超長大管棚的施工技術

周文章

（中鐵十五局集團第五工程有限公司，河南 洛陽 471002）

1、前言

太原西南環線晉祠隧道穿越大運高速公路，隧道表覆第四系全新統人工堆積層，以雜填土、素填土為主，且有地下水，隧道覆土厚度為15米，由于隧道為淺埋段且地質條件差，隧道施工時，為減少高速公路地表沉降，設置了雙層超長大管棚，管棚長140米，為國內罕見。

2、工程概況

太原樞紐西南環線晉祠隧道起訖里程為DK12+425～DK21+265，全長 8840m，設計為雙線隧道，在DK17+630下穿太運高速，在隧道拱部160?范圍內采用φ159mm（壁厚8mm）雙層大管棚超前支護，超長管棚長140米，每層管棚環向間距0.4m，層間距0.3m，梅花型布置。管棚內填充水泥漿，管棚之間架設小導管，采用φ42、t=3.5mm熱軋鋼管，環向3根/m，長度4m，搭接2m，施工外插角10?。隧道上半斷面均采用玻纖錨桿穩定掌子面，玻纖錨桿垂直掌子面打入，錨桿長度為12m，錨桿每列間距60cm，行間距80cm，HW175型鋼間距0.5m/榀。在管棚工作面設置管棚工作井，在對面DK17+552.5-DK17+560段設置接受豎井，滿足超長管棚的施工及安裝要求。地下水位位于仰拱上部，且部分穿越砂層，該處在施工上半斷面時采用旋噴樁止水帷幕進行堵水預處理，開挖至仰拱應及時封閉成環。為減少地表沉降采用CRD法開挖施工。

3、施工方案及方法

3.1 機具選擇

管棚長度140m，采用型號：FDP-28B水平定向管棚鉆機，一次性打設。

3.2 管棚參數

（1）鋼管布設在圓心角為140°的隧道拱部；

（2）鋼管環向間距為40cm；層間距30cm；

（3）第一層管心與襯砌設計外廓線間距為50cm；

（4）傾角：水平位置仰角0.8°(包括路線縱坡)；

（5）鋼管施工誤差：徑向不大于20cm；

（6）管棚長度為140 m，熱軋無縫鋼管Φ 159mm，壁厚8mm，節長3m、6m。

3.3 精度要求

管棚垂直位置精度<0.5%，管棚左右位置精度<0.25%。

3.4 施工工藝流程：

工作井基底基礎打造→三通一平→人員設備進場→鋪設"H"鋼軌道→鉆機平臺搭設→設備組裝調試→（埋設孔口管→安裝密封裝置鉆透砼殘留層）→調試鉆機（方位、仰角）→鉆具組裝進孔→棚管位置、角度檢測→如有偏斜進行糾偏→檢測沖洗液循環→鉆進→回次加尺、接口補焊→孔斜測量（校正）→鉆進→至設計深度終孔→管內、外注漿→如有需要二次壓漿→移至下一孔位。

3.5 施工方法

根據本工程的工程地質，水文地質條件，施工場區環境等，為控制施工精度成功單次打設超長管棚，必須選擇"有線儀器導向、一次性跟管鉆進法"，成孔和埋設管棚管一次完成。該工法開孔前根據設計鉆進軌跡，對垂向和水平方向分別給于不同的糾偏角（值）；有線導向儀器監控，楔形板鉆頭糾偏。保證實際鉆進軌跡以較小的偏差向設計軌跡回歸。為了選定工程技術參數，探索鉆進偏斜規律，在正式施工前，須進行工藝試驗。即先打1-2個試孔，搜集獲取地層對鉆進質量、進度的影響規律，孔內涌水、涌砂規律等，為了選定技術參數提供依據。試驗孔孔位由甲、乙方協商確定，一般選擇隧道中部為宜。

根據實際情況，遵循以盡量減少地層擾動，便于施工、互不干擾等原則，建議施工順序為：先上后下，先易后難。

其主要工序為：

（1）工作井設置

在擬設管棚兩端位置，先開挖管棚施工工作井，利用工作井，提前進行管棚頂進和注漿工序，使管棚施工不占用掘進時間，在保證質量和安全的前提下，得到節約工期的目的。前端的工作井安置卷揚機及定向輪，負責鋼管的定向拉進；后端的工作井除安置水平導向鉆機外，預先澆筑用于鋼管頂進作業的千斤頂后背及頂進操作臺。

