淺談隧洞大管棚施工技術(shù)

武鵬翔 任亞軍/中國水電建設(shè)集團十五工程局第二分公司

淺談隧洞大管棚施工技術(shù)

武鵬翔 任亞軍/中國水電建設(shè)集團十五工程局第二分公司

黔中水利樞紐桂松干渠C6項目八翻隧洞大管棚支護，斷面為城門洞形，高5m,開挖斷面為直徑4m，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

隧洞；支護；大管棚

1 工程概況

黔中水利樞紐桂松干渠C6標(biāo)八翻寨引水隧洞全長204m，斷面為城門洞形，高5m,開挖斷面為直徑4m的城門洞形，縱坡4‰，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。八翻寨隧洞進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定性均較差。洞室圍巖為泥盆系上統(tǒng)桑郎組雜色中厚層粉砂巖、薄層泥巖互層夾少量炭質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖，軟質(zhì)巖類，薄層結(jié)構(gòu)，巖體強風(fēng)化層水平深20～30m。成洞條件差。隧洞與巖層走向小角度相交，洞身位于地下水之下。隧洞埋藏較淺，穩(wěn)定性差。全洞段為Ⅴ類圍巖。

2 問題及處理方案

在隧洞正常鋼拱架支護開挖至出洞33m施工（50+843.77）時，發(fā)生了大塌方，按原設(shè)計采用了的超前錨桿及超前小導(dǎo)管護頂并配合鋼支撐和噴砼聯(lián)合支護法施工以滿足不了成洞要求，塌方空腔高度約20m，桂松50+859-50+862.5段一次支護全部砸毀。

根據(jù)現(xiàn)場塌方情況為確保安全技術(shù)可行，決定采用大管棚方案施工，解決松散渣體成孔難的難題，完成塌方段隧洞開挖任務(wù)。

圖1 八翻寨隧洞塌方樁號縱斷面圖

3 大管棚設(shè)計

根據(jù)該塌方段圍巖情況，采用D108★6熱軋無縫鋼管作管棚，直徑×壁厚=108×6mm。每環(huán)孔從拱頂開始布設(shè)，除拱頂布設(shè)1個，兩側(cè)分別按20cm間距布設(shè)。布置范圍為拱頂120°，共計25孔；鋼套管分節(jié)長度為1.0m，兩節(jié)套管間采用專用內(nèi)絲扣鏈接方式連接。

4 大管棚施工

采用XY-1、XY-1B鉆機及單偏心DP102低風(fēng)壓型潛孔錘跟管鉆具作為鉆孔、擴孔的主要配套機具；

鉆機由主機、液壓鉆、操作臺三大部分組成，用高壓膠管相互連接為一整體。主機放在鉆機平臺上，液壓站和操作臺可放在平臺下部(圖2)。

圖2 大管棚縱剖圖

偏心鉆具擴孔鋼套管跟進(jìn)長管棚法適用于隧洞大塌方、土夾石、軟弱破碎等一切成孔難的巖體隧道施工時采用。

鉆機水平鉆進(jìn)狀態(tài)，鉆機總量1500kg；操作臺(含操作臺架、多路換向閥和液壓油管)重150kg。鉆機占用工作平臺面積不大，重量不重，移動方便。

DP102型潛孔錘跟管鉆具與YXZ70型錨固鉆機的鉆桿和管棚鋼套管相連接，由潛孔沖擊器、導(dǎo)正器、偏心擴孔鉆頭、套管靴等組成。

迫使套管靴帶動整個鋼套管與鉆具同步跟進(jìn)，保護已鉆孔段的孔壁。將鉆具退至孔外，鋼套管留孔內(nèi)護壁。

5 施工工藝流程（圖3）

圖3 施工工藝流程圖

6 施工方法

6.1 管棚制作及孔位布置

根據(jù)該塌方段圍巖情況，采用D108★6熱軋無縫鋼管作管棚，即直徑×壁厚=108×6mm。每環(huán)孔從拱頂開始布設(shè)，除拱頂布設(shè)1個，兩側(cè)分別按20cm間距布設(shè)。布置范圍為拱頂120°，共計25孔；鋼套管分節(jié)長度為1.0m，兩節(jié)套管間采用專用內(nèi)絲扣鏈接方式連接。

