形成牢固的棚状支护结构。2、施工工艺2.1施工工艺流程2.2管棚参数（1）钢管布设在圆心角为150°的隧道拱部；（2）钢管环向间距为50cm；（3）管心与衬砌设计外廓线间距为40cm；（4）倾角：仰角1°（不包括路线纵坡）；（5）钢管施工误差：径向不大于20cm；（6）管棚长度为40m，热轧无缝钢管108mm，壁厚6mm，节长3m、6m；（7）孔口管为天缝钢管127mm，壁厚6mm，节长2m.2.3机具选择管棚施工主要工序有开挖支护明洞边坡、仰坡；施作套拱；搭钻孔平台、安装钻机；钻孔；清孔、验孔；安装管棚钢管；注浆。工序技术要求高，工艺复杂，现分别叙述如下。2.4.1明洞边坡仰坡开挖支护（1）明洞段开挖应在洞顶截水沟施工完成后进行，应尽量避开雨季施工。（2）边坡防护应与明洞开挖同步进行：及时施工明洞边坡的锚杆、挂设钢筋网、喷射混凝土及时封闭坡面。（3）对边坡渗水要及时排、引到坡面外，加强对坡面的防护。2.4.2施作套拱（1）混凝土套拱作为长管棚的导向墙，套拱在明洞外廓线以外施作，套拱内埋设4榀工字型钢支撑，钢支撑与管棚孔口管焊成整体。（2）孔口管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量。用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。2.4.3搭钻孔平台安装钻机（1）钻机平台可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台应一次性搭好，钻孔由两台钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。（2）平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。（3）钻机定位：钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线也孔口管轴线相吻合。2.4.4钻孔（1）为了便于安装钢管，钻头直径采用115mm.（2）岩质较好的可以一次成孔；钻进时产生坍孔、卡钻，需补注浆后再钻进。（3）钻机开钻时，可低速低压，待成孔1.0m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。（4）钻进过程中经常用测斜仪测定其位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。（5）钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。（6）认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。2.4.5清孔验孔（1）用地质岩芯钻杆配合钻头（115mm）进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。（2）用高压气从孔底向孔口清理钻渣。（3）用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。2.4.6安装管棚钢管（1）钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻8出浆孔（靠掌子面45m的棚管不钻孔）；管头焊成圆锥形，便于入孔。（2）棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔（115mm），然后可用10t以上卷扬机配合滑轮组反压顶进；也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。（3）接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m.2.4.7注浆（1）安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，注浆后再施工无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。（2）注浆参数：水泥浆与水玻璃体积的比例为10.5；水泥浆水灰比11；水玻璃浓度35波美度；水玻璃模数2.4.（3）采用kby50/70液压注浆机将双液浆注入管棚钢管内，初压0.5mpa1.0mpa，终压2mpa，持压15min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。