洞身长管棚施工工艺新技术

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇洞身长管棚施工工艺新技术范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：介绍了某隧道进口在通过浅埋、偏压、软弱地层时，采用洞身长管棚跟管施工的新工艺，并将其与传统管棚松管施工工艺的不同之处进行了比较和说明。新型的管棚跟管施工工工艺使得长度为50 m的Φ121 mm钢管紧跟钻头，并实现一次成孔，不需要清孔送管。实践证明：该施工方法减少了施工工序，缩短了周期，加快了速度，是隧道管棚施工工艺今后的发展趋势。

关键词：隧道；管棚；钻孔；注浆

中图分类号：U455.49文献标志码：B

Abstract： A new technique for long pipe roofs applied in tunnel barrel instead of the oldstyled technology when it gets through shallowly buried， biased and weak formations was introduced， which means that the aperture and pipe roof will be formed and completed synchronously by using 50 m Φ121 steel tubes to keep in step closely with the drilling bit without cleaning out the hole and feeding pipes. As a result of applying this new technique， working procedures were reduced thus to shorten the construction period and furthermore， the development of construction technology for long pipe roofs in tunnel sector was prompted.

Key words： tunnel； pipe roof； drilling； grouting

0引言

管棚法最早是用于隧道施工的一种辅助方法，在隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂层的施工中发挥着重要作用。由于预埋超前管棚做顶板及侧壁支撑，为后续的隧道开挖奠定了坚实的基础，而且施工快、安全性高、工期短，被认为是隧道施工中穿越不良地质最有效、最合理的施工方法。目前，铁路隧道施工经常采用洞身大管棚施工法，一般每循环长度在10～30 m，需要多个循环。管棚施工的顺序为：钻孔；安装无缝钢管；在钢管内安放钢筋笼；压力注入水泥浆。此工艺循环时间长，工作效率差，影响工期，钻孔对围岩破坏严重，所以需要对管棚施工工艺进行科学研究和技术创新，以解决循环施工工期较长和洗孔对围岩本身稳定造成破坏的难题，确保管棚施工安全，提高生产效率，节省施工成本。如今，为隧道超前支护已成为管棚施工研究的发展趋势。

1工程简介

观音山隧道全长4 778 m，距离掌子面36 m的位置为F1断层，埋深10～20 m，断层为石炭系与寒武系接触带，构造裂隙发育，岩体破碎，地下水较发育，预测最大涌水量为

1 831 m3・d-1，为强富水区。掌子面施工时，地表出现大量裂缝，拱顶累计沉降量达到22 cm。为控制围岩变形，在掌子面两侧施作4根临时斜撑，但已被压弯变形，掌子面反压的沙袋也被顶出1 m，上台阶底部有大量水流出，浸泡岩体，致使岩体软化呈泥塑状。如果掌子面进行下一步开挖可能会出现坍塌，经参建四方会议讨论决定，采用洞身管棚的施工方法通过该浅埋软弱地层和F1断层带，管棚施工里程为DK31+530～DK31+580，长50 m，施作两个循环。

2管棚工艺的选择

2.1管棚工艺内容

管棚施工目前有两种，一种为传统管棚送管施工工艺，一种为新型跟管施工工艺。

传统送管施工工艺为：施作导向墙；钻孔；顶入钢管；安放钢筋笼；注浆。新型跟管施工工艺为：施作导向孔；钢管与钻头同步钻孔；安放钢筋笼；注浆。

2.2两种工艺比较

送管施工工艺和跟管施工工艺都是在隧道掌子面拱顶前方施作超前支护，保障掌子面后续开挖的施工安全，目的和结果都一样，但钻孔步骤有区别，不同之处包括以下几点。

2.2.1工艺

（1） 传统送管工艺在钻孔时是钻杆带动钻头旋转冲击岩层，再加上高压水对孔底进行冲洗，达到钻进效果。如控制不当，孔内岩层碎屑和泥土会将钻头抱死，出现卡钻，需要用大量的水将孔内的钻渣冲出来。如果施工管棚段地质是含水土质围岩，孔内钻头喷出的高压水会将围岩冲出大量空洞，破坏岩体，如果注浆不能将空洞全部填充满，还会给后续施工造成安全隐患。

