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1、 洞身大管棚施工技术 1 管棚概述 管棚一般是沿地下工程断面的一部分及全部，以一定的间距环向钻设与隧道轴线基本平行的钻孔，而后插入大直径的钢管，并向管内注浆固结周边围岩，从而在预定范围内形成钢管棚护的支护形式。管棚超前支护是为了在特殊的地质条件下确保进行安全开挖，预先提供增强地层承载力的支护方法。主要适用于软弱地层、软岩、岩堆和破碎地段。隧道进、出口及浅埋段应用较多。 2 设计情况 关子岭隧道位于甘肃省陇南市枫相乡，为一座双线隧道，设计时速200km/h，全长2725m，进出口均与桥梁相接，地层主要由第四系全新统坡积，崩积碎石类土及下元古界砂质板岩夹砂质绢云母千枚岩组成。隧道
2、DK433+166~DK433+266为浅埋段（设计为Ⅴ级围岩、支护Ⅴ级加强），穿越地表冲沟，冲沟地表呈波状起伏，岩堆发育，石块较大多呈长条状、圆形等。沟槽多为急坡谷，下切较深。地表覆土较浅，见基岩出露。自然横坡20°-40°，山坡植被发育，交通条件差。冲沟沟底距隧道拱部最小埋深16m，冲沟常年有水经过，实测过水断面3m2，流量6m3，雨季受气候季节降水影响较大。为了安全的穿越此浅埋段，设计采用了长管棚进行超前支护，管棚设计要求：管棚布设在隧道拱顶120°范围内，管棚采用φ89δ5的无缝钢管，管棚长10m，外插角8°，下一环管棚与上一环管棚水平搭接3m，具体见图1、图2。 图1
3、洞身大管棚正面布置图 图2 洞身大管棚纵向布置图 3 管棚钻机的选型 管棚机主要分为两种类型，一种为简易的水平钻机，一种为潜孔地质钻机。水平钻机自身无法调整钻杆外插角，无动力装置，无法自行行走，须搭设操作平台行走和控制钻杆外插角，钻孔动力系统靠高压风，一般用于洞口大管棚的施工。潜孔钻机配有履带，自身可行走（电力），自身通过液压系统可调钻杆的竖向角度和侧向角度，钻孔动力系统靠高压风，可用于洞口和洞身管棚施工。 两种管棚钻机优缺点比较。水平钻机优点：钻机价格便宜，缺点：①搭设钢平台耗时长施工效率低；②管棚工作室较大。潜孔钻机优点：①钻杆可调竖向角和侧向角，可以提高工作效率；②不需
4、要搭设钢平台，只需将洞碴扒平整，管棚准备时间短，节约施工时间；③管棚工作室较小，节约成本，提高功效；④钻机机动性强，出现紧急情况，钻机可及时撤离，缺点：价格相对昂贵。 钻机型号选定。考虑在尽量减小管棚工作室的情况下，满足设计管棚外插角8°的需要，考虑到施工功效，我们选择了小型号的潜孔钻机。潜孔钻机型号KQ90D，潜孔钻外形尺寸长 2.5m，宽 1.95m，高 1.6m，整机重 1640kg，潜孔钻机机械性能，可钻孔长30 m，孔径90mm~130mm,竖向角上仰25°、 下俯 25°，侧向摆角左30°、右30° ，回转扭矩800N.m，推进轴压力10000N以上操作性能可以满足设计要求。
5、4 机械、人员配置情况 表1. 主要机械配置表 序 号 设备名称 规格型号 单 位 数 量 备 注 1 管棚钻机 KQ90D 台 1 张家口市宣化 2 双液注浆机 KYB-70/80SK 台 2 3 砼搅拌车 8m3 辆 1 4 红岩金刚汽车 10m3 辆 1 5 交流电焊机 BX1-500 台 2 6 挖掘机 小松 台 1 7 侧翻装载机 柳工 台 1 8 凿岩机 YT28 台 4 9 湿喷机 ZBSP-6C 台 1 表2.主要管理及作业人员
6、配备表 序号 工 种 数量（人） 具体分工 备注 1 负责人 1 负责管棚施工的全部事宜 2 领工员 2 负责现场施工和安全工作 3 技术员 1 掌握施工技术、质量及各种异常情况的处理和汇报 4 测量员 2 钻机定位、监控量测等工作 5 试验员 1 注浆配合比的调试 6 安全员 1 负责施工过程的安全监控 7 电焊工 2 导向架、导向管的安装及加固 8 钻工 4 管棚工作室的开挖钻眼 9 立架工 4 钢拱架安装及加固 10 喷砼工 4 喷射砼作业 11 压浆工
7、 2 操作压浆机，做好注浆原始记录 12 司机 4 操作机械及车辆 13 普通工 4 协助各项工作 5 洞身管棚施工工艺 5.1洞身管棚施工工艺流程图（见图3） 图3. 洞身管棚施工工艺流程图 掌子面开挖 浆液制备 连接注浆管路、 调试 管棚工作室施做 导向墙、导向管施做做 喷射砼封闭工作面 管棚加工 清孔、验孔、安装管棚 钻机就位及钻孔 封孔、管棚与钢架焊接 注浆 5.2管棚的制作加工 5.2.1大管棚用钢材的规格、型号、材质满足设计要求和国家有关现有技术
8、标准的规定。我们选择的材料为：φ89的无缝钢管，壁厚5mm，单根管长6m，材质为Q235。 5.2.2管棚制作 管棚钢管设计采用钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于插入，后端1m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10~16mm的压浆孔。具体见图4 图4 管棚加工示意图 5.2.3钢管间的连接。每根钢管的一端都车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的φ95δ6的无缝钢管进行连接。为了错开接缝，每根管棚采用两根长6m和4m的钢管组成。 5.3 管棚工作室 洞身管棚施工前应预先施做管棚工作室，管棚工作室
9、应综合考虑钢管外插角、管棚机型号、施做断面前后支护情况及施工可操作性。关子岭隧道设计管棚外插角为8°，经断面及实际现场分析（见图5）断面前方预留2.4m×0.35m环向管棚操作室。 图5 管棚工作室 5.4 导向墙及导向管 为缩短施工时间，导向墙采用C30喷射砼，厚度50cm。导向墙内设置两榀I20b工字钢，钢架间距设置为30cm，为了减少管棚的外插角，我们采取了在导向墙内两榀I20b工字钢腹板开孔的办法，导向管采用φ130钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。导向管设置角度为8°（通过调整钢架半径，间接调整导线管角度），长度设定为80cm，套拱内外均铺挂φ8
