蘭渝鐵路關(guān)子嶺隧道洞身長管棚施工技術(shù)

1、洞身大管棚施工技術(shù)1 管棚概述管棚一般是沿地下工程斷面的一部分及全部，以一定的間距環(huán)向鉆設(shè)與隧道軸線基本平行的鉆孔，而后插入大直徑的鋼管，并向管內(nèi)注漿固結(jié)周邊圍巖，從而在預(yù)定范圍內(nèi)形成鋼管棚護的支護形式。管棚超前支護是為了在特殊的地質(zhì)條件下確保進行安全開挖，預(yù)先提供增強地層承載力的支護方法。主要適用于軟弱地層、軟巖、巖堆和破碎地段。隧道進、出口及淺埋段應(yīng)用較多。2 設(shè)計情況關(guān)子嶺隧道位于甘肅省隴南市楓相鄉(xiāng)，為一座雙線隧道，設(shè)計時速200km/h，全長2725m，進出口均與橋梁相接，地層主要由第四系全新統(tǒng)坡積，崩積碎石類土及下元古界砂質(zhì)板巖夾砂質(zhì)絹云母千枚巖組成。隧道DK433+166DK433

2、+266為淺埋段（設(shè)計為級圍巖、支護級加強），穿越地表沖溝，沖溝地表呈波狀起伏，巖堆發(fā)育，石塊較大多呈長條狀、圓形等。溝槽多為急坡谷，下切較深。地表覆土較淺，見基巖出露。自然橫坡20°-40°，山坡植被發(fā)育，交通條件差。沖溝溝底距隧道拱部最小埋深16m，沖溝常年有水經(jīng)過，實測過水?dāng)嗝?m2，流量6m3，雨季受氣候季節(jié)降水影響較大。為了安全的穿越此淺埋段，設(shè)計采用了長管棚進行超前支護，管棚設(shè)計要求：管棚布設(shè)在隧道拱頂120°范圍內(nèi)，管棚采用895的無縫鋼管，管棚長10m，外插角8°，下一環(huán)管棚與上一環(huán)管棚水平搭接3m，具體見圖1、圖2。圖1 洞身大管棚正面

3、布置圖圖2 洞身大管棚縱向布置圖3 管棚鉆機的選型管棚機主要分為兩種類型，一種為簡易的水平鉆機，一種為潛孔地質(zhì)鉆機。水平鉆機自身無法調(diào)整鉆桿外插角，無動力裝置，無法自行行走，須搭設(shè)操作平臺行走和控制鉆桿外插角，鉆孔動力系統(tǒng)靠高壓風(fēng)，一般用于洞口大管棚的施工。潛孔鉆機配有履帶，自身可行走（電力），自身通過液壓系統(tǒng)可調(diào)鉆桿的豎向角度和側(cè)向角度，鉆孔動力系統(tǒng)靠高壓風(fēng)，可用于洞口和洞身管棚施工。兩種管棚鉆機優(yōu)缺點比較。水平鉆機優(yōu)點：鉆機價格便宜，缺點：搭設(shè)鋼平臺耗時長施工效率低；管棚工作室較大。潛孔鉆機優(yōu)點：鉆桿可調(diào)豎向角和側(cè)向角，可以提高工作效率；不需要搭設(shè)鋼平臺，只需將洞碴扒平整，管棚準(zhǔn)備時間短，

4、節(jié)約施工時間；管棚工作室較小，節(jié)約成本，提高功效；鉆機機動性強，出現(xiàn)緊急情況，鉆機可及時撤離，缺點：價格相對昂貴。鉆機型號選定。考慮在盡量減小管棚工作室的情況下，滿足設(shè)計管棚外插角8°的需要，考慮到施工功效，我們選擇了小型號的潛孔鉆機。潛孔鉆機型號KQ90D，潛孔鉆外形尺寸長 2.5m，寬 1.95m，高 1.6m，整機重 1640kg，潛孔鉆機機械性能，可鉆孔長30 m，孔徑90mm130mm,豎向角上仰25°、 下俯 25°，側(cè)向擺角左30°、右30° ，回轉(zhuǎn)扭矩800N.m，推進軸壓力10000N以上操作性能可以滿足設(shè)計要求。4 機械、人

5、員配置情況表1. 主要機械配置表序 號設(shè)備名稱規(guī)格型號單 位數(shù) 量備 注1管棚鉆機KQ90D臺1張家口市宣化2雙液注漿機KYB-70/80SK臺23砼攪拌車8m3輛14紅巖金剛汽車10m3輛15交流電焊機BX1-500臺26挖掘機小松臺17側(cè)翻裝載機柳工臺18鑿巖機YT28臺49濕噴機ZBSP-6C臺1表2.主要管理及作業(yè)人員配備表序號工 種數(shù)量（人）具體分工備注1負責(zé)人1負責(zé)管棚施工的全部事宜2領(lǐng)工員2負責(zé)現(xiàn)場施工和安全工作3技術(shù)員1掌握施工技術(shù)、質(zhì)量及各種異常情況的處理和匯報4測量員2鉆機定位、監(jiān)控量測等工作5試驗員1注漿配合比的調(diào)試6安全員1負責(zé)施工過程的安全監(jiān)控7電焊工2導(dǎo)向架、導(dǎo)向管

