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液压钻孔台车施作长大管棚工法
(TLEJGF-92-27)
铁道部第十九工程局

前言
隧道施工中最困难的是通过不良地质地段，尤其是遇到富水断层 破碎带时，在开挖中往往来不及支护即发生塌方。如何解决这一问题，一直为工程界所关注。采用超前长大管棚支护先支后挖方法，是解决这一问题的有效途径之一。但长大管棚施工往往需要配备专用钻孔顶管设备。一次性投入大，一般施工企业在施工不连续的情况下难以承受。我们在溪田线八盘岭隧道破碎断层带施工中，在国内首次开发出一套用瑞典液压钻孔台车先钻深孔、后顶进棚管支护的施工方法，不仅拓宽了钻孔台车的应用范围，做到一机多用，而且速度快，作业安全，技术可靠，取得良好效果。该项技术获1991年中国铁道建筑总公司科技进步一等奖。
一、工法特点和适用范围
(一)工法特点
1. 本工法系采用瑞典液压钻孔台车钻深孔下钢管施作管棚，速度快，效率远高于地质钻，具体比较情况见表1。

2.操作方便，灵活机动，定位较准确，易于掌握、推广。
3.利用现场既有的液压钻孔台车，不必另配钻机，节省工程成本。
(二)适用范围
本工法的管棚支护长度15m，钢管直径为89mm左右，适用于铁路、公路隧道及地下工程破碎围岩的超前支护，也可用于处理各种溶洞和坍体，以及洞口坡积层等松散体的进洞施工。
二、钻深孔的工艺流程及操作要点
(一)钻深孔工艺流程(见图1)
(二)钻深孔的操作要点
1.液压钻孔台车的钻杆长度为4.3m、5.525m，钻深孔时必须接杆。因此，随着孔深的增长，需要对回转扭矩、冲击功及推力进行控制和协调，尤其要严格控制推力，不能过大。
2.为了确保钻杆接头有足够的强度、钢度和韧性，钻杆联接套应与钻杆材质相同，两端加工内螺扣(配合钻杆首尾端外螺扣)，联接套的壁厚≥10mm。联接套及连接方式见图2。
为防止钻杆在推力和振动力的双重作用下，上下颤动，导致钻孔不直，钻孔时，应把扶直器套在钻杆上，随钻杆钻进向前平移。
3.台车就位固定后，由测量工站在台车臂托篮上准确画出钻孔位置。
4.施钻时，台车大臂必须顶紧在掌子面上，以防止过大颤动影响施钻精度。
5.钻机开孔时钻速宜低，钻进20cm后转入正常钻速。
6.第一节钻杆钻入岩层，尾部剩余20~30cm时停止钻进，人工用两把管钳卡紧钻杆(注意不得卡丝扣)，钻机低速反转，脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆，并在钻杆前端安装好联接套，钻机低速送至第一根钻杆尾部，方向对准后联接成一体。
起拱线以上的孔位，由于台车大臂离地面较高，不便装卸钻杆，这时应将大臂落下，人工在地面安好钻杆后，大臂重新升起就位。
每次接长钻杆，均可按上述方法进行。
7.换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换，以确保正常作业。
8.引导孔直径应比棚管外径大15~20mm，孔深要大于管长0.5m以上。
9.钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回原位。
三、顶管的工艺流程及工艺原理
(一)顶管工艺流程(见图3)
(二)顶管工艺
本工法采用大孔引导和棚管钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后利用钻机的冲击和推力(顶进棚管时凿岩机不使用回转压力，不产生扭矩)将安有工作管头的棚管沿引导孔顶进，逐节接长棚管，直至孔底。
(三)钢管顶进的作业要点
1.管件制作：棚管采用φ89普通钢管，钢管节长为6m，管棚长度12~15m，因此必须接长二次以上。棚管接长时先将前一根钢管顶入钻好的孔内再联接。事先加工好的管节联接套(见图4)，要预先焊接在每节钢管两端，便于联接。第一根钢管前端要焊上合金钢片空心钻头，以防管头顶弯或劈裂。
2.接长管件应满足管棚受力要求，相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。
3.使用H174双臂液压钻孔台车施作大管棚施工时，一个大臂用于钻引导孔(Ф102冲击钻头)，另一大臂用于顶进Ф89棚管。在顶管大臂的凿岩机上必须安装与管棚直径相应的钢管顶进联接套，并在大臂上改换特制钢管扶直器(详见图6)。待引导孔钻好后，使用顶管大臂进行顶进作业。
