跟管鉆進大管棚施工技術

歐陽天武

【摘 要】老君寨隧道右線進口洞口段為坡積物及崩塌體堆積層，巖體破碎，空洞較大，地質構造復雜，巖體自穩能力極差，采用常規施工工藝施工大管棚時塌孔嚴重，塌孔后反復注漿、再鉆進也無法達到設計孔深。本文重點研究了崩塌體堆積層地質條件下大管棚的施工方法，通過跟管鉆進施工技術的研究，總結出在極破碎巖體、塌方體、卵石地層、裂隙發育巖體等圍巖條件下隧道大管棚的施工方法。研究成果對類似工程具有一定的參考借鑒意義。

【關鍵詞】大管棚；跟管鉆進法；崩塌體積層

1 工程概況

老君寨隧道右線進口K148+881～K148+899屬于V級圍巖淺埋段，長度為18m，設計地質情況為：強風化板巖；淺灰色，巖體破碎，為軟巖，巖芯呈小塊狀，可折斷，上覆薄層碎石，圍巖穩定性差。隧道設計支護方案為：采用20m大管棚超前支護；I22b型鋼支護，間距65cm。

1.1 實際地質條件

右線進口端開挖后揭示：洞口段為坡積物及崩塌體堆積層，巖體破碎，空洞較大，地質構造復雜，巖體自穩能力極差，洞口圍巖情況見圖1。

1.2 前期施工情況

采用常規施工工藝施工大管棚鉆進5米后塌孔嚴重，拔出鉆頭持續給孔內注漿1～2小時后接著鉆孔，進尺1m后出現塌孔現象，塌孔后反復注漿、再鉆進；鉆孔過程中由于持續發生坍塌現象，通過地表及導向管注漿先后壓入46噸42.5水泥，但進尺最深達到8m后就無法再施工鉆孔，更換孔位后情況類似。

2 施工方案選擇

由于洞口段圍巖為崩塌體堆積層，巖體破碎，采用常規方法施工大管棚成孔困難，甚至很難成孔。為保證鉆孔質量并順利成孔，我們采用了ZSL-100全液壓履帶式鉆機跟管鉆進，解決了巖體空隙率高，不易成孔的困難。

跟管鉆進法是利用偏心鉆旋轉擴孔原理，結構氣動沖擊裝置的特點，將鉆具和管棚鋼管通過鉆桿連為一體，再通過偏心鉆頭研磨、沖擊、擠密巖體成孔；壓縮空氣作為潛孔錘動力，同時冷卻鉆頭，排除巖屑。當鉆進到設計長度時，反向旋轉內鉆桿 90°即可將中心鉆頭與套管分離，然后把內鉆桿全部提到孔外，將套管（管棚鋼管）留在孔內。

3 大管棚跟管法施工方法

3.1 跟管鉆進法施工工藝

跟管法施工工藝流程見圖2。

3.2 跟管鉆進法施工方法

3.2.1 跟管鉆進的設備及配套機具

（1）鉆機：由于全孔用空氣潛孔錘跟管鉆進，要求設備具有扭矩大、給進力大、轉速慢的特點，為此，選用ZSL-100全液壓履帶式鉆機。該設備的具體性能如下：鉆機給進力和起拔力大，處理事故能力強；鉆機配有低速大扭矩動力頭雙回旋機構，具有雙層滑動導軌，能實現孔口近距離鉆進，加接鉆桿方便；具有液壓升降機構，能方便地對正孔位。

（2）跟管鉆頭：采用I127mm單偏心跟管鉆頭和I127mm同心式環狀鉆頭。

3.2.2 鉆機平臺搭建

鉆機平臺在洞口預留山體的基礎上，通過土方填筑形成。平臺必須密實，防止鉆機鉆進時不均勻下沉、擺動、位移等影響鉆孔質量。

3.2.3 大管棚鋼管加工

采用DZ40高頻淬火的無縫鋼管，壁厚6mm，管與管之間用絲扣聯接，絲扣長60mm，牙型采用標準地質套管螺紋。管材加工時單節長度采用定尺并制作調節管，為提高管棚的抗壓性能，相鄰棚管接縫應錯開。在每孔的第一節管打設時，奇偶孔分別用2m和1.5m的鋼管，以后每節均采用2m鋼管，分節鋼管見圖3。為防止反轉脫扣，并保持鋼管連接密封，絲扣上緊后，接縫處應滿焊。

3.2.4 鉆機定位

開孔前以套拱中預埋導管為準調正鉆機，套管從導管中穿過，依導管的方位角為準，盡量調正接近設計所需的方位角。鉆進開始前，鉆機水平精度必須反復測量，并根據地質情況控制進度。

3.2.5 跟管鉆進施工

1）鉆進

鉆進時應以排屑順暢為準。淺部時應控制進尺，以免巖屑太多，排除不及時產生回轉困難的狀況。鉆進中發現回轉阻力大或外套管跟著旋轉的情況時要輕提鉆具吹孔。

鉆進前須先開氣泵，待壓縮空氣流通正常后，方可鉆進；鉆進時，空氣壓力應控制在0.6～1.0 MPa，保持中低壓力、勻速鉆進。

為保證管棚打設精度，在每打設6～10 m時，通過導向系統分段測量管棚管的仰俯角度，然后通過鉆機的鉆具進行調整。定向鉆進，終孔后退出內錘頭、沖擊器及鉆桿，準備注漿。