10、钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。 5.5 钻机就位及钻孔 钻孔是管棚施工的关键工艺环节,钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。为较少围岩扰动，充分发挥围岩自稳能力，此段围岩采用三台阶七步开挖方法。钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺,对于难成孔的地层则采用跟管法。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。通过洞内弃砟整平施做平台。钻机角度调节采用全站仪高差定位，确定角度见图6。适当调节平台高度，确保钻头正确插入导向管。采用高压风站的高压风带动钻头，开空时，低速低压，待成孔1
11、m后，适当加压，钻孔进入土质地层采用压力适当调小，以免引起塌孔。塌孔时可进行注浆加固待周边土质形成一定强度后再行钻孔，直至钻直设计长度，钻孔采用特制精密水平陀螺仪检测偏斜。 图6 管棚机角度调整 5.6 清孔、验孔并安装管棚 钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔。利用高压风清理钻渣，用测杆检测孔深，用测斜仪量测外插角。 检测合格后立即安装φ89的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、4m及4m、6m的组合形式。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进，推进时采用
12、测斜仪经常检查钢管的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。钢管安装完成后及时安装孔口止浆塞，并对每根钢管连续编号且做好标记。 管棚安装后，用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙。 5.7 喷砼封闭工作面 一环38根管棚安装完毕后，对开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射10cm厚的C25混凝土，以防止钢管注浆时岩面裂隙跑浆。 5.8 管棚注浆 5.8.1 管路连接及调试。将双液注浆机的管路与管棚进浆孔连接，安装止浆阀，管路连接好后进行压水试验，以检查止浆效果和注浆管路是否有跑水、渗水现象。 5.8.2 浆液配置。浆液采用1m3全自动拌和站进行拌制，水泥净浆水灰比为1:1，材
13、料用量为：750kg水泥和750kg水，水泥采用p.o42.5水泥。 5.8.3 注浆作业 管棚注浆采用KYB-70/80SK 双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足设计要求，钢管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注奇数管，奇数管注浆完成后，再开始按偶数管顺序同上顺序。 注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~1.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。单根注浆量按进行估算。 —注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按=（0.6~0.7）计算，为相邻钢管之
14、间的距离； —钢管长度； —岩体孔隙率； 注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题，注浆结束后及时清除管内浆液并用M20的水泥砂浆及时填充，以增强管棚的刚度及强度。第一环管棚注浆量为147m3。 6 量测计划 表3. 量 测 计 划 表 量测项目 量测仪器 量测断面间距 量测频率 洞内观测 观察调查 数码相机、现场观测 原则上各开挖面和地质不变段每日1次 周边位移 收敛计,精度0.1mm 毎5m布设2条基线 位移速度(mm/d) 观测频率 ≥5 2次/d 1～5 1次/d 拱顶下沉 水准仪、铟钢尺 毎5
15、m布设1个观测点 0.5～1 1次/2～3d 0.2～0.5 1次/3d ＜0.2 1次/7d 洞外观测 地表下沉 水准仪、铟钢尺 地表毎10m布设1个断面，断面与隧道中心线垂直，并与洞内布设在同一断面，每个断面布设11个观测点，此浅埋段共布设10个断面，110个观测点。 地表监测频率与 洞内一致。 7 管棚施工效果及施工效率 目前，我们仅做了第一环管棚，开挖并支护了三个循环。掌子面围岩揭示：围岩裂隙充满水泥浆，加固效果良好，掌子面不掉块，围岩有一定的自稳性，开挖轮廓线圆顺，施工安全。通过围岩监控量测显示该段初期支护完成后拱顶累积沉降量4.13cm，远远小于设计
16、13cm的预留沉降量，表明管棚预支护取得了很好的效果。 功效分析：第一环管棚布设在隧道拱顶120°范围内、共38根，管棚施工第一环管棚仅用了10天；而采用简易的水平钻机，根据已施工的洞口大管棚施工，用时均在15天以上。由此可见KQ90D潜孔钻机施工效率较高。 8 结束语 通过试验与摸索，洞身管棚在关子岭隧道Ⅴ级浅埋段施工中取得阶段性的成功，我们得出以下结论： ① 长管棚施工是一种处理特殊地质条件下的地下工程有效辅助措施，特别适用于断层、软弱岩性岩层、塌方、裂隙节理发育及浅埋地层等地下工程，值得推广应用。 ② 管棚工作室可以有效地减小洞身管棚外插角。 ③KQ90D潜孔钻机体积小，定位快，非常适合洞身管棚施工，也适合洞口管棚施工，值得推广。 ④ 潜孔钻机竖向支撑杆如设计成液压升降系统，将进一步加快钻杆定位速度，从而提升工作效率。 附图：洞身大管棚施工示意图（图7）。 参考文献： 【1】 杜文，半山隧道长管棚施工技术，西部探矿工程，2010年1期。 图7 洞身大管棚施工示意图
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