4.顶管作业：将钢管安放在大臂上后，凿岩机对准已钻好的引导孔，低速推进钢管，其冲击压力控制在1.8~2.0MPa,推进压力控制在4~6MPa。
5.接管：当前一根钢管推进孔内，孔外剩余30~40cm时，开动凿岩机反转，使顶进联接套与钢管脱离，凿岩机退回原位，大臂落下，人工装上后一节钢管，大臂重新对正，凿岩机缓慢低速前进对准前一节钢管端部(严格控制角度)，人工持链钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。
6.棚管补强：为了加强管棚的刚度和强度，按设计将管棚钢管全部打好后，应先用钻头掏尽钢管内残碴，进行棚管补强。补强方法：一般地段，在钢管内注入水泥砂浆，形成钢管混凝土；坍方及围岩破碎且富水地段，钢管内先放置φ20钢筋笼，再向管内注水泥浆(水灰比为1∶1)或水泥—水玻璃浆液(双液比为1∶0.5，水玻璃浓度为30~35Bé)。
四、机具设备和劳力组织
(一)机具设备(见表2)
(二)劳力组织
本工法可分2个工班进行作业，每工班12人，其中：施工指挥1人；施工技术指导1人；测量工1人(负责布孔、定位、量测、质量检查)；台车凿岩司机1人(负责钻孔、下管)；普通工4人(负责装卸钻杆、装接钢管)；电工1人(负责供水供电工作)；电焊工1人；汽车司机1人(负责运料)；洞外调度1人。
五、安全措施
本工法除遵照《铁路隧道施工安全规则》及相应的规范外，为确保安全，还应采取以下措施：
1.进行全员安全意识教育。
2.针对长大管棚施工特点和要求，参照有关安全规则制定安全规章制度。
3.加强对围岩进行动态监控量测，实行信息化管理，科学地组织施工。
4.拆卸钻杆时，要统一指挥，明确联络信号，扳钳卡钻方向应正确，防止管钳及扳手打伤人。
5.钢管内注浆时，操作人员应戴口罩、眼镜和胶手套。
6.要有良好的照明条件。
六、质量要求
1.钻孔前，按设计精确画出钻孔位置。
2.钻孔台车应在技术人员和测量工的指导下摆正大臂，按设计调整好钻孔角度。开钻时速度要慢，待钻杆进入岩体30cm左右后，常速钻进。
3.钻孔平面误差≤15cm，钻孔角度误差≤0.5°。
4.控制钻孔角度，尤其接长钻杆后钻进角度应严格控制。成孔要孔壁圆、角度准、孔身直、深度够。
5.台车大臂送管时，要检查管节两端联接丝扣，有脱扣和裂纹的管节不得使用。
6.棚管四周钻φ10出浆孔眼(靠掌子面一端2m不钻)，孔间距50~60cm。管内放置钢筋前，应掏孔清除管内残物。
7.注浆时应准确掌握浆液配比，并使浆液在管内充填密实。
8.大管棚接头处要错开，以利整体受力。
七、效益分析
本工法采用高效的液压钻台车钻孔、顶管，每小时能施作棚管10m，每个工班能完成长15m的棚管5根，工效为普通地质钻机的15倍。对于抢坍方和通过软弱破碎围岩地段，由于缩短作业时间，提前发挥超前支护作用，增加了施工的安全度，加快了施工进度，具有显著的经济效益和社会效益。
以溪田改线八盘岭隧道12m塌方段(DK67+463~DK67+475)为例，采用长大管棚超前支护，不仅使工期缩短三个月，而且与传统处理方法相比，降低造价25万元。
八、工程实例
溪田改线八盘岭隧道250m(DK67+250~DK67+500)断层破碎带，位于隧道纵深腹部。断层岩石破碎严重，是上下连通的富水带，水量大，平均每昼夜万吨以上。
1991年2月底，出口端施工接近F7断层，由于DK67+463开挖断面右侧拱部出水未 能及时整治，发生了大塌方，坍体堵塞全洞，坍穴高度距隧顶40m,坍方量近3000m3，涌水量平均为800m3/d左右。根据塌方严重，涌水量大的情况，现场采用双液注浆堵水与超前长大管棚相结合的处理方案(设计双层φ89管棚 ，上层21根、长12m；下层23根、长15m)，经过两个月的奋战，顺利通过了塌方段。
八盘岭隧道断层带内，主要利用液压钻孔台车站深孔，全封闭预注浆止水固结围岩，并超前深孔预测预报工程地质及水文地质，还对3个极破碎段(不含塌方段)采用了长大管棚超前支护，确保了安全施工，达到预期效果。 

执笔：文桂录 李登华
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