6.2 管棚施工及開挖支護回填方法

（1）隧洞塌方前僅剩余11.5m貫通，塌方冒頂后，有部分鋼拱架砸毀，根據(jù)現(xiàn)場塌方實際情況，大管棚施工實際長度達(dá)18.5m，受鋼拱架間距1m限制，管棚外插角最小角度在10°～12°。為便于管棚施工可靠，管棚初步計劃分兩個循環(huán)搭設(shè)施工，第一個循環(huán)15m，第二個循環(huán)11m；第一個循環(huán)可在50+863.84搭設(shè)管棚，管棚施工至50+849.07.，根據(jù)第一個循環(huán)15m的鋼套管跟進(jìn)施工情況而定，如15米鋼套管末端嵌入巖石，則15米管棚可一次穿過塌方體嵌入前方巖石面，第二個循環(huán)管棚施工不在跟進(jìn)。如第一個循環(huán)后，管棚末端不見巖石，還處于松散塌方體段在進(jìn)行第二個循環(huán)施工。

首先，在第一個循環(huán)管棚施工工工藝流程圖中施工程序固結(jié)灌漿完后；進(jìn)行第一個循環(huán)后的鋼拱架初期支護。為減少管棚施工后對上方塌方體的擾動，隧洞內(nèi)的塌方體采用150型反鏟、30裝載機配合農(nóng)用車出渣側(cè)壁修整，每進(jìn)尺0.5m時，先把管棚頂部鋼套管與鋼套管之間間距約10cm松散體采用噴錨厚5cm砼與松散體粘結(jié)，可防松散體掉落以便鋼拱架支護。初期支護鋼拱架采用14#工字鋼，鋼拱架間距30cm，固定采用ф25長L=3m間距1m縮腳錨桿加固穩(wěn)定，相鄰鋼拱架之間采用ф25間距50cm長L=50cmm的鋼筋連接，拱架外掛網(wǎng)噴10cm厚砼（鋼筋網(wǎng)片采用?8＠250★250）；根據(jù)鋼拱架現(xiàn)場支護情況，如果底板處于軟基上，則必須在鋼拱架底腳采用14#工字鋼進(jìn)行仰拱布設(shè)，并進(jìn)行50cm厚C20砼換填，以防鋼拱架側(cè)壁擠垮，兩側(cè)側(cè)壁超挖采用C10埋石砼回填，遇有側(cè)壁局部塌方，可先做100cm厚漿砌石擋墻，空腔采用塊石回填密實。由于受鋼拱架間距1m限制外插角選10°～12°時，經(jīng)過計算管棚尾部高出設(shè)計開挖線2.86m左右，在出渣掘進(jìn)時，鋼拱架支護拱頂頂部與管棚間空腔隨之增大，也是塌方體處最薄弱的地方，回填采用ZL30裝載機配合人工進(jìn)行砌石回填，回填厚度50cm。超出50cm部分采用直徑10cm長度為1m左右的圓木回填。

（2）第一個循環(huán)15m管棚施工完，鋼套管跟進(jìn)不見巖石，處于松散塌方體段，渣體不能全部出完，第二個循環(huán)可就在第一個循環(huán)管棚端頭后退5m（50+854.07）后架鉆搭設(shè)管棚，管棚施工11m，管棚末端可穿過靠進(jìn)口洞內(nèi)鋼拱架支護頂部巖石面，管棚末端牢固可靠。下道工序類同第一個循環(huán)后施工程序。

6.3 管棚長度及實管設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，鋼管采用外徑?108、壁厚6mm的無縫鋼管，每孔鋼管總長度為15m。鋼管分段安裝。第一段按奇、偶數(shù)分別編號，奇、偶數(shù)不同的管長錯開0.5m（若奇數(shù)管長為4m，則偶數(shù)管長為4.5m），其后各分段管長可取相等長度。兩段之間用絲扣連接，絲扣螺紋段長度不小于15cm。

