黃土及砂礫層隧道長大管棚施工技術論文

1、黃土及砂礫層隧道長大管棚施工技術（土胎法、潛孔鉆、錘擊法）內(nèi)容提要：在施工中遇黃土及砂礫層隧道經(jīng)常會考慮采用跟管鉆機施工長大管棚的方法，所應用的專用設備（如：水平地質(zhì)鉆機、跟管地質(zhì)鉆機）價格昂貴、體積笨重、操作困難、成功率偏低。在賽-果高速公路將軍溝隧道、康-臨高速公路南龍山隧道的實際施工中，我們通過工程實踐總結了采用“土胎法”施作導向墻、“潛孔鉆機”鉆進深孔、“鉆機頂進棚管配合錘擊法”的施工方案。該方案對“土胎法”、“潛孔鉆鉆孔”、“錘擊法”施工長管棚進行了詳細的描述，結合施工實踐，簡便實用、快速高效、效益顯著，為黃土及砂礫層隧道長大管棚的施作提供了有效的借鑒方案。關鍵字：黃土及砂礫層，管棚

2、，施工方案 1.管棚注漿方法的作用超前長管棚是為了保證隧道開挖的安全，利用隧道管棚機在隧道拱頂區(qū)域鉆設水平孔，打設超前支護鋼管，并進行注漿固結圍巖，使隧道拱頂預先形成一“傘狀”保護環(huán)。此結構的抗彎、抗剪功能可有效承載局部松馳的地層荷重，適時提供隧道開挖后尚未施作或發(fā)揮作用前這一空檔所需的支撐力，使隧道開挖面得以穩(wěn)定安全，并同之后的初期支護和結構等形成系統(tǒng)支護，達到“三度空間”支撐功能。超前長管棚適用于自穩(wěn)時間短的軟弱、破碎及含水等不良地質(zhì)圍巖地段。具有以下顯著功能：1.1錨桿作用鋼管起到普通錨桿的功用，加強整體性，使圍巖形成較強的圍巖殼。1.2“梁”的功能鋼管內(nèi)部形成的鋼管砼及鋼管自身，起到棚

3、支撐的作用。鋼管具有“梁”的功能，在滿足最小搭接長度的要求下，能夠承擔一定的荷載。1.3固結作用通過鋼管預注漿，漿體通過管壁鉆孔在鋼管周圍形成“放射狀”擴散，使圍巖固結形成整體，可減少隧道開挖引起的地表沉降。1.4超前預報作用通過鉆機成孔，能夠起到超前預報的功用，從而判斷未開挖段圍巖的地質(zhì)情況，有效的對未施工段的破碎、軟弱及含水圍巖采取預防措施，防止較大超挖及塌方。2.方案主要特點依據(jù)工程實踐，確定了黃土及砂礫層隧道長管棚施工的有效工藝，即采用“土胎法”施工導向墻，“潛孔鉆鉆機”鉆進深孔，“錘擊法”安裝長管棚。其特點如下：2.1采用“土胎法”施工導向墻，結合隧道圍巖條件，簡便易行、省工節(jié)時。2

4、.2潛孔鉆機鉆深孔，鉆機體積小，操作方便，靈活機動、定位較準確，易于掌握、可大面積推廣。操作簡單，速度快，效率遠高于水平地質(zhì)鉆機、跟管地質(zhì)鉆機及其它專用鉆機。2.3鉆機配合錘擊法安裝管棚，簡單有效，成本投入較低。有效解決管棚安裝中的塌孔、卡孔現(xiàn)象，最大限度的實現(xiàn)設計意圖。2.4 利用施工常用設備，動力單一，安全可靠，無需另配其它設備，節(jié)省工程直接成本。3.方案適用范圍適用鐵路、公路、水利及地下工程黃土及砂礫層圍巖的超前支護，管棚適宜長度15-40m，管棚鋼管直徑可為76-130mm。也可用于處理坍體及洞口坡積層松散體的進洞超前施工。同時也可作為地質(zhì)超前預測、預報的手段。4.方案基本原理4.1利