在钻机钻孔时，由于钻头和钻杆受自重和回转力的影响，孔位线型呈不规则抛物线，遇到地质变化或坚硬孤石时极易偏空，造成侵入隧道净空和串孔。

（2） 跟管工艺采用两个钻头施工，外钻头连接管棚留在孔内，由内钻头带动外钻头同时旋转冲击围岩，使用高压风和少量高压水将钻渣从管棚内部排出。成孔后将内钻头钻杆从管棚中间退出，无需再进行清空送管，比送管工艺少了顶管环节，避免了卡管现象。

在跟管钻进时，为控制孔位方向，采用电子导向仪进行孔位纠正，大大提高了成孔的精度和长度。

2.2.2工期

（1） 送管工艺需要施作两个循环，第一个循环的施作长度为30 m，搭接5 m；第二个循环的施作长度为25 m。在进行第二个循环管棚施工前，还需要喷射混凝土导向墙，进行管棚开孔定位。

（2） 跟管工艺只需施工一个循环，长度为50 m，一次成型。

2.2.3成本

（1） 送管施工工艺需要两个循环，每个循环需要搭接5 m，总管棚施工长度为55 m，比设计多5 m；第二个循环管棚施工需要再次施作混凝土导向墙，厚度为1 m，需34.2 m3混凝土；在施工第二个循环管棚时，开挖支护班组人员将造成将近1个月的窝工。

（2） 跟管工艺只施工一次50 m管棚，与设计相符，导向墙只施工一次。开挖支护班组人员在管棚快结束时再进场施工，后期不存在窝工。

根据以上三点的对比分析，采用跟管工艺施工可减少对围岩的破坏，施工工期短，施工长度长，而且节约成本。

3跟管管棚施工方案

跟管管棚施工工艺流程为：开挖轮廓周边放样布孔；导向孔开孔；钻机就位；第一节管棚钻孔结束；钻杆退回原位；接长管棚；继续带管棚钻进安装至设计长度；下一根管棚钻孔；管棚全部完成，注浆同步进行，先施工奇数孔，再施工偶数孔。

3.1导向孔开孔

（1） 导向孔平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量，施工放样时需要考虑钻进过程中由于自重作用而产生的挠度、线路的坡度（竖曲线）、线路平曲线而产生的偏角等。管棚打设的角度分为仰角和外插角，现场利用“横断面投影”法进行了管棚导向管的施工放样，导向管定位准确，为管棚施工提供了良好的前提条件[1]。

（2） 在进行导向孔孔位开孔时，如不穿透初支拱架在拱架下方钻孔，将造成大面积欠挖，所以开孔必须穿透钢拱架，以保证钻孔顺利钻进。导向孔开孔采用自制Φ150 mm金刚石钻头开孔器，钻进2 m，直至没入拱架位置。

3.2安装钻机

（1） 用工字钢与钢管脚手架配合，一次性搭好搭设平台，钻孔由1台钻机从高孔位向低孔位进行，如工期紧，可增至2台。

（2） 平台要支撑于稳固的地基上，脚手架连接要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。

（3） 钻机要求与已设定好的导向孔方向平行，必须精确核定钻机位置。

3.3钻孔

（1） 首先使用Φ150 mm金刚石钻头开出2 m的导向孔，再采用钻机进行钻孔。管棚加工完毕后，采用变径管连接Φ133 mm钻头，内钻头采用Φ90 mm钻头，连接钻杆，伸入管棚孔内至岩面。用空压机排出的压缩空气使潜孔锤头产生锤击振动，由内钻头带动外钻头旋转冲击岩层，外钻头紧跟Φ121 mm管棚。第一节采用3 m长管棚，每节钻杆长6 m，钻孔至3 m后，将钻杆与内钻头退出管棚孔；将下一节5 m长的管棚放置钻机上，与上一节管棚连接，扣拧紧密后焊牢接缝；再将钻头从管棚内部伸入孔底，进行钻孔；以后每节管棚长度均为5 m，循环施作，直至达到设计长度。相邻管棚的第一节长度为5 m，与邻管棚接头错开2 m，采用同样方法施作[2]。