2）反轉提鉆

在必要反轉提鉆時可邊沖擊邊反轉2圈左右，然后在不停風的狀態下提鉆。

3）鉆具檢查

每打完一個鉆孔要檢查偏心鉆頭的收斂和張開狀況，注意偏角過大時要及時更換橫銷或補焊偏心槽。套管在連接時要上緊，當有接頭露在外面時要防止接頭松脫。鉆桿一定要上緊，防止在反轉鉆具時從鉆桿接頭處反脫。

3.2.6 清孔

用鉆桿配合鉆頭來回掃孔，清除浮渣至孔底，用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣，防止堵孔。

3.2.7 注漿

在導向管上安裝止漿閥，注漿采用電動隔膜注漿機進行，水泥漿水灰比1：1。注漿孔口壓力初壓0.5～1.0MPa，注漿壓力逐步提升，終壓控制在2.5MPa并繼續注漿10min以上。在壓力作用下，漿液沿著大管棚的小孔滲入到圍巖內且達到一定范圍，并且充填圍巖裂隙。水泥漿凝固后，各個鋼管與圍巖固結在一起，形成一個承載圈，圍巖得到加固。注漿主要在于增大管子的抗彎強度，同時增加松散地層的粘結力，提高圍巖開挖后自穩的強度。

3.3 跟管鉆機與常規鉆機施工管棚區別

3.3.1 施工原理區別

常規鉆機管棚施工為先用鉆機鉆進成孔后， 再將鋼管推進形成管棚； 跟管鉆機管棚施工為鉆頭推進時套管直接跟進， 管棚一次成型。

3.3.2 鉆頭區別

常規鉆機鉆頭直接用常規沖擊鉆頭， 跟管鉆機選用單偏心跟管鉆頭。

3.3.3 套管區別

常規鉆機套管采用普通無縫鋼管，每節5 m～6m長度成孔后推進；跟管鉆機套管采用DZ40高頻淬火的無縫鋼管，每節長度1.5～2m 隨孔跟進。

4 施工注意事項

鉆管過程中主要存在卡鉆、偏心鉆頭脫落、排屑困難、管靴脫落事故、蹩鉆等問題。

4.1 卡鉆

卡鉆的主要原因為鉆進動力不足、鉆進壓力過大及鉆孔嚴重偏斜增大了管系及鉆頭摩擦，采取的主要措施有：更換設備；調整操作工藝，選擇經驗豐富的操作手；鉆進過程中加強偏斜量測，主要是控制機具就位和管具安裝精度入手，加強施鉆等環節人員培訓，根據情況控制鉆速、壓力及沖擊風壓。

4.2 偏心鉆頭脫落

主要原因是偏心橫銷材質較差，易斷。當事故發生時，先拔管，然后用筒狀巖心管取心鉆進取出。改進措施是改變偏心橫銷的材質，選用軸承鋼加工橫銷。

4.3 排屑困難

由于所鉆鉆孔基本上為水平孔，崩塌體松散層孔隙較大，高壓風漏風嚴重，當鉆孔較深時，排屑十分困難。因此在鉆進過程中，嚴格控制進尺，勤吹孔，必要時從鉆具內和鉆具與套管的環狀間隙送水洗孔提鉆。

4.4 管靴脫落

在跟管過程中主要是通過跟管鉆具在給進破巖的同時利用管靴與鉆頭上的臺階拖著套管同步跟進，因此套管靴是主要受沖擊振動的部位。當鉆孔加深后，套管增長，摩擦力大或后部套管被巖粉卡死后，套管管靴很容易被打脫。當管靴被打掉時，在拔出套管后，用公錐取出管靴，再繼續跟管鉆進。防止管靴脫落的主要措施有：

（1）在動力頭與套管之間增加一個同步給進裝置；

（2）管靴與套管實行鉚焊、點焊聯接。

4.5 蹩鉆

在跟管鉆進過程中，當鉆遇地下隱埋物如鋼筋、硬質石英砂巖或土石軟硬不均時，會發生嚴重蹩鉆，鉆具無法正反轉，遇到此種情況需拔出套管，取心鉆進后再跟管鉆進。

5 施工效果評價

（1）根據開挖中揭示的圍巖情況， 施工后管棚形成的輪廓圓弧規則，管棚排列較整齊，形成一個完整的超前支護環；隧道開挖后地表、拱頂沉降均較小，均在允許范圍內。

（2）施工中采用的跟管鉆進工藝及所選用的成孔設備和鉆具組合合理有效，得用管棚支護技術穿越崩塌體松散層是成功的。

（3）在崩塌體、砂卵石地層中應用空氣潛孔錘跟管鉆進技術建成管棚是非常經濟可行的，孔內事故少，鉆孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，但是單偏心潛孔錘跟管鉆進技術對于機具的配套，以及對于硬巖層和軟硬不均的巖層適應性還有待進一步改進。

[責任編輯：楊玉潔]