大管棚施工技术总结成渝张光建.docx
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大管棚施工技术总结成渝张光建
技
术
总
结
技术员：
张光建
中铁二局集团四公司成渝高铁项目经理部
大管棚施工技术
1前言
1.1概述
现代隧道施工技术相对于传统的“矿山法”已有明显的提高。
在软弱围岩中采用暗挖法施工时保证掌子面前方围岩的稳定始终是最关键的施工技术之一。
从二十世纪九十年代中后期开始，超前预支护技术得到了极大发展。
这些方法包括：
超前小导管、超前锚扞、管棚、预衬砌、水平高压旋喷压注、围岩注浆等。
大管棚施工技术在我国地下工程施工处理特殊及不良地质隧道时，得到了广泛应用，并取得了较好的效果。
1.2工艺原理
在隧道开挖前沿开挖轮廓线钻设与隧道轴线平行的钻孔，然后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周围的围岩形成棚架支护体系。
主要作用是提高管周围岩体的抗剪强度，达到加固围岩并扩散围岩压力的作用；大管棚结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松弛的地层荷载，适时提供隧道开挖后而支护尚未施作或发挥作用前所需的支撑力，使隧道开挖面得以安全稳定并同支护和结构形成空间支撑系统。
1.3工艺特点
⑴施工机具设备简单，施工简便；
⑵特殊及不良地质隧道的开挖安全；
1.4定义及适用范围
1.4.1定义
大管棚超前支护就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道开挖工作面的拱部外周钻设水平孔，插入直径为φ70～180mm钢管，并进行注浆固结地层，使隧道拱顶形成一伞状保护环。
大管棚常采用直径为φ70～127mm钢管,特别地段也有采用直径φ300～500mm大钢管。
壁厚一般不小于6mm。
工程中多采用φ108mm×6mm厚热扎无缝钢管；钢管中心间距宜为管径的2～3倍；管棚长度根据地质、机械设备及施工条件确定，一般为10～40m。
如需设置的管棚段落过长可分组设置，纵向两组管棚的搭接长度应大于3.0m。
1.4.2适用范围
⑴隧道洞口浅埋地段或软弱破碎围岩地段进洞施工；
⑵富水软弱破碎地质、沙砾地层、岩溶地质等不良地质地段的隧道开挖辅助措施；
⑶作为公路、铁路或地下结构物下方修建隧道的辅助工法；
⑷隧道坍方的处理；
2施工工艺
2.1施工准备及工艺流程图
2.1.1管棚的加工制作
管棚钢管直径宜为φ70～127mm，一般采用φ108mm，壁厚6mm的热轧无缝钢管。
管棚钢管单节长度通常为4～6m（就取4m和6m，这样能确保接头相间错开，切错开1m以上），接头采用15～20cm长丝扣连接（套管采用内丝扣，钢管端采用外丝扣），以保证连接强度和顺直；钢管接头位置应错开，避免设置在同一横断面上。
钢管壁加工注浆花孔，孔径一般为φ6～φ8mm，间距10～15cm，一周4排左右，呈梅花形排列，前端为尖形，尾端50cm范围内不钻孔作为止浆段。
图1：
大管棚施工工艺流程图
施工准备
扩大洞室、施工操作空间
搭设施工操作平台
施作导向墙
钻机就位
钻孔、安管
是否达到设计孔深
注浆
设计孔深
是否达到终孔标准
结束
管棚加工
测量准备
否
是
否
是
2.1.2测量定位
根据设计的大管棚和导向墙位置，分别用全站仪和精密水准仪进行管棚位置和导向墙位置的放样，特别要控制大管棚位置与隧道开挖线之间的距离，以免出现大管棚位置侵入隧道初期支护或衬砌混凝土的现象。
图2:
大管棚布置图
2.2开挖工作室施作导向墙
2.2.1开挖工作室
为设立管棚推进基地和钻孔施工空间，在地下工程洞内施作大管棚的开端应开挖工作室。
工作室的开挖尺寸应根据钻机和钢管推进机的规格确定，一般应超出隧道外轮廓线0.5～1.0m，并设钢支架。
2.2.2施作导向墙
一般情况为便于施钻和提高钻孔精度，常在明挖和暗挖交界处（或隧道坍塌位置）施作混凝土导向墙。
（1）导向墙在隧道外廓线以外施作，内埋设3～4榀工字型钢支撑，钢支撑与管棚孔口管焊成整体。
孔口套管沿拱圈环向布设，孔径比管棚钢管大20～30mm。
（2）孔口套管间距、位置及方向应准确。
用经纬仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置；用激光导向仪设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。
孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。
2.3钻机配置
钻机选型由一次钻孔深度和孔径决定。
如采用直径φ70～127mm大管棚时，根据现场实际情况，可选用YG型全液压驱动动力头式钻机、KQL型钻机或者其他地质钻机。
这里介绍YG50型全液压驱动动力头式钻机。
2.3.1钻机主要技术参数为：
钻孔深度：
50m 钻孔直径φ90～168mm
钻孔倾角0～90°动力头行程1800mm
桅杆滑移行程500mm最大输出扭矩2000Nm
动力头输出转速（正反）5～120转
最大体升力30KN 最大给进力15KN
电动机型号Y180M-4 功率18.5KW
液压系统额定压力20MPa
主机外形尺寸3000×1000×1500m
2.3.2 钻机主要特点：
（1）钻机钻进能力强，适用范围广；钻进速度快，处理事故能力强，钻进效率高。
（2）钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻具。
动力头及孔口板调转方向可直接钻凿仰孔，大大增加钻孔倾角范围。
