浅谈大岗山水电站桃坝隧道中的长大管棚施工
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【摘要】：介绍了桃坝隧道浅埋段的长大管棚施工方法，并详细讲述了管棚施工的参数选择、施工方法及管棚钻孔和注浆的过程控制，为长大管棚施工积累了宝贵的经验。
【关键词】：长大管棚；浅埋段；钻孔；注浆；过程控制
1工程概况
大岗山水电站位于四川省雅安市石棉县挖角乡境内的大渡河干流上，为大渡河干流水电站规划的第14梯级电站，总装机容量为260万KW，多年平均年发电量114.0亿KW・h，枯水年枯水期平均出力为66.8万KW。
右岸高线Ⅱ标为大岗山水电站场内交通及S211线复建公路，全长3.8km，设计标准为二级公路；路基宽度10.5m，路面宽度9m。桃坝隧道为标内主要工程 (长1554m，建筑界限为10.5×5.3m)，单洞、双车道双向交通设计。
桃坝隧道出洞口地质条件较差，洞口浅埋段覆盖层最厚达53m，主要以崩、坡积体为主，基本无胶结质，整体呈松散堆积状态；为保证进洞安全，便采取用了强有力的长大管棚超前预支护措施；即沿隧道衬砌外缘一定距离打入无缝钢管，再往管内注浆以固结周围的松散堆积体，并充填钢管与孔壁之间的空隙，使钢管与周围的松散堆积体固结紧密并提高钢管强度，在预定的范围内形成棚架的支护体系。
2施工工艺
2.1施工工艺简介
长大管棚采用潜孔冲击跟管钻进法施工，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套管钻头并带动套管钻头钻进，每根套管之间靠螺纹连接到钻孔所需的长度，套管与回转动力头无连接；冲击器与内钻杆连接，内钻杆连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套管和钻杆。
2.2工艺流程
管棚分两期施工，其工艺流程相同，其施工工艺流程为：施工准 备、管棚钻进和注浆、待强、管棚段开挖。
3施工准备
3.1明洞边仰坡开挖与支护
明洞段开挖在洞顶截水沟施工完成后进行，尽量避开雨季施工；边坡防护与明洞开挖同步进行，及时施工明洞边坡的锚杆和网喷支护，以尽早封闭坡面；对坡面渗水处及时引排。
3.2管棚施工机具选择
水平潜孔HGT-100钻机，长5.5m；扭距4500N.m；给进力110KN；重量1.5t；电机功率55KW；钻杆直径为80mm,每节长3m，前端装有潜孔锤头。
3.3管棚参数选择
管棚布设在圆心角为180°的拱墙以上，钢管环向间距为45cm，管心与衬砌设计外扩线间距为30cm，一期管棚外倾角2°～3°，二期管棚外倾角1°，钢管施工误差径向不大于30cm；一期管棚施工长度为30m，二期管棚施工长度以反馈地质情况来确定。
3.4管棚钢管制备
管棚采用φ127mm、壁厚6mm热扎无缝钢管，钢管节长3～4m；钢管应在专用的管床上加工好丝扣，钢管四周钻Φ10mm出浆孔，梅花形布孔，孔距10cm(靠掌子面最少3m的棚管不钻孔，要与纵向两组管棚的搭接长度相等)；内管头使用外套钻头，便于入孔；外管头用同管径钢管制作，上留两个通孔阀门，为注浆和排气回浆用。
3.5安全及环保措施
作业人员配备相应劳保用品，安全帽、安全带、手套、工作服及防尘面罩等配备齐全；对作业人员进行安全教育培训，并设置专职安全员旁站；现场安装排风设备，及时吹排烟尘，防止污染环境。
4一期管棚施工
4.1搭设平台及安装钻机
(1)开挖并平整出场地，浇筑砼地坪并埋设地锚；安放模架平台，平台构件之间连接要牢固、稳定，防止在施钻过程钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响到钻孔质量。
(2)安装钻机时，钻机轴线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，用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
4.2钻孔
备、管棚钻进和注浆、待强、管棚段开挖。