6、的安裝及加固8鉆工4管棚工作室的開挖鉆眼9立架工4鋼拱架安裝及加固10噴砼工4噴射砼作業(yè)11壓漿工2操作壓漿機，做好注漿原始記錄12司機4操作機械及車輛13普通工4協(xié)助各項工作5 洞身管棚施工工藝5.1洞身管棚施工工藝流程圖（見圖3）圖3. 洞身管棚施工工藝流程圖掌子面開挖漿液制備連接注漿管路、調(diào)試管棚工作室施做導(dǎo)向墻、導(dǎo)向管施做做噴射砼封閉工作面管棚加工清孔、驗孔、安裝管棚鉆機就位及鉆孔封孔、管棚與鋼架焊接注漿5.2管棚的制作加工5.2.1大管棚用鋼材的規(guī)格、型號、材質(zhì)滿足設(shè)計要求和國家有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。我們選擇的材料為：89的無縫鋼管，壁厚5mm，單根管長6m，材質(zhì)為Q235。5.2

7、.2管棚制作 管棚鋼管設(shè)計采用鋼花管。鋼花管前端20cm做成錐形易于插入，后端1m范圍內(nèi)不開孔，尾部焊接16加勁箍，其余部位周身按梅花形布設(shè)1016mm的壓漿孔。具體見圖4圖4 管棚加工示意圖5.2.3鋼管間的連接。每根鋼管的一端都車15cm長的外絲扣，鋼管間采用一根長30cm帶全內(nèi)絲扣的956的無縫鋼管進行連接。為了錯開接縫，每根管棚采用兩根長6m和4m的鋼管組成。5.3 管棚工作室洞身管棚施工前應(yīng)預(yù)先施做管棚工作室，管棚工作室應(yīng)綜合考慮鋼管外插角、管棚機型號、施做斷面前后支護情況及施工可操作性。關(guān)子嶺隧道設(shè)計管棚外插角為8°，經(jīng)斷面及實際現(xiàn)場分析（見圖5）斷面前方預(yù)留2.4m&#

8、215;0.35m環(huán)向管棚操作室。圖5 管棚工作室5.4 導(dǎo)向墻及導(dǎo)向管為縮短施工時間，導(dǎo)向墻采用C30噴射砼，厚度50cm。導(dǎo)向墻內(nèi)設(shè)置兩榀I20b工字鋼，鋼架間距設(shè)置為30cm，為了減少管棚的外插角，我們采取了在導(dǎo)向墻內(nèi)兩榀I20b工字鋼腹板開孔的辦法，導(dǎo)向管采用130鋼管與鋼架腹板焊接，縱向通過22螺紋鋼與拱架加強連接。導(dǎo)向管設(shè)置角度為8°（通過調(diào)整鋼架半徑，間接調(diào)整導(dǎo)線管角度），長度設(shè)定為80cm，套拱內(nèi)外均鋪掛8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片間距20×20cm，拱架縱向采用22連接相連，間距0.5m，每榀鋼架徑向打設(shè)鎖腳及環(huán)向錨桿，錨桿長度3.5m，環(huán)向間距1m，與鋼架焊接牢固。

9、5.5 鉆機就位及鉆孔鉆孔是管棚施工的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),鉆孔質(zhì)量的優(yōu)劣直接到管棚的整體質(zhì)量。為較少圍巖擾動，充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，此段圍巖采用三臺階七步開挖方法。鉆孔主要采用翼片式硬質(zhì)合金鉆進工藝,對于難成孔的地層則采用跟管法。施工順序由下向上由兩邊向中間依次進行。通過洞內(nèi)棄砟整平施做平臺。鉆機角度調(diào)節(jié)采用全站儀高差定位，確定角度見圖6。適當(dāng)調(diào)節(jié)平臺高度，確保鉆頭正確插入導(dǎo)向管。采用高壓風(fēng)站的高壓風(fēng)帶動鉆頭，開空時，低速低壓，待成孔1m后，適當(dāng)加壓，鉆孔進入土質(zhì)地層采用壓力適當(dāng)調(diào)小，以免引起塌孔。塌孔時可進行注漿加固待周邊土質(zhì)形成一定強度后再行鉆孔，直至鉆直設(shè)計長度，鉆孔采用特制精密水平陀螺儀檢測