（3）钻机机架前部设有上下调节立柱，可调节桅杆高度，施工时对孔位快捷方便。
（4）钻机结构为分体式，管路连接采用快速接头，可拆性好，安装迅速；可远距离进行操纵。
（5）钻机全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，维修方便。
（6）钻机可适用多种钻进工艺方法，如合金回转钻进、螺旋钻进、潜孔锤钻进、跟管钻进等。
搭设钻孔平台架设钻机。
2.4钻孔
2.4.1钻机就位
（1）钻机平台一般用钢管脚手架搭设。
平台搭设长度为钻机长度（单根管棚长度）加50cm。
搭设平台应一次性搭好，可同时采用多台钻机进行钻孔；钻孔时应避免钻机互相影响，便于钻机定位。
（2）平台支撑连接要牢固、稳定。
防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量的现象发生。
平台上可准备短方木若干，以备调准钻机高度时使用。
（3）钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。
用经纬仪、挂线、激光导向仪导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻进时的倾角、仰角。
2.4.2导向控制
导向技术人员随着导向孔的钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.3°时，应及时纠偏。
当纠偏无效、偏差大于0.6°时，应停止钻进，及时报告，研究对策后再施工。
现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录。
根据不同的导向系统，进行导向孔水平偏差调整和导向孔高程偏差调整。
2.4.3钻进技巧
⑴为了便于安装钢管，钻头直径采用比大管棚钢管直径大5～10mm的钻头。
钻孔前先检查钻机机械状况是否正常。
⑵根据预埋的钢套管作为导向管进行钻孔。
掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。
⑶钻机开钻时，可低速低压，待成孔达到一定深度后，可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进。
岩质较好可以一次成孔。
⑷钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
⑸钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹沙层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。
当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在钢管前端钻进。
⑹为避免钻杆太长，钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度控制在1°～3°之间，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。
⑺在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。
在塌方体钻进时由于有大量钢格栅、锚杆、注浆小导管，一般钻头遇到这种情况无法继续钻进，所以在钻孔初期用专门设计的合金钻头进行切割。
这种合金钻可切割螺纹钢、小导管、钢板等。
一般当钻孔深度达到2m后，受倾角控制，钢格栅、锚杆、注浆小导管已基本不再出现，此时改用潜孔锤钻进，压缩空气清孔，潜孔锤后连接4m长扶正器，以便保证钻孔方向与孔的轴线吻合。
⑻认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。
作为开挖洞身的地质预探预报，亦作为指导洞身开挖的依据。
2.5清孔验孔
⑴通常用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。
⑵用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
⑶用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。
2.6安装管棚钢管
⑴钻孔完成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。
⑵棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后可用10t以上卷扬机配合滑轮组反压顶进，也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。
⑶钢管在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻φ6～φ8mm出浆孔。
钢管逐节顶入，采用丝扣连接，丝扣长15～20cm。
⑷为保证管棚钢管的焊接相连处不集中在同一断面，相邻两孔的管棚钢管接头应前后错开，确保受力情况良好。
同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。
对长大管棚为加强其刚度，可在钢管内加钢筋笼然后再注浆。
⑸及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀，并检查焊接强度和密实度。
2.7管棚注浆
2.7.1浆液配置
注浆材料及配合比：