（2）采用FDP-28B水平定向管棚鉆機，鉆桿前端安裝導向專用鉆頭（內裝有導向探頭）。采用美國月食導向儀，隨導向鉆進加尺（當方位角、傾角、深度偏離設計導向軌跡時，隨時糾偏）將鉆桿依次打入，直至達到預定位置。根據地貌情況，棚管直接用Φ159×8mm棚管做鉆桿，形成滿眼鉆進，有效的約束鉆頭，減小或防止鉆具偏斜。隨鉆進加尺將棚管一次打入，成孔與棚管埋設一次完成。

（3）管棚施工

精確測量定位后，首先在拱頂上部中間位置利用水平導向鉆機打設φ73的水平孔。要求此類導向孔的導向精度控制在20cm以內。導向孔完成后，根據水平孔的精度，分析是否進行擴孔作業，擴孔作業要采用擠擴的方法，不能采用通常水循環大擴孔方法，避免引起地層擾動，導致地表沉降。擴孔完成后采用前拉后頂的方法，在前部用卷揚機通過安放在前面的定向輪拉住φ159管棚鋼管，以前端拉力為主，將φ159鋼管拉入，在拉入時，可能會遇到回填不均勻的硬地層引起卡管現象，這時用后部千斤頂，在鋼管后部施以頂力使鋼管順利通過，直至將鋼管拉出對面掌子面。第一根鋼管施工完成后，進行第二根施工，直至全部鋼管鋪設完成。

封閉鋼管尾部：先用麻布條封堵管棚鉆孔空隙，后用環形楔環頂緊，最后用電焊將楔形環焊接在管棚上。

（4）"有線儀器導向、一次性跟管鉆進"工法管棚施工示意圖

a用水平導向儀及鉆具前端的探頭可以監控鉆頭位置的水平角度，如有偏差采用不旋轉頂進方式糾正鉆頭角度，從而達到調整鉆進軌跡（垂向），保證棚管打設滿足設計要求。

b導向儀的選擇：導向的精度直接影響管棚打設精度，導向儀精度高打設精度就高。超出70米打設長度一般采用進口導向儀才能保證打設精度，通過多年施工驗證，美國生產的月蝕導向儀更適合長大管棚的打設。

c直接用φ159×8mm棚管做鉆桿，形成滿眼鉆進，有效地約束鉆頭，減小或防止鉆具偏斜。隨鉆進加尺將棚管依次打入，成孔與棚管埋設一次完成。

d打設水平鋼管的機械，可架設在我司自行研制的可升降行走的平臺上，該工作臺可水平行走和垂直升降,并能調節水平方位角和垂直方向的仰俯角，工人操作安全可靠。

e高速公路地層，采用優質泥漿護壁工藝和循環系統的設施，采用小泵量泥漿循環，通過鉆頭后部的單向閥與孔口密封裝置(密封盒)的控制，保證孔內（環狀間隙）泥漿飽滿起到護壁防塌等作用（保壓）。泥漿采用定向鉆進專用高質量膨潤土及外摻劑配制而成。

（5）管棚接長

管棚接長時先將前一根鋼管頂入鉆好的引導孔后再行連接。聯接器螺紋長度不小于15cm。將聯接器預先焊接在每節鋼管尾端，便于連接。第一根鋼管前段加工成尖錐狀，以利鋼管推進孔內。相鄰孔內管的接頭位置至少錯開3m，避免接頭在同一個斷面受力。基礎節管棚長度控制在10m左右（以便于搬移操作為準），接長部分每節控制在6～7m，每頂進一節接長一節，直至到設計長度。