（4）注浆结束后及时清除管内浆液，并用30号水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。2.5劳动力组织管棚施工工序多，工种杂、技术性强、要求技术工人具有各方面独立操作能力，又能处理管棚施工中一般的故障，管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的质量。一台钻机三班作业劳力组织为：技术人员1人、机长1人、班长3人、修理工1人、电工1人、电焊工1人、钻工15人、合计23人。3、进度情况4、质量控制（1）钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。并对每个孔进行编号。（2）钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°1.5°，钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20cm30cm.（3）严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。（4）经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。（5）掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。（6）在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。5、管棚费用评价管棚费用主要包括管棚的套拱费用、管棚施工的人工费、管棚施工的机械台班费、管棚施工的材料费4大部分。现以福宁高速公路杨梅岭隧道进口左洞40m管棚（沿拱顶150°范围内布设33根长度各为40m注浆钢管，管棚的钢管总重量为21t）为例，分析管棚在现场施工中的实际费用。5.1套拱费用5.2人工费5.3机械台班费5.4材料费6、结语6.1对于隧道洞口的软弱破碎围岩地段、浅埋地段采用长大管棚施工工艺，提前发挥超前支护作用，增加了施工安全度，提高隧道的长期稳定性，具有显著的经济效益和社会效益。6.2在管棚支护下开挖，可减少地表下沉和防止围岩坍塌。6.3管棚钻孔可作为地质预探预报，地质资料可指导洞身开挖提供依据。6.4管棚施工工艺的引用，对福建省隧道施工技术的探索迈开新的步伐。参考文献1公路工程预算定额北京：人民交通出版社，19982福建省高速公路施工技术规范福建省高速公路建设总指挥部，19993tlejgf9327岩溶隧道管棚支护工法北京：人民交通出版社，1993隧道大型管棚施工技术1概况 渝黔高速公路E1合同段的真武山隧道位于重庆南岸4 km立后老爷沟，其右洞洞 口地质体为大量的滑坡堆积物。该隧道在拱部施工开挖进洞至8 m后，由于下暴雨、山洪爆 发 造成山体继续下滑、开挖的隧道被摧毁淹埋，滑坡堆积体地层十分松软、破碎，一旦开挖，极易发生塌方，有的根本无自稳时空。采用常规方法，要重新开挖，进洞十分困难。为了 保证隧道开挖的顺利进行，经过勘察设计，对开挖隧道实行管棚预支护，预先处理围岩 ，提高其整体性，增加稳定性，能承受开挖后的围岩应力和抑止围岩变形。1.1管棚施工的特点(1)套管直径大，采用I127 mm、厚4.5 mm的无缝钢花管作套管，且管内下入I90 mm的钢筋笼。(2)管棚长，最深孔深达40多m。(3)钻孔施工难度大，成孔十分困难，而且钻孔施工中不能用清水和泥浆钻进，否则会导致 山体的继续滑动，造成危险。(4)钻孔较密，孔间距60 cm，其外插角仅1°。一旦施工控制不严，将造成钻孔互相交错串通，管棚侵入隧道开挖轮廓线内，造成钢管桩报废。为了防止钻孔互相交叉，不侵入浇注体，钻进到设计孔深进入完整基岩3 m后，我们采 用了特殊的同步跟管施工工艺，以保证管棚施工质量，达到设计要求。1.2施工地质情况钻孔030 m为灰黄色、结构松散的碎石土或中密碎石土，土石比35。30 m以下为灰白色砂岩或深灰黑色页岩，其中页岩单轴饱和抗压强度值为2.53.4 MPa。 为了保证管棚具有足够的预支护强度，I95 mm气动潜孔锤钻孔同步跟入I127 mm的无缝 钢花管进入完整基岩。2管棚施工工艺该管棚施工的顺序为：钻孔并同步跟入无缝钢花管洗孔在钢管内安放钢筋笼 压力注入水泥浆。2.1钻孔2.1.1钻进方法由于所钻地层为松散的滑坡碎石土地层，采用常规钻进方法容易造成钻孔坍塌埋 钻，探头石卡钻等复杂的孔内事故，而且滑坡体为松散堆积层，用泥浆钻进严重漏浆，由于 浆体大量流经松散体内，还将造成松散体继续下滑的可能，给现场施工带来极大的危险。为 保证钻孔质量，顺利成孔，采用空气潜孔锤跟管钻进和潜孔锤超前扩底，套管扩孔双回旋钻进技术。