（2） 管棚钻孔时采用自制有线导向仪POS08型量测仪控制管棚钻进精度，每钻进3～5 m时，使用内钻头将导向仪的探棒送入孔底，进行一次倾角测量，保证管棚钢管不侵入开挖线。若发现管棚已侵入了开挖线，则停止钻送管棚钢管，或将已送入的管棚钢管拔出，注浆后重打，且根据前面的打设数据调整水平孔的入孔角度。

（3） 钻机开钻时，应低速低压；成孔10 m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，并根据钻机钻进的状态判断成孔质量，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，及时根据孔口岩屑进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料。

3.4注浆

（1） 安装好有孔钢花管，放入钢筋笼后，即对孔内注浆，浆液由ZJ400高速制浆机拌制。

（2） 注浆材料为水泥浆，比重为1∶1。

（3） 采用注浆机将浆液注入管棚钢管内，初压为0.5～1.0 MPa，终压为2 MPa，持压15 min后停止注浆。

（4） 注浆时先灌注奇数孔， 偶数孔用于排水。

3.5管棚加工

为了克服与围岩间的摩擦阻力，洞身长管棚钻进时需要承受很大的扭转力矩，而且管棚钻进越深，阻力就越大，这就对管棚材质、壁厚和连接点提出很高的要求，所以管棚加工是非常重要的环节。跟管棚管的连接方式选择矩形子母扣连接，丝扣长度10 cm。为防止反转脱扣，并保持钢管连接密封，两节管棚丝扣上紧后，接缝处应满焊，防止管棚在钻进时脱扣。

3.6劳力组织

劳力组织和设备情况如表1所示。

4施工要求与安全注意事项

（1） 钻孔外插角不宜大于5 °，工点应根据实际情况作调整。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3 °～5 °。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。

（2） 掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

（3） 接管时要检查管节两端连接丝扣，不得使用有脱扣和裂纹的管节。

（4） 大管棚接头面要错开，避免同一截面。

（5） 在管棚施工时，对围岩的扰动进行监控，现场进行动态控制。

（6） 拆卸钻杆时，要有统一指挥，明确联络信号，板钳卡钻方向应正确，防止管钳及扳手伤人。

5施工成本对比

观音山隧道进口洞身长管棚施工精度高，安全

保障系数高，加快了施工进度，有效地控制了地表和洞内下沉，减少了超挖及回填量，减少了每循环施工的时间与成本。经过量测，与前期对比，每次开挖均减少超挖40～50 cm，按40 cm计算，减少超挖量为300 m3；相应减少了C30喷射混凝土回填量300 m3，节省费用1884万元。跟管工艺50 m管棚一循环施作，相比送管工艺两循环施作55 m，最少节约时间15 d，节约成本802万元，还不存在开挖支护班组后续窝工情况，达到了很好的双盈效果。但其缺点是：管棚的外钻头需要单独在厂家加工，每个600～800元，每根管棚都需要丢1个外钻头在孔内，按照每个800元计算，共需32万元，比一般的管棚施工成本高。这些费用与跟管管棚施工产生的效益相比，可以忽略不计。

6结语

该管棚施工工艺能够加快软弱围岩的施工进度，同时又能确保施工安全，减少施工费用。随着中国隧道工程日益增多，在应对软弱围岩及不良地质条件下的隧道施工时，跟管工艺洞身长管棚法将具有广阔的应用空间，值得大力推广。

参考文献：

[1]王海彦，田岩平.隧道长大管棚预支护施工放样技术――横断面投影法[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2005，4（3）：4548.

[2]杨文灿，鲁斌.隧道超前长管棚施工技术[J].湖南交通科技，2009，35（4）：111113.