（6）環狀及管內注漿

施工前做注漿試驗，以確定合理的注漿參數；對富水地段，管棚注漿采用水泥、水玻璃雙液注漿；對于非富水段，采用注單液水泥漿，具體在施工中可根據實際地質情況、裂隙水發育情況決定注漿類型。注漿壓力2.5Mpa。

a徹底沖洗鉆孔，保持孔內均勻充滿泥漿液；盡量減少孔內殘余鉆渣。

b注漿要求：穩定、流暢、不得中斷、連續注漿，孔口出水泥漿后，封住孔口，然后再加壓注漿1－3次；（加壓不得超過0.6Mpa）。

c注漿時，可根據孔內情況，來回旋轉或拉動鉆具，一邊注漿一邊放氣，以保證管外"環狀間隙"注漿飽滿。

d預先計算出注漿量，注漿時不得小于計算的注漿量。

e注漿漿液擬采用水泥漿，其具有可灌性好、沉淀析水緩慢、滲透性較好，與一般土層有較好的親合力。易與周圍土層、棚管形成整體結構性能。

4、施工注意事項

(1)臺支撐要著實地，連接要牢固、穩定。防止在施鉆時鉆機產生不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量。

(2)鉆機定位：鉆機要求必須精確核定鉆機位置。用經緯儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸線與管軸線相吻合。c鉆進過程中全程用導向儀測定位置，并根據鉆機鉆進的現象及時判斷成孔質量，并及時處理鉆進過程中出現的事故。

(3)鉆進過程中確保動力器，扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

(4)認真作好鉆進過程的原始記錄 (包括導向記錄)，及時對孔口巖屑進行地質判斷、描述。作為開挖洞身的地質預探預報，作為指導洞身開挖的依據。

(5)嚴格控制鉆進速度，采用低速鉆進。必要時用拉管機將鉆管拉回注漿，待固結后重打，要24h觀察地面情況，發現問題立即處理：

(6)水平定向鉆進時，每打設一根鉆桿檢測1～2次是否偏斜，如有偏斜及時校正；

(7)如果出現回填物使鉆桿不按預設路徑鉆進，可反復旋轉進退，將回填物破除。如仍不能清除，可撤回鉆桿，用氣動潛孔錘清除，然后繼續鉆進。

(8)為避免引起地面沉降，要保證實際出土不能大于理論出土值，盡量減少對地層的擾動。因此擴孔直徑不能大于159mm，盡量控制出土量和用水量，同時，盡量減少對地層的擾動。

5、應急處理預案：

5.1 施工前詳細了解地下障礙物（市政管線、軍用通信、人防工程等）分布情況、最大埋深。根據調查結果做出相應防范措施。

5.2 鉆孔涌水涌泥砂（應急預備方案）：通過鉆進過程中對涌水涌砂的嚴重性進行評估。如有必要及時上報有關領導與設計部門，商討采取有效預防涌沙措施。為預防鉆進過程中出現涌水涌泥沙事故：

（1）孔口管的安裝必須嚴格按要求進行，麻片纏繞要認真，松緊度、均勻度、厚度都要控制好。與砼內襯墻連接固定要牢固、有效。

（2）孔口球閥，密封盒質量要合格，安裝前認真檢查。

5.3 鉆進中出現地下水泥沙涌出時：

（1）壓緊密封裝置的壓蘭；適當改小泵送水量；

（2）如發現地下水壓力太大，可迅速加固孔口管；增加漲管螺栓和爪片數量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

5.4 孔內事故的處理：

鉆進中發現孔斜明顯超標（限）：查明原因，采取有效糾偏措施，例如：調整鉆機角度或補打棚管等。為預防縮孔，抱鉆等：

（1）嚴格控制泵壓、泵量，泵工時刻觀察沖洗液消耗量及循環狀況，避免出現"干鉆"。

（2）鉆進中途應避免隨意停鉆（例如用餐、交接班等），必須停鉆時盡量壓縮停鉆時間。

（3）斷鉆桿事故：備有必要的打撈工具。

6、實施效果

通過對高速公路設置路面沉降點觀測，路面最大沉降量為80mm，控制了地表沉降，隧道順利地穿越了高速公路，取得了很好的效果。

[1]王曉興.水工隧洞超長大管棚支護施工技術.深圳市東江水源工程管理處.廣東深圳 [期刊]廣東水利水電，2006-10-30.