大管棚施工工艺文档格式.docx
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108×
8mm超前大管棚注浆支护辅助施工,共设两环,每环钢管总长度30m。
我公司施工类似大直径的长大管棚,并且达到两环以上(包括两环),这是第一次。
其施工工艺和方法尚无成熟的经验可以借鉴,需要进行摸索和研究。
因此有必要对ø
108大管棚超前支护的施工方法、适用机械、劳动组织等进行研究和总结,以便更好地加以推广和应用。
将ø
108大管棚超前支护的施工工艺,形成一整套操作性强、系统完整、详实准确、技术含量高、有推广价值的成果。
对于提高工程的科技含量,增强技术创新能力,全面贯彻“科技是第一生产力”,推动公司的科技进步和“科技兴企”战略的实施,都具有重大的意义。
2.工程概况
2.1概述
彭(水)酉(阳)二级公路A标段下南城隧道位于重庆市彭水县城南郊下南城,隧道穿越下南城山,进口里程K2+423,出口里程K3+195,全长772m,路线设计纵坡-3%、-0.094%。
进口30.632m及出口段192.75m分别位于半径为120m及200m的曲线上,其余地段位于直线上。
进口K2+433~+488段55m,为Ⅱ类围岩,隧道位于坡积碎石土层上,含水量大,埋深浅,工程力学性质差,围岩开挖后易坍塌,成洞困难。
于隧道拱部120°
范围采用超前大管棚注浆支护辅助施工(大管棚共布置两环),边墙及仰拱采用超前小导管注浆支护辅助施工。
且设2榀/m拱、墙、仰拱格栅钢架加强支护。
隧道开挖最大尺寸为宽×
高=13.24m×
9.86m。
隧道衬砌内净空宽度为9+2×
1.0米。
限界净宽:
10.5m,限界净高:
5.0m。
2.2大管棚变更情况
原设计管棚里程段为K2+438~K2+488(50m),管棚长度60m,分两环布置。
变更一:
管棚里程段由K2+438~K2+488(50m)变更为K2+433~K2+488(55m),形成两个方案:
①按两环布置,管棚长度为65m(里程段+一个接头+超前量=55+5+5=65m);
②按三环布置,管棚长度为70m(里程段+二个接头+超前量=55+5×
2+5=70m)。
考虑到按①施工,每环管棚长度都超过了30m,很难达到规范和质量要求。
故采用②,每环长度分别定为24m、24m、22m。
实际施工时,钻孔记录显示,第二环管棚已有2m伸入岩层,这样,第三环管棚已无必要,将其取消。
变更二:
钢管接头原设计为管子两头车公螺纹,对接后,外套厚壁管箍,将丝扣上紧。
考虑到加工螺纹,费用很高,故变更为两种接头方法:
外套管和丝扣法。
其中,外套管法用于第一环大管棚,丝扣法用于第二环大管棚。
2.3大管棚超前支护方法
2.3.1管棚构造
管棚由钢管和钢格栅拱架组成。
管棚是利用钢格栅拱架,沿着开挖轮廓线,以较小的外插角,向开挖面前方打入钢管,形成对开挖面前方围岩的预支护。
见下图
2.3.2管棚的性能特点及适用条件
管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑,构成纵、横向整体刚度较大,能阻止和限制围岩变形,并能提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。
管棚适用于特殊困难地段(如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩)的隧道施工中采用。
长管棚与短管棚相比,其一次超前量较大,可减少安装钢管次数,并减少与开挖作业之间的干扰,适用于大中型机械进行大断面开挖。
2.3.3管棚支护结构要点
⑴大管棚钻孔孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm布置,环向中心间距40cm,外插角约,每环35根。