3施工准备
3.1明洞边仰坡开挖与支护
明洞段开挖在洞顶截水沟施工完成后进行，尽量避开雨季施工；边坡防护与明洞开挖同步进行，及时施工明洞边坡的锚杆和网喷支护，以尽早封闭坡面；对坡面渗水处及时引排。
3.2管棚施工机具选择
水平潜孔HGT-100钻机，长5.5m；扭距4500N.m；给进力110KN；重量1.5t；电机功率55KW；钻杆直径为80mm,每节长3m，前端装有潜孔锤头。
3.3管棚参数选择
管棚布设在圆心角为180°的拱墙以上，钢管环向间距为45cm，管心与衬砌设计外扩线间距为30cm，一期管棚外倾角2°～3°，二期管棚外倾角1°，钢管施工误差径向不大于30cm；一期管棚施工长度为30m，二期管棚施工长度以反馈地质情况来确定。
3.4管棚钢管制备
管棚采用φ127mm、壁厚6mm热扎无缝钢管，钢管节长3～4m；钢管应在专用的管床上加工好丝扣，钢管四周钻Φ10mm出浆孔，梅花形布孔，孔距10cm(靠掌子面最少3m的棚管不钻孔，要与纵向两组管棚的搭接长度相等)；内管头使用外套钻头，便于入孔；外管头用同管径钢管制作，上留两个通孔阀门，为注浆和排气回浆用。
3.5安全及环保措施
作业人员配备相应劳保用品，安全帽、安全带、手套、工作服及防尘面罩等配备齐全；对作业人员进行安全教育培训，并设置专职安全员旁站；现场安装排风设备，及时吹排烟尘，防止污染环境。
4一期管棚施工
4.1搭设平台及安装钻机
(1)开挖并平整出场地，浇筑砼地坪并埋设地锚；安放模架平台，平台构件之间连接要牢固、稳定，防止在施钻过程钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响到钻孔质量。
(2)安装钻机时，钻机轴线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，用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
4.2钻孔 备、管棚钻进和注浆、待强、管棚段开挖。
3施工准备
3.1明洞边仰坡开挖与支护
明洞段开挖在洞顶截水沟施工完成后进行，尽量避开雨季施工；边坡防护与明洞开挖同步进行，及时施工明洞边坡的锚杆和网喷支护，以尽早封闭坡面；对坡面渗水处及时引排。
3.2管棚施工机具选择
水平潜孔HGT-100钻机，长5.5m；扭距4500N.m；给进力110KN；重量1.5t；电机功率55KW；钻杆直径为80mm,每节长3m，前端装有潜孔锤头。
3.3管棚参数选择
管棚布设在圆心角为180°的拱墙以上，钢管环向间距为45cm，管心与衬砌设计外扩线间距为30cm，一期管棚外倾角2°～3°，二期管棚外倾角1°，钢管施工误差径向不大于30cm；一期管棚施工长度为30m，二期管棚施工长度以反馈地质情况来确定。
3.4管棚钢管制备
管棚采用φ127mm、壁厚6mm热扎无缝钢管，钢管节长3～4m；钢管应在专用的管床上加工好丝扣，钢管四周钻Φ10mm出浆孔，梅花形布孔，孔距10cm(靠掌子面最少3m的棚管不钻孔，要与纵向两组管棚的搭接长度相等)；内管头使用外套钻头，便于入孔；外管头用同管径钢管制作，上留两个通孔阀门，为注浆和排气回浆用。
3.5安全及环保措施
作业人员配备相应劳保用品，安全帽、安全带、手套、工作服及防尘面罩等配备齐全；对作业人员进行安全教育培训，并设置专职安全员旁站；现场安装排风设备，及时吹排烟尘，防止污染环境。
4一期管棚施工
4.1搭设平台及安装钻机
(1)开挖并平整出场地，浇筑砼地坪并埋设地锚；安放模架平台，平台构件之间连接要牢固、稳定，防止在施钻过程钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响到钻孔质量。
(2)安装钻机时，钻机轴线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，用全站仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