5、用黃土、砂礫土、卵礫土、坡積體等巖土較易開挖、整型的特點，采用土胎作為施工導向墻的內(nèi)模，簡單節(jié)時。4.2潛孔鉆機利用壓風機供風作為動力源，預先測定孔位，按照調(diào)整好的方向鉆深孔。4.3安裝鋼管時，新、老黃土優(yōu)先考慮采用鉆機推進；當遇卵石、砂礫、坡積體層有局部塌孔及卡孔現(xiàn)象時，加大安裝機具的打擊、震動力，以“錘擊法”進行安裝。5.黃土及砂礫層隧道長管棚施工的工藝流程及操作要點5.1工藝流程明洞開挖、預留臺階測量放線、土胎修整鋪設內(nèi)模、支立鋼架導 向 墻 施 工鉆機安裝測定孔位鉆孔校正清孔成孔黃土層推進管棚掏出漿液，填充砂漿注漿機注漿卡孔時錘擊擊入管棚隧 道 開 挖施 工 準 備黃土及砂礫層隧道長管

6、棚施工工藝流程圖（圖1）5.2管棚施工中的主要方法及控制要點“土胎法”施工導向墻5.2.1.1明洞段開挖在洞頂截水溝施工完成后進行，應盡量避開雨季施工。5.2.1.2對邊坡滲水及時排、引到坡面外，加強對坡面的防護。土胎施作明洞挖方時按照臺階進行開挖，預留好鉆孔、頂管的施工空間。根據(jù)套拱設計輪廓尺寸進行土胎的開挖、修整。土胎形狀控制采用“外支距法”，以拱頂標高上1m的水平基線進行垂直支距的控制。土胎按照設計尺寸整修后，可采用防水板整環(huán)進行鋪設，作為底模。鋼架在加工場地采用冷彎成型，鋼架按照外插角計算，鋼架半徑逐環(huán)加大控制為宜，底腳采用砼作為基礎進行架立，架立時按照設計外插角進行標高二次調(diào)整。導向

7、管布設呈“放射狀”，同時考慮隧道縱坡和平曲線的影響。導向管復核用經(jīng)緯儀以“坐標法”在工字鋼鋼架上定出其平面位置；用“水準尺配合坡度板”設定導向管的傾角；用“前后差距法”設定導向管的外插角。 導向管施工時注意將導向管向前方打入土體1020cm，并將尾端進行預先封堵。防止砼流入管內(nèi)，并將導向管牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓炷習r產(chǎn)生位移。外?？刹捎媚景濉撃?、竹膠板等。若砼外觀要求較高，建議采用鋼模。模板安裝前，確保鋼架、導向管復核無誤。外模板固定采用外背鋼筋，鋼筋與工字鋼連接焊牢，堵頭板與工字鋼固定牢固并環(huán)向成線。砼澆筑采用泵送或普通砼，兩側對稱澆筑，按23m弧長預留澆筑窗口位置。5.2.2潛孔

8、鉆鉆進深孔5.5.2.1鉆機就位:鉆機安裝a借用預留的臺階進行底面平整。鉆機平臺以利用土胎為宜也可用枕木或鋼管腳手架搭設，搭設平臺一次性搭好。b采用鋼管或方木做為鉆機的臨時支座，鉆機安設時以支座調(diào)整縱向方向和外插角。鉆孔用鉆機由高孔位向低孔位對稱進行，可縮短移動鉆機與搭設平臺時間，便于鉆機定位。c因鉆機自重輕，應采用機體固定地面或機體固定掌子面等加固措施，確保鉆機在施鉆時穩(wěn)固。鉆機固定很重要，平臺支撐要著實地，連接要牢固、穩(wěn)定。以焊接、地錨、連接整體的模式對其前后端采取固定措施，防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質(zhì)量。d鉆機定位時鉆機要求與已設定好的孔口管方向平行，必須精確核

9、定鉆機位置。用經(jīng)緯儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調(diào)整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。5.2.2.2鉆孔（一般情況）:a在套拱施工完成后，安裝潛孔鉆機，由測量人員準確畫出鉆孔位置，區(qū)分開有孔鋼花管的位置和無孔鋼花管的位置。應先鉆有孔鋼花管的孔，頂入有孔鋼花管并注完漿后再鉆無孔鋼花管的孔頂入無孔鋼花管。b引導孔直徑應比棚管外徑大20-30mm，孔深要大于管長0.5m以上。c鉆機開鉆開始時低壓低速，待成孔1米以上可升高到正常壓力，每鉆一節(jié)續(xù)接一節(jié)，直至設計深度。鉆孔時，推力要嚴格控制，不能過大，否則容易出現(xiàn)掉鉆頭、卡鉆等現(xiàn)象。施鉆時，防止鉆機過大顫動，提高施鉆精度。d換鉆桿時，要注意檢查