⑵钢管采用外径ø
108、壁厚8mm的无缝钢管,每环钢管总长度为30m。
钢管分段安装。
第一段按奇、偶数分别编号,奇、偶数不同的管长相差2m(若奇数管长为4m,则偶数管长为6m),其后各分段管长可取相等长度(6m)。
两段之间用丝扣连接,丝扣螺纹段长度不小于15cm。
钢管上钻注浆孔,孔径为ø
10mm,孔间距50cm,呈梅花型布置。
钢管尾部2m不钻孔作为止浆段。
为提高钢管的刚度和强度,钢管内增设由4根φ20mm螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼,固定环采用外径ø
42mm、壁厚8mm,长4cm的短管环,环向间距1m。
⑶纵向两组管棚间,应有不小于3.0m的水平搭接长度。
钢拱架采用钢格栅钢架。
(4)在钢管内放置钢筋笼并灌注水泥浆单液浆或水泥-水玻璃双液浆,可增加钢管刚度。
(5)注浆浆夜采用水泥浆,水灰比为:
W:
C=0.5:
1。
当地下水较发肓或浆液扩散范围较大时,注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。
注浆压力采用0.5~1Mpa。
2.3.4大管棚施工工艺流程图
3.施工工艺
3.1测量放样
1第一环大管棚(K2+432~K2+456)
a.根据隧道进口布设的三角导线网,用坐标法测设管棚的起始中心里程(K2+433),落点。
然后置镜中心点,测设中心线的垂线方向,在该方向上测设控制桩,每边各2个,以便随时恢复并检查方向的正确性。
b.然后,在该方向上安设一钢格栅(其半径与大管棚半径相对应),以作定位用。
测设每根导管的中心线方向,并测设控制桩2个,同时在钢格栅上落点,于点位两端焊接Ф20的的短钢筋头(长20cm),以作导向用。
同时在钢格栅下边用Ⅰ18工字钢布设五道支撑加固,确保钢格栅稳固。
c.钻孔的方向和倾斜度控制
方向控制:
在每个导管中心线方向上,均钉设两个方向桩,以控制钻孔的方向。
倾斜度控制:
孔外,通过测设大导管孔口及钻机中心的高程进行控制。
孔内,用精密水平陀螺仪控制倾斜度,分别在距孔口2m处、1/2孔深处、终孔处三处进行测量,不符合钻孔精度和要求的钻孔,必须封孔重钻。
②第二环大管棚(K2+452~K2+476)
一般测设同第一环大管棚。
不同之处如下:
a.第二环大管棚增设工作室(K2+445~K2+453),长为8m(每节ø
8mm大导管长6.0m,加钻机机身及主动钻杆必需的2.0m)。
围岩开挖后,立即初喷混凝土,架设钢格栅支撑和打设锚杆,挂网并喷混凝土覆盖。
该工作室尺寸比设计轮廓线相应的增大,工作室纵断面示意图如下:
b.由于第二环大管棚在洞内施做,工作空间狭小,且不能影响后续工序,所以不能象第一环管棚那样,将控制方向护桩钉设在地面上,而是在钻机机身中心上面的初期支护拱部设点,并用红油漆标记。
同时,通过这些拱部点位的标高来反算钻机中心的高度,通过孔口及钻机中心两点的高程便于控制钻孔时的倾斜度(孔外)。
3.2钻孔
①检查开挖的断面中线及高程,确保开挖轮廓线符合设计要求。
在开挖工作面处安设受力拱架,并在其上正确标明管棚位置;
②钢架安装垂直度允许误差为±
20,中线及高程允许误差为±
5cm。
在钢架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔,其外插角以不侵入隧道开挖轮廓线越小越好。
钻孔顺序见下图:
两台钻机钻孔顺序示意图
说明:
Ⅰ部和Ⅱ部同时开孔,同时结束;
Ⅲ部和Ⅳ部同时开孔,同时结束。
方向前进如上图所示。
原则为:
任何时候都必须保证有两台钻机同时工作。
因为上导坑需人工开挖掘进,工效很低,是控制整个隧道工期的关键因素,所以必须千方百计地加快管棚施工进度,为人工开挖掘进,赢得一定的时间。