圖4 大管棚橫剖圖

6.4 鋼筋籠安裝

為提高鋼管的剛度和強度，鋼管內(nèi)增設(shè)由3根φ25mm螺紋鋼筋和固定短環(huán)組成的鋼筋籠，固定環(huán)采用外徑?70mm、壁厚8mm，長4cm的短管環(huán)，環(huán)向間距1m。在鋼管內(nèi)放置鋼筋籠并灌注水泥漿可增加鋼管剛度。

6.5 灌漿方法

灌漿前首先要素噴lOcm厚砼將塌方渣體封閉，防止漏漿。采用純壓式灌漿方法進(jìn)行灌漿。本灌漿工程為臨時加固工程，灌漿目的是使洞挖時水泥漿膠體能在洞周圍一定范圍內(nèi)起到粘結(jié)松散渣體的作用。大管棚施工完成后，成傘形輻射狀。

7 鉆孔技術(shù)要點與特殊情況處理

7.1 鉆孔技術(shù)要點

(1)大管棚。a.開鉆時先用坐標(biāo)法測設(shè)大管棚的起始中心落點。然后置鏡中心點，測設(shè)中心線的垂線方向，在該方向上測設(shè)控制樁，每邊各2個，以便隨時恢復(fù)并檢查方向的正確性。b.大管棚在洞內(nèi)施做，工作空間狹小，且不能影響后續(xù)工序，將控制方向護樁釘設(shè)在地面上，而是在鉆機機身中心上面的初期支護拱部設(shè)點，并用紅油漆標(biāo)記。同時,通過這些拱部點位的標(biāo)高來反算鉆機中心的高度,通過孔口及鉆機中心兩點的高程便于控制鉆孔時的傾斜度(孔外)。

同時在鋼格柵下邊用Ⅰ14工字鋼布設(shè)五道支撐加固，確保鋼格柵穩(wěn)固。大管棚都正好搭在兩環(huán)襯砌頭上，相當(dāng)于過梁。可以更好地起到預(yù)支護的作用。

(2)鉆孔的方向和傾斜度控制。方向控制：在每個導(dǎo)管中心線方向上，均釘設(shè)兩個方向樁，以控制鉆孔的方向。傾斜度控制：孔外，通過測設(shè)大導(dǎo)管孔口及鉆機中心的高程進(jìn)行控制?？變?nèi)，用精密水平陀螺儀控制傾斜度，分別在距孔口2m處、1/2孔深處、終孔處三處進(jìn)行測量，不符合鉆孔精度和要求的鉆孔，必須封孔重鉆。操作平臺及鉆機安裝牢固，洞邊墻支撐固定，保證施工中鉆機及平臺的穩(wěn)定性。同時平臺和鉆機安裝平整，用水平尺校正，確保其水平度。鉆具及跟管開孔保證孔位點、導(dǎo)向器及動頭三點一線，并加長導(dǎo)管，隨時用導(dǎo)向器導(dǎo)向以保證鉛直度，確保管棚的設(shè)計轉(zhuǎn)向傾向。

(3)鉆孔跟管開孔先采用低風(fēng)量、低壓力純沖擊，先造引導(dǎo)孔，待孔基本成型后，開動正轉(zhuǎn)讓偏心鉆具工作帶動導(dǎo)管跟管，但轉(zhuǎn)速要限制，以確保孔口巖體不被大面積擾動破壞。

(4)鉆孔跟管過程中，控制進(jìn)尺速度不能過快，注意間歇空鉆排渣，以保證導(dǎo)管與鉆桿間通道暢通，避免卡鉆并控制風(fēng)量及鉆壓(風(fēng)量、風(fēng)壓以保證沖擊器正常工作為準(zhǔn))。

(5)鉆孔跟管起鉆時，先關(guān)閉風(fēng)，然后反轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)收回偏心鍾才起鉆。