10、鉆桿是否彎曲，有無損傷，中心水孔是否暢通等，不符合要求的更換，以確保正常作業(yè)。e第一節(jié)鉆桿鉆入巖層尾部剩余20-30cm時鉆進停止，用兩把管鉗人工卡緊鉆桿（注意不得卡絲扣），鉆機低速反轉(zhuǎn)，脫開鉆桿，鉆機沿導軌退回原位，人工裝入第二根鉆桿。f鉆孔達到要求深度后，按同樣方法拆卸鉆桿，鉆機退回。g認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔口巖屑進行地質(zhì)判斷、描述。作為開挖洞身的地質(zhì)預探預報，為指導洞身開挖提供依據(jù)。5.2.2.3鉆孔（軟質(zhì)泥巖）:a潛孔鉆在巖石隧道、黃土隧道硬質(zhì)泥巖、砂巖中均能夠正常工作。b在軟質(zhì)泥巖中，潛孔鉆受介質(zhì)影響鉆進非常困難，必須保障中心孔的通風，需自制螺旋鉆頭或梅花鉆頭，其制作形

11、式以簡單、實用為宜。鉆頭改進c成孔后宜及時安裝管棚，防止長時間暴露或鉆機振動造成局部塌孔。5.2.2.4鉆孔（砂礫層）:a潛孔鉆在砂礫層、卵石土層鉆孔時會發(fā)生卡鉆、塌孔，一般只能短距離完成鉆進工作?？锥搭A注漿b在砂礫層、卵石土層隧道進行管棚施工，可采用“預注漿”的辦法，一般經(jīng)12次，可基本完成長管棚的成孔。由于“預注漿”的成本較高，在基本能夠鉆孔的前提下不宜多注。c“預注漿”宜采用水泥水玻璃雙液漿。d預注漿后，進行二次鉆孔，達到基本成孔。5.2.3管棚安裝管棚安裝采用大孔引導和棚管鉆進相結合的工藝，既先鉆大于棚管直徑的引導孔，然后利用鉆機的沖擊和推力（頂進棚管時鉆機不使用回轉(zhuǎn)壓力，不產(chǎn)生扭矩）

12、沿引導孔頂進，接長管棚，直到孔底。5.2.3.1具體作業(yè)要點：a管件制作：管棚熱軋無縫鋼管（有設計為有孔鋼花管和無孔鋼花管各半），一般鋼管節(jié)長為4m、6m兩種，管棚接長時先將第一根鋼管頂入鉆好的孔內(nèi)，再逐根連接，連接方式有三種作為參考：內(nèi)外套絲扣連接、內(nèi)連接套焊接、V口或矩形口焊焊接。采用內(nèi)連接套焊接時，管節(jié)連接套要預先焊接在每節(jié)鋼管尾端，聯(lián)接套應選用和管棚同材質(zhì)的鋼管制作。第一根鋼管前端要做成錐狀，以方便頂入。b接長管件應滿足管棚受力要求，相鄰管的接頭應前后錯開，避免接頭在同一斷面受力。c頂管前，要用高壓風將已鉆好的孔吹干凈，以保證頂管順利。d頂管時，將鋼管安裝在鉆機事先加工好的管口上，對準

13、已鉆好的引導孔，低速推進鋼管。注意應先打有孔鋼花管注漿后再打無孔鋼花管。e接管時，當?shù)谝桓摴芡七M孔內(nèi)，孔外剩余30-40cm時，開動鉆機反轉(zhuǎn)，使頂進的連接套與鋼管脫離，鉆機退回原位，人工安裝第二節(jié)管。f管棚應按設計位置施工，應先打有孔鋼花管，注漿后再打無孔鋼管，無孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量。鉆機立軸方向必須準確控制，以保證孔口的孔向正確，每鉆完一孔便頂進一根鋼管，鉆進中應經(jīng)常采用測斜儀量測鋼管鉆進的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設計要求，及時糾正。5.2.3.2管棚安裝（黃土層）:a頂管前，要用高壓風將已鉆好的孔吹干凈。b頂管時，將鋼管安裝在鉆機事先加工好的管口上，對準已鉆好的引導孔，低速推進

14、鋼管。也可采用挖機固定方向后進行頂管。c管棚接長時先將第一根錐尖鋼管頂入鉆好的孔內(nèi)，再逐根連接。d接長管件相鄰管的接頭應前后錯開，避免接頭在同一斷面受力。e當設計有無孔鋼花管和有孔鋼花管時，應先打有孔鋼花管注漿后再打無孔鋼花管。無孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)量。每鉆完一孔便頂進一根鋼管。“錘擊法”安裝管棚（砂礫層）:a潛孔鉆在砂礫層、卵石土層安裝時可能會發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，一般只能較短距離安裝工作。b在砂礫層、卵石土層隧道可采用“錘擊法”進行管棚安裝，安裝可采用挖掘機或自制“吊錘”。c安裝過程中必須采取方向控制措施，以控制外插方向和鋼管的扭曲。d安裝時，將第一根帶錐尖的鋼管固定好方向并推入，當推