注浆材料和配比根据试验现场确定，一般情况下注浆浆液多采用水泥砂浆或水泥－水玻璃双液浆。
对于有空洞较多的坍方体，可采用先注水泥砂浆，等到注入压力达到预计压力时，注入水泥－水玻璃双液浆。
水泥可采用标号32.5（R）以上普通硅酸盐水泥。
水泥砂浆浆液水灰比宜为0.5:
1～1:
1；双液浆配合比为水泥浆：
水玻璃（体积比）＝1：
1。
单根钢管理论注浆量：
（不同的地层计算数值有所不同）
Q=πR2Lηαβ
式中：
L为钢管总长度；R为浆液扩散半径；η为地层孔隙率；α为浆液有效充填率；β为浆液损耗系数。
2.7.2注浆管的设置
注浆采用分段后退式注浆，利用自制的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备出气管与进浆管，由阀门来控制开关，如图3所示。
然后安装塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆。
关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验，如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。
见注浆管示意图。
图3注浆管示意图
2.7.3注浆控制
⑴管棚施工完成后开始注浆，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，同时对管口与孔口外侧进行密封处理。
⑵水泥砂浆浆液采用拌合机制浆，采用液压注浆机将浆液注入管棚钢管内，注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，据以施工。
⑶注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩后，进行第二次注浆，以使管棚填充密实。
注浆采取注浆终压和注浆量双控措施，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。
初压0.5MPa～1.0MPa为宜，终压宜控制在2MPa，持压3～5min后停止注浆，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍。
若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。
注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。
⑷注浆结束后及时清除管内浆液，并用不低于30号的水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。
⑸注浆过程应派专人负责，填写《注浆记录表》，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据，观察压力表值，监控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。
⑹为防止注浆浆液到处扩散，可根据隧道的实际情况，设置浆砌片石、混凝土或挂网喷射混凝土等形式的止浆墙。
2.7.4注浆效果判断
⑴对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况。
⑵管棚注浆后再打无孔管作为检查管,检查注浆质量。
有水地层可观察无孔管孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应补注或重注。
2.8工艺流程
止浆塞
注浆管
注浆孔
图4:
大管棚施工工艺流程图（以水泥砂浆为例）
3劳动力组织及进度指标
3.1劳动力组织
管棚施工工序多，工种杂、技术性强，管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的质量。
一般情况一台钻机每天按三班作业，其劳力组织见下表：
表1:
大管棚施工劳动力组织表
序号
工种名称
单位
人数
工作范围
备注
1
班长
人
1
负责施工指挥、安全质量管理等
2
技术人员
人
1
负责施工技术指导
3
测量工
人
1
负责布孔、定位、量测
4
修理工
人
1
负责机器维修
5
钻机司机
人
2
负责钻机操作
6
电焊工
人
1
负责电焊作业
7
钻工
人
8
负责破孔、移动钻机、装卸钻杆、安装钢管、拌浆注浆等
合计
15
3.2进度指标:
按每小时进度3m,每班作业6小时计,则每个作业班可进尺18m，一天可完成54m的钻进作业（包括注浆）。
4机具设备配置
表2:
大管棚施工施工机具配置表
序号
设备名称
单位
数量
规格型号
主要性能指标
备注
1
钻机
套
1台以上
液压驱动动力头式钻机
常用地质钻机
3
注浆机
台
2
单液或双液机
4
搅浆机
台
1
拌合浆液
5
砼搅拌机
台
1
JZ350
6
电动空压机
台
2
7
经纬仪
台
1
8
精密水准仪
台
1
DS1
0.4mm/Km
9
激光导向仪
套
1
LCG1
15mm/100m
10
电焊机
台
２
AX-500A
10W
11
喷射机
台
2
DZ-5B5m3/h
5.5KW
12
卷扬机
台
1
10t
顶管用
13
电动葫芦
台
2
14
钢管脚手架
吨
10
据现场要求
15
水平测斜仪
套
1
TBW250/50
18.5KW
16
钢筋切割机
台
1
17
钢筋弯曲机
台
1
18
马氏漏斗粘度测定仪器
套
1
泥浆粘度测定
5质量控制要点
5.1钻孔质量控制
5.1.1钻机定位检查