4.2钻孔
(1)钢管连接采取内外丝扣连接，用一段长1m的Φ133mm热轧无缝钢管作为内管头，在管头处安装外套转头；钢管连接后在丝扣处加焊，以增加紧密性。
(2)钻进时的排渣通过钢管和内钻杆的间隙排出到联接头的排渣口，用钻杆内吹入的高压风及时吹排石渣粉尘，以防止积渣过多导致抱钻。
(3)每次加尺时要观察钢管丝扣连接是否紧密,如果较松须拎紧后加焊；接长钢管应满足受力要求，相邻管棚的接头应前后错开。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。
(4)认真做好钻进施工记录，及时对孔口返渣进行地质判断、描述，为相邻孔施工提供良好的地质情况，并可为开挖洞身时的地质预探预报。
(5)钻进时要频繁用经纬仪、测斜仪等检测倾角、外插角，如有偏差应及时调整钻杆角度，严格控制钻孔平面位置，钢管不得侵入隧道开挖线内，相邻钢管不得相交相撞，保证终孔后管棚的质量。
(6)施工中如遇到断管情况应根据该管钻进深度确定是否补打；当已钻进设计深度的95％时，可视为有效管，不用补打；当深度小于设计深度80％时，应在断管孔旁边重新补打；当相邻两管均未达到设计深度而断管时，必须在两管中间补打一管。
(7)当钻进到所需深度时反向旋转内钻杆90度即可将中心钻头与套管钻头分离，将内钻杆全部提到孔外，将钢管留在孔内；用准备好的管头将管口封起，并加焊密封；封孔后便可施工下一孔。
4.3管棚注浆
(1)在管棚施作一定数量后便开始对孔内进行注浆。
(2)注浆参数：水泥浆初始水灰比为0.8∶1，必要时掺加速凝剂或水玻璃；注浆初压0.5MPa，终压1.0MPa；浆液有效扩散半径不小于0.5m。
(3)注浆时用自动记录仪记录注浆量，用压力表反映注浆压力；拌浆时应经常量测浆液浓度，偏差明显时及时调整水泥用量。
(4)注浆过程中如果发现串管(浆液从非注浆管道中流出)，应对串浆管一并注浆；若浆液从岩体缝隙中流出，应暂停注浆，及时封堵裂缝。
(5)当注浆压力达到设计终压1.0MPa，在持压10min后即可停止注浆；注浆量一般为钢管圆柱体的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，确保管棚周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。
5一期管棚段开挖
5.1管棚段开挖
管棚施工完毕，在水泥浆达到一定强度后，对隧道按照设计要求进行分部位开挖。每循环开挖进尺不大于1m，一般为0.6m；及时架立钢拱架，并施作自进式中空锚杆及挂网喷砼支护。
5.2二期管棚工作室扩挖
(1)为方便二期管棚施工，工作室设计为9m长，半径加大75cm；扩挖后架设20B钢拱架，间距50cm，并施作锚杆及挂网喷砼支护。
(2)工作室在一期管棚支护范围内施工，并预留出与二期管棚搭接段，搭接长度不小于3.0m。
6二期管棚施工
6.1施工方法及注意事项
二期管棚施工与一期管棚施工方法一致，只是施工空间略为狭小，应注意各工序之间的安排，尽量减少交差作业；施工时做好洞内通风排烟，工作人员必须佩戴防尘面具。二期管棚施工长度应以前两孔施工时反馈的地质情况确定，遇到岩层后管棚必须钻进岩石三米以上。
6.2开挖二期管棚段
开挖后及时支护型钢拱架，并打设系统锚杆，施作网喷混凝土；开挖时可检查管棚注浆效果，总结经验。
7结语
施工的大管棚，是以掌子面和后方支撑为支点形成一个牢固的棚状结构；这种整体性较强的超前支护，防止了围岩的坍塌和不均匀沉陷；管内注浆，填充了钢管与围岩间的空隙，加固了管周的围岩，减少了后期开挖的掉块现象；另外管棚的钻孔可作为地质预报预探，为浅埋段洞身开挖提供了直接的地质资料。
对于隧道以松散堆积体地质为主的浅埋段，采用长大管棚施工工艺，发挥了超前支护作用，增加了施工安全度，降低了开挖难度，显著的增加了经济效益；是新奥法与其他辅助施工方法的完美结合。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。