15、入有困難時可采用“挖機錘擊”或“吊錘錘擊”。e采用錘擊法，連接套要在安裝基本到位后進行焊接，連接套焊接前切除擊打損傷部位。錘擊法施工具體步驟見“錘擊工序”。挖機錘擊法：架設方向 緩慢推進 錘擊 連接 繼續(xù)錘擊 緩慢推進至完成 注漿吊錘錘擊法：安裝吊錘支架 管棚定向 緩慢擊進 吊錘沖擊 安裝完成 注漿5.3管棚注漿5.3.1在管棚的尾端接止?jié){蓋，上焊接注漿管，尾部1米的管壁與孔壁之間用水泥砂漿封堵，同時要掏進管內(nèi)殘渣，采用雙液注漿泵壓注1：1水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力初壓0.51.0Mpa，終壓2.0Mpa。安裝好有孔鋼花管后即對孔內(nèi)注漿，注漿后再施工無孔鋼管，無孔鋼管可以作為檢查管，檢查注漿質(zhì)

16、量。注漿參數(shù)：水泥漿添加水泥重量5%的水玻璃；水泥漿水灰比11；水玻璃濃度35波美度；水玻璃模數(shù)2.4。初壓0.5 mpa1.0 mpa，終壓2 mpa，持壓15 min后停止注漿。注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達到壓力要求，應調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標準，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。采用雙液注漿泵進行注漿，集料管分開設置，不宜過長。出料管單行，在距離注漿位置1.01.5m范圍內(nèi)匯集成一個出料管。注漿宜采用“分段注漿”，長管棚鋼管環(huán)向間隔一根注漿。管口閘閥封閉，注漿結束后清理管內(nèi)漿液，并用M30砂漿充填，增強管棚的剛度和強度。6.

17、機具設備及鉆機技術參數(shù)表6.1需機具設備見表1表1 機 具 設 備 表 序號設備名稱及規(guī)格單位數(shù)量備注1挖掘機1施工中的方向固定、機具固定、安裝鋼管方向固定的用具、材料自備2潛孔鉆機臺23注漿機臺24吊錘15管鉗把26專用鉗把27普鉗把28活動搬手把29鉆頭（含自制鉆頭）個4（2）10鉆桿根306.2技術參數(shù)見表2 表2 技 術 參 數(shù) 表 序號項目指標1型號可選用KSZ100或其他2鉆孔直徑76-130mm3鉆孔深度15-40m4鋼管布設120的隧道拱部5鋼管環(huán)向間距一般為40 cm6外插角11.5(不包括路線縱坡)7鋼管施工誤差徑向不大于15 cm8導向管比棚管外徑大20-30mm9同一橫

18、斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%10相鄰鋼管接頭至少錯開1 m7.勞動組織管棚施工工序多、工種雜、技術性強，要求技術工人具有各方面獨立操作能力，又能處理管棚施工中一般的故障。管棚施工的質(zhì)量很大程度上取決于鉆孔、安裝和注漿的質(zhì)量。一臺鉆機兩班作業(yè)勞力組織為：技術人員1人、測工1人、施工調(diào)度1人、機長2人、修理工1人、電工1人、電焊工2人、普工10人、注漿機司機1人、汽車司機2人，合計21人。具體安排見下表（表3）表3 勞 力 組 織 表 序 號工 種人 數(shù)備 注1施工調(diào)度1負責總體協(xié)調(diào)2技術員1技術指導3測工1負責布孔、定位量測、質(zhì)量檢查4機長2組織鉆孔工序正常運轉(zhuǎn)5普通工10負責搭制工作臺、裝卸鉆桿

19、、裝接鋼管及配屬其他6電工1負責供水供電7電焊工2焊接作業(yè)8汽車司機2負責運料9注漿機司機1注漿8.管棚施工質(zhì)量要求8.1鉆孔前，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角。并對每個孔進行編號。8.2 鉆孔仰角的確定應視鉆孔深度及鉆桿強度而定，一般控制在11.5，鉆孔角度誤差控制在0.5以內(nèi)。鉆機最大下沉量及左右偏移量為鋼管長度的1%左右，并控制在20 cm30 cm。8.3嚴格控制鉆孔平面位置，鉆孔平面誤差要求小于或等于15cm，管棚不得侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。8.4經(jīng)常量測孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時糾正，至終孔仍超限者應封孔，原位重鉆。8.5掌握好開鉆與正常鉆進的壓力和速度，防