⑴必须经常检查支架的稳固性，发现问题及时进行加固处理；测量人员应在支架顶面设置测量观测点，用经纬仪和精密水准仪对观测点进行测量，检查支架是否发生偏移或下沉。
⑵钻孔时，每钻进2m，用经纬仪进行一次钻杆轴线检查，误差超限及时纠偏。
⑶根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，要分析钻进速度变化较大的原因，是钻进岩层改变，还是钻机发生了偏移。
5.1.2泥浆配置检查
有些地层钻进时，由于岩体松散或对地面沉降要求较高，钻机钻进时需使用泥浆成孔。
不同的地层对泥浆粘度有不同的要求，一般采用马氏漏斗粘度进行测定。
膨润土泥浆适宜环境PH值在8.5～10；粘土层中粘土有一定的自稳能力，膨润土泥浆粘度控制在30S左右；粉细砂层中采用膨润土加少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40S左右。
试验室要经常检测泥浆的粘度，并根据不同的岩层，及时调整泥浆的性能指标。
5.1.3钻孔纠偏及检查
⑴钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
⑵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1°～15°。
钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20cm～30cm。
⑶严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
⑷经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，进行原位重钻。
5.2注浆质量控制要点
5.2.1浆液配置
浆液配置必须按设计配合比进行，试验室根据不同的岩层，选用不同的浆液配合比（如水泥砂浆、水泥－水玻璃双液浆等），掺加不同的外加剂；浆液配置所需的水泥、水玻璃、水以及其他外加剂（如速凝剂等）均要经过试验检测，满足质量要求；浆液拌制必须使用机械拌合，严格控制拌合的时间；试验室要加强对浆液质量的检查。
5.2.2注浆过程控制
⑴注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。
⑵注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，同时达到控制注浆量的目的。
⑶注浆时，要根据注浆终压和注浆量双控注浆质量；要经常检查注浆压力表的准确度；要根据单根钢管注浆量并结合岩体的松散程度，综合考虑注浆量。
5.2.3注浆效果观察、分析
采取抽芯等措施进行注浆效果检查，如注浆效果不好，应分析原因。
如未设置止浆墙可能导致浆液外流，由于注浆压力不够或注浆量没有达到计算值造成注浆效果差。
6安全控制要点
6.1作业人员的劳动保护
⑴钻机作业人员要戴防尘口罩。
⑵作业人员按规定配备安全帽、手套。
⑶电焊工等特殊作业人员按照规定配置防护服装。
6.2钻孔作业施工安全
⑴操作平台搭设和钻机安装要牢固可靠。
⑵掌握好开孔与正常钻进的压力和速度，防止断杆事故。
⑶钻孔中如发生卡钻、斜孔、坍孔等故障，应及时采取处理措施。
⑷进行钻杆装卸时注意与钻机操作手的配合，避免钻杆未装好前启动钻机导致人员受伤。
⑸注意用电安全，安装漏电保护装置。
6.3安装钢管施工安全
⑴安装钢管时,相应工作人员应精力集中,防止钻杆、钢管失手扎伤手脚。
⑵安装钢管时，钻机操作人员和钢管连接人员要保持联系，钢管连接完毕后才通知钻机操作人员启动钻机。
6.4管棚注浆施工安全
⑴泥浆排碴钻机，要作好排水和泥浆池，避免污染环境。
⑵管棚注浆时，施工人员要避免正对注浆管。
⑶经常检查并及时更换损坏的注浆管接头。
7工程实例
7.1成渝高铁缙云山隧道超前大管棚施工
7.1.1工程简介
缙云山隧道位于重庆市境内壁山～九龙坡区段，起讫里程为DK275+355～DK278+530，中心里程DK276+942.5，全长3175m，隧区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高层327～637m,相对高差20～100米，自然横坡5°～30°，局部较陡，达70°。
丘坡上覆土层较薄，基岩部分裸露，地表多被垦为旱地；沟槽等低洼地带覆土较厚，多被辟为水田。
该隧道进口DK275+510-540为Ⅴ级Ⅱ型加强复合型围岩，由于该隧道口地处猫儿坡滑坡，该里程段多为残坡积粉质黏土且含水稍重，特设置φ108大管棚对洞口进行底层加固处理，管鹏环向间距为40cm,每环46根，每根35m。
7.1.2施工实施过程简介
该管棚于2010年11月16日开始施工，12月1日施工完成。
施工的主要工序有开挖支护洞口边仰坡、施作套拱、搭钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆。
施工完成后经注浆效果检查，达到设计要求；于12月5日开始进洞，经过12天的隧道开挖，顺利地通过了洞口残坡积粉质黏土地段，对拱顶地表测量监控，没有开裂和地表下沉现象。
由于导向墙和导向管的精度比较高，所施工的管棚位置均在误差范围内。
7.1.3施工图片
7.1.4工程经验
⑴由于施工方案可行和措施得力，管棚施工从开钻到全部结束仅用15天，管棚注浆固砂效果较好，在施工中取消了原设计的开挖插板工序，节约了工期和成本。
⑵施工时，曾有钻头脱落、跟管接管断裂现象。
因此，在风积砂地层中应保证接管具有足够的抗扭和抗弯刚度。
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