(6)操作過程中特別注意，風(fēng)是偏心鉆具在導(dǎo)管內(nèi)，只能反轉(zhuǎn)，不能正轉(zhuǎn)，只有偏心鉆具出管靴后才正轉(zhuǎn)。

(7)在用金鋼石鉆具鉆進(jìn)過程中，時刻注意控制風(fēng)壓，盡量采用低壓、高轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)。

7.2 特殊情況處理措施

(1)鉆孔跟管過程中，若排渣不暢，出現(xiàn)殘渣滯于導(dǎo)管內(nèi)將鉆桿抱死現(xiàn)象，可直接敲擊導(dǎo)管，并少許反轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，以幫助排渣，但應(yīng)注意可能會將鉆具、管靴等反掉。若鉆桿已被抱死，無法清理通暢，則只能利用鉆機液壓將導(dǎo)管全部拔出，重新跟管。

(2)鉆孔跟管過程中，若排渣不暢，必須采取收回偏心錘以協(xié)助排渣。當(dāng)出現(xiàn)偏心錘重新下入孔底不能出管靴情況時，可將偏心鉆具下到孔底后，在管內(nèi)正轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)，讓偏心頭卡住導(dǎo)管內(nèi)壁，再利用鉆機液壓輕輕拔管少許，然后反轉(zhuǎn)(控制旋轉(zhuǎn)一周360度)，將鉆下到底，進(jìn)行純沖擊鉆進(jìn)，以確保偏心鉆頭出管靴，繼續(xù)鉆進(jìn)跟管。

(3)若鉆孔跟管結(jié)束后，出現(xiàn)偏心鉆具無法收回導(dǎo)管內(nèi)的情況，可采取控制風(fēng)量，壓力回零，空正轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)后，停風(fēng)，給少許壓力，用手動反轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)，再用液壓反拔鉆桿鉆具，當(dāng)可拔出后重新鉆孔跟管。

(4)若鉆孔跟管過程中，出現(xiàn)鉆桿鉆具仍然有進(jìn)尺，但導(dǎo)管則不繼續(xù)跟時，則不是管靴脫落或斷裂，就是中部某段導(dǎo)管脫落，只能拔管重新跟管。

(5)若圍巖太硬或跟管進(jìn)尺較長，或圍巖軟硬不均，可能出現(xiàn)管靴變形，鉆具旋轉(zhuǎn)負(fù)荷大并伴有金屬磨擦聲，且導(dǎo)管跟著旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象時，只能反拔導(dǎo)管抵換靴后重新跟管。

(6)若因圍巖軟硬不均，造成導(dǎo)管與鉆桿不同心，鉆進(jìn)跟管困難時，以及仍需跟管長度不長進(jìn)，可采用人工扶正強行跟管至結(jié)束；若仍需跟管長度較長，必須拔管重新跟管。

8 施工成效分析

該工程地質(zhì)條件差，隧洞埋深較淺，塌方后成洞困難，采用大管棚與鋼拱架構(gòu)成縱、橫整體，其剛度較大能限制圍巖變形，保證了與圍巖緊密結(jié)合，提高了承載能力。所用機械設(shè)備相對較小，移動靈活，工藝簡單，操作方便，其次管棚是利用鋼格柵拱架，沿著開挖輪廓線，以較小的外插角，向開挖面前方打入鋼管，形成對開挖面前方圍巖的預(yù)支護,安全可靠。

9 結(jié)語

對埋深較淺隧洞，遇到斷層、塌方段，盡可能采用一次性超長管棚，可減少導(dǎo)管安裝次數(shù)，減少開挖作業(yè)面干擾。但在管棚施工過程中，注意以下幾點：第一，在管棚施工結(jié)束后，及時進(jìn)行初次支護，第二，要加強對隧洞及地表檢測工作，以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、量測鋼管的應(yīng)力應(yīng)變指導(dǎo)洞內(nèi)施工。其次，工期短，經(jīng)濟效益好，可在類似隧洞等部位類同施工。

[1] 水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范：DL/T5148—2001[S].

[2] 水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范：DL/T5099—1999[S].

[3] 錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范：GB50086—2001[S].