10、偏斜。圖6 管棚機角度調(diào)整5.6 清孔、驗孔并安裝管棚鉆孔完成后鉆桿退位，再次鉆進進行清除孔內(nèi)浮渣，確?？讖?、孔深并防止堵孔。利用高壓風(fēng)清理鉆渣，用測桿檢測孔深，用測斜儀量測外插角。檢測合格后立即安裝89的鋼管，鋼管在同一截面內(nèi)接頭數(shù)量50%，每根鋼花管由2根組成，相鄰鋼化管分別布置成6m、4m及4m、6m的組合形式。鋼管之間通過套管絲扣連接。淺孔段采用人工推進，孔深阻力大時，采用鉆頭慢慢頂進，推進時采用測斜儀經(jīng)常檢查鋼管的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜超過設(shè)計要求及時糾正。鋼管安裝完成后及時安裝孔口止?jié){塞，并對每根鋼管連續(xù)編號且做好標(biāo)記。管棚安裝后，用麻絲和錨固劑封堵鋼管與孔壁間空隙。5.7 噴砼封閉工作

11、面 一環(huán)38根管棚安裝完畢后，對開挖工作面、拱圈及孔口管周圍巖面噴射10cm厚的C25混凝土，以防止鋼管注漿時巖面裂隙跑漿。5.8 管棚注漿5.8.1 管路連接及調(diào)試。將雙液注漿機的管路與管棚進漿孔連接，安裝止?jié){閥，管路連接好后進行壓水試驗，以檢查止?jié){效果和注漿管路是否有跑水、滲水現(xiàn)象。5.8.2 漿液配置。漿液采用1m3全自動拌和站進行拌制，水泥凈漿水灰比為1:1，材料用量為：750kg水泥和750kg水，水泥采用p.o42.5水泥。5.8.3 注漿作業(yè)管棚注漿采用KYB-70/80SK 雙液注漿機進行作業(yè)，注漿機最大工作壓力可達7Mpa,注漿量70L/min,可以滿足設(shè)計要求，鋼

12、管注漿采用奇偶數(shù)鋼管間隔注漿由下到上、由左到右，即先按順序注奇數(shù)管，奇數(shù)管注漿完成后，再開始按偶數(shù)管順序同上順序。注漿過程控制，注漿壓力確定初壓為0.51.0MPa，終壓為2.0MPa。注漿時密切監(jiān)視壓力變化，如壓力達到2.0MPa并持續(xù)穩(wěn)定恒壓10min后結(jié)束注漿。單根注漿量按進行估算。注漿擴散半徑，考慮注漿疊加效應(yīng)，按=（0.60.7）計算，為相鄰鋼管之間的距離； 鋼管長度；巖體孔隙率；注漿過程應(yīng)認(rèn)真做好記錄，以便分析解決施工中出現(xiàn)的問題，注漿結(jié)束后及時清除管內(nèi)漿液并用M20的水泥砂漿及時填充，以增強管棚的剛度及強度。第一環(huán)管棚注漿量為147m3。6 量測計劃表3. 量 測 計 劃 表量測

13、項目量測儀器量測斷面間距量測頻率洞內(nèi)觀測觀察調(diào)查數(shù)碼相機、現(xiàn)場觀測原則上各開挖面和地質(zhì)不變段每日1次周邊位移收斂計,精度0.1mm毎5m布設(shè)2條基線位移速度(mm/d)觀測頻率52次/d151次/d拱頂下沉水準(zhǔn)儀、銦鋼尺毎5m布設(shè)1個觀測點0.511次/23d0.20.51次/3d0.21次/7d洞外觀測地表下沉水準(zhǔn)儀、銦鋼尺地表毎10m布設(shè)1個斷面，斷面與隧道中心線垂直，并與洞內(nèi)布設(shè)在同一斷面，每個斷面布設(shè)11個觀測點，此淺埋段共布設(shè)10個斷面，110個觀測點。地表監(jiān)測頻率與洞內(nèi)一致。7 管棚施工效果及施工效率目前，我們僅做了第一環(huán)管棚，開挖并支護了三個循環(huán)。掌子面圍巖揭示：圍巖裂隙充滿水泥漿，加固效果良好，掌子面不掉塊，圍巖有一定的自穩(wěn)性，開挖輪廓線圓順，施工安全。通過圍巖監(jiān)控量測顯示該段初期支護完成后拱頂累積沉降量4.13cm，遠遠小于設(shè)計13cm的預(yù)留沉降量，表明管棚預(yù)支護取得了很好的效果。功效分析：第一環(huán)管棚布設(shè)在隧道拱頂120°范圍內(nèi)、共38根，管棚施工第一環(huán)管棚僅用了10天；而采用簡易的水平鉆機，根據(jù)已施工的洞口大管棚施工，用時均在15天以上。由此可見KQ90D潛孔鉆機施工效率較高。8 結(jié)束語通過試驗與摸索，洞身管棚在關(guān)子嶺隧道級淺埋段施工中取得階段性的成功，我們得出以下結(jié)論： 長管棚施工是一種處理特殊地質(zhì)條件下的地下工程有效輔助措施