以压缩空气作为潜孔锤动力，同时冷却钻头，排除岩屑。当钻孔钻进到设计深度后 ，取出中心钻具，套管留在孔内，钻孔一径成孔。2.1.2跟管钻进的设备及配套机具(1)钻机：由于全孔用空气潜孔锤跟管钻进，要求设备具有扭矩大、给进力大、转速慢的特点，为此，选用ZS-80A型全液压锚固钻机。该设备的具体性能如下：钻机给进力和起拔力大，处理事故能力强；钻机配有低速大扭矩动力头双回旋机构，具有双层滑动导轨，能实现孔口近距离钻进，加接钻杆方便； 具有液压升降机构，能方便地对正孔位。(2) DP102跟管钻进的钻具结构：DP102单偏心钻具由偏心钻头、中心钻头、限位销及防脱销组成，钻具与钻杆柱套管、潜孔 锤冲击器等共同形成跟管钻进系统。(3)跟管钻头：采用I127 mm单偏心跟管钻头和I127 mm同心式环状钻头以及I 135 mm潜孔锤单偏心扩底钻头，潜孔锤用J100B型。(4)跟管套管：采用DZ40高频淬火的无缝钢管，壁厚4.5 mm，反丝套管用接箍连接，丝扣长60 mm，牙型 采用标准地质套管螺纹。2.1.3跟管钻进中遇到的问题及解决措施(1)排屑困难：由于所钻钻孔基本上为水平孔，松散层的土比较潮湿，排出的岩屑多为泥团，当钻孔较深时，排屑十分困难，当钻进至设计孔深提钻时，发现严重岩粉卡钻。因此在钻进过程中，严格 控制进尺，勤吹孔，必要时从钻具内和钻具与套管的环状间隙送水洗孔提钻。(2)偏心钻头脱落事故：在施钻过程中经常发生偏心钻头脱落事故，经分析主要原因是偏心横销材质较差，易断。当事故 发生时，先拔管，然后用筒状岩心管取心钻进取出。需改变偏心横销的材质，选用轴承钢加 工横销。(3)管靴脱落事故：在跟管过程中，主要是通过跟管钻具在给进破岩的同时利用管靴与钻头上的台阶 拖着套管同步跟进。因此套管靴是主要受冲击振动的部位。当钻孔加深后，套管增长，摩擦力 大或后部套管被岩粉卡死后，套管管靴很容易被打脱。当管靴被打掉时，在拔出套管后，用公锥取出管靴，再继续跟管钻进。防止管靴脱落的主要措施如下：在动力头与套管之间增加一个同步给进装置；管靴与套管实行铆焊、点焊联接。(4)跟管钻进蹩钻事故：在跟管钻进过程中，当钻遇地下隐埋物如钢筋、硬质石英砂岩或土石软硬不均时，会发生严重蹩钻，钻具无法正反转，遇到此种情况需拔出套管，取心钻进后再跟管钻进。2.1.4管棚施工跟管操作注意事项(1)开孔：开孔前以孔口导管为准调正钻机，套管从导管中穿过，依导管的方位角 为准，尽量调正接近施工设计所需的方位角。套管穿过导管后一头放在需钻进的地表，用水平尺或连通管调平套 管，然后将套管调为上倾2°左右的角度，用钻机将套管压入土中10 cm左右，然后开风，不 回转钻具将管子打入土层1 m后回转钻具跟管，在开孔时发现套管偏斜等情况时应及时调整，保证以后的跟管精度。(2)钻进：钻进时应以排屑顺畅为准。浅部时应控制进尺，以免岩屑太多，排除不及时产生 回转困难的状况。钻进中发现回转阻力大或外套管跟着旋转的情况时要轻提钻具吹孔，若遇排渣时泥团过多应往孔内注水，放喷排出泥团。反转提钻：在必要反转提钻时可边冲击边反转2圈左右，然后在不停风的状态下提钻。钻具检查：每打完一个钻孔要检查偏心钻头的收敛和张开状况，注意偏角过大时要及时更换 横销或补焊偏心槽。套管及钻杆接头的检查：套管在连接时要上紧，当有接头露在外面时要防止接头松脱。钻杆 一定要上紧，防止在反转钻具时从钻杆接头处反脱。2.2洗孔当钻孔结束时，应对钻孔洗孔，洗孔采用I15 mm的铁管用潜水泵抽水清洗，边清洗 边来回抽动，回转铁管，清洗以水清砂净为准。2.3下入钢筋笼 钻孔冲洗到位后即可下入钢筋笼，钢筋笼的固定环采用I50 mm的无缝钢管，钢筋为 I20 mm的二级螺纹钢，制作好后用人工分段送入钢管内，钢筋搭接长度15 cm。2.4注浆 钢筋笼放入钢管内后，即进行压力注浆。注浆主要在于增大管子 的抗弯强度，同时增加松散地层的粘结力，提高围岩开挖后自稳的强度。注浆采用电动隔膜注浆机进行，施工配合比为10.35。为便于注浆施工，在套管口设置一个孔口异径接头控制装置。在压力作用下，浆液沿着花管的小孔渗入到围岩内且达到 一定范围，并且充填围岩裂隙。水泥浆凝固后，各个钢管、钢筋笼、围岩固结在一起，形成一个承载圈，围岩得到加固。其注浆终压一般控制在2 MPa以内。 3结语在松散地层中应用空气潜孔锤跟管钻进技术建成管棚是非常经济可行的。其 纯钻进效 率8 m/h以上，而且孔内事故少，钻孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，但是单偏心潜孔锤跟管钻进技术对于机具的配套，以及对于硬岩层和软硬不均的岩层适应性还有待进 一步改进。