20、止斷桿。8.6在遇到松散的堆積層和破碎地質(zhì)時，在鉆進中可以考慮增加套管護壁，確保鉆機順利鉆進和鋼管順利頂進。8.7鉆機送管時，要檢查管節(jié)兩端聯(lián)接絲扣，有脫扣和裂紋的管節(jié)不得使用。8.8長管棚接頭處要錯開，以利整體受力。8.9控制鉆孔速度，尤其接長鉆桿后鉆進方向（角度）應嚴格控制。成孔要孔壁圓、角度準、孔身直、深度夠。8.10頂管前要用高壓風進行吹孔，清除孔內(nèi)雜物。8.11注漿時應準確掌握漿液配比，并使?jié){液在巖體內(nèi)充填密實，注完水泥漿后要及時掏漿并注砂漿。8.12在進行高壓注漿前，將各孔口封堵嚴密，防止?jié){液外漏，影響注漿效果和管棚質(zhì)量。8.13用地質(zhì)巖芯鉆桿配合鉆頭進行來回掃孔，清除浮渣至孔底，

21、確保孔徑、孔深符合要求、防止堵孔。8.14用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣。8.15用經(jīng)緯儀、測斜儀等檢測孔深，傾角，外插角。8.16采用預先做好的連接套使兩節(jié)鋼管聯(lián)結成一體，連接套絲扣長度不應小于15cm。鋼管應在專用的管床上加工好絲扣，棚管四周鉆10出漿孔(靠掌子面45 m的棚管不鉆孔)；管頭焊成圓錐形，便于入孔。根據(jù)管棚施工長度，按同樣方法繼續(xù)接長鋼管。接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1 m。9.施工安全措施除遵照鐵路隧道施工安全規(guī)則及相應的規(guī)范外，為確保安全，還應采取以下措施：9.1開工前進行全員安全意識教育。9.2針

22、對長大管棚施工特點和要求，參照有關安全規(guī)則制訂安全規(guī)章制度。9.3拆卸鉆桿時，要有統(tǒng)一指揮，明確聯(lián)絡信號，扳鉗卡鉆方向要正確，防止管鉗及扳手打傷人。9.4鋼管內(nèi)注漿時，操作人員應戴口罩、眼鏡和膠手套。9.5要有良好的照明條件。10.經(jīng)濟效益分析10.1采用“土胎法”施工導向墻，充分結合隧道圍巖條件，較采用棚架法施工導向墻更加簡便易行、節(jié)省人工、速度更快。臺架法棚架法對比狀況如下：土胎法10.2潛孔鉆機鉆深孔，鉆機體積小，操作方便，靈活機動、易于掌握，效率遠高于水平地質(zhì)鉆機、跟管地質(zhì)鉆機及其它專用鉆機。利用施工常用設備，動力單一，安全可靠，無需另配其它設備，節(jié)省工程直接成本。潛孔鉆鉆孔跟管鉆孔對

23、比狀況如下：挖機錘擊安裝鋼管跟管安裝鋼管10.3鉆機配合錘擊法安裝管棚，有效解決管棚安裝中的塌孔、卡孔現(xiàn)象。較跟管安裝更加簡單有效，成本投入更低。此方案不僅能夠保質(zhì)保量完成施工任務，而且能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。與以往的施工方式比，“土胎法”施工每組導向墻節(jié)省人力約20工日，節(jié)約時間2天，潛孔鉆與跟管鉆機相比節(jié)約機具費用約25萬元，錘擊法解決成孔困難比較成功，節(jié)約預注漿成本約8萬元。11.工程實例11.1賽果高速公路將軍溝隧道進口工區(qū)洞口段圍巖主要為亞粘土、角礫土、第四系殘坡積碎石土，隧道出口工區(qū)洞口段圍巖主要為亞粘土和強風化石灰?guī)r。圍巖呈碎石松散結構，干燥無粘結性，大小雜亂，級配較差，易坍塌。設計各進洞洞口段V級圍巖長度為：右線進口27m；左線出口30m；右線出口50.3m；左線進口62.4m。出露的洞口圍巖松散破碎、無粘結性，基本無自穩(wěn)能力，擾動后極易坍塌。根據(jù)地質(zhì)情況，將軍溝隧道進口工區(qū)兩個進洞段設計采用108mm單層大管棚超前支護，環(huán)向管間距40cm，單循環(huán)管長30米。洞口設150cm長