③按照布好的孔位及钻孔的方向和倾斜度开始钻孔。
孔口位置与设计位置的允许偏差为±
5cm;
孔底位置偏差小于孔深的10‰。
④刚开孔时,要低压、慢转,以便于控制方向,然后逐渐地提高钻速,保持正常压力。
如遇到大孤石时,则需高压、低速进行。
总之,要随着地质的不断变化,相应地调整钻进参数。
⑤钻进时,用清水护壁,中间定期将取芯管取出,取出岩芯。
当快成孔时,用水将孔内的悬浮物或泥浆、石碴等清洗出来,做到孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、岩粉清洗干净。
⑥当出现严重卡钻、孔口不出水时停止钻孔,立即注浆。
⑦钻孔结束后,掏孔检查,在确认无塌孔和探头石时,才可安设钢管。
⑧钻头采用φ130的合金钻头,遇孤石时,则采用金刚石钻头。
⑨大管棚施工完成后,成伞形辐射状。
详见下图:
3.3配管
为了使大管棚的整体受力效果更好,在接长管棚钢管时,钢管接头在隧道纵断面上错开2m。
下管时,由于φ108×
8mm的大导管从4~6m不等,故必须将管子相互连接起来,才能达到设计长度。
管子连接采用两种方法:
第一环管棚使用外套管法;
第二环管棚使用丝扣法。
①丝扣法:
即在一根管子的两端,分别车出一个公螺纹,一个母螺纹,螺纹长度不小于15cm,螺纹深度不大于1/2壁厚(4mm)。
连接时,前一根管的母螺纹与后一根管的公螺纹套在一起,用力拧紧,以防止松动,引起质量事故。
②外套管法:
即管子两端不车螺纹,只在两根管子的接头外边套一φ127×
4mm的外套管,长40cm,然后用电弧焊将缝隙焊满、焊牢。
优缺点:
①法,省时、省力、方便,但加工费用较高。
②法,费时、费力、不方便,但加工费用较低。
3.4送管:
只要具备足够的场地或空间,就可充分利用大型机械送管,以提高效率,并减少工人的劳动强度。
第一环大管棚,利用CAT320挖掘机挖斗向前送管。
但第二环大管棚由于在洞内,场地狭窄,大型机械无法操作,只能用钻机送管。
成孔后,通过异型接头,用主动钻杆带动φ108×
8mm的大导管,边旋转(克服磨擦阻力)边向前推进,直至将全部管子送到位。
两环大管棚纵断面布置如下图:
这样,每一环大管棚都正好搭在两环衬砌头上,相当于过梁。
可以更好地起到预支护的作用。
3.5下钢筋笼
钢筋笼由4根φ20的螺纹钢筋组成,中间内衬一φ42×
8的导管环,间距1m。
钢筋笼主要是为了增强大导管的整体刚度和强度。
3.6管口封闭
3.6.1在管子端部焊一带眼的钢板,然后将φ32×
4mm(长50cm)的注浆管与该钢板相焊,就可以了。
3.6.2注浆管构造
注浆管须是三通构造:
一通接φ108×
8的大导管。
一通接塑胶管,一通为冲洗用(冲洗口主要是为防止水泥浆或水玻璃凝固,造成堵管,可以及时地将管道用水冲洗干净)。
3.7注浆
3.7.1大导管注浆施工参数
①先在ø
8mm钢管上钻ø
10mm的出浆孔,孔距50cm,呈梅花型布置。
钢管尾部2m不钻花孔作为止浆段。
②钢管沿隧道开挖轮廓线布置,外倾角10,间距0.4m,纵向前后两排钢管水平搭接长度不小于3m。
③单液注浆:
水泥浆水灰比(W:
C)为0.5:
④双液注浆(当地下水较发育或浆液扩散范围大时,注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。
):
1;
水玻璃模数2.6-2.9,浓度35波美度;
水泥浆、水玻璃体积比1:
0.3。
注浆压力采用0.5-1.0Mpa。
试配水泥浆如下:
水泥浆配合比
水灰比
材料名称
水泥
水
0.5:
1
1m3用量(Kg)
1123
562
采用双液浆时,商品水玻璃玻美度为45°
be,实际要求为35°
be。
这样,需要将水玻璃加水稀释,采用公式如下:
水玻璃稀释计算公式
{
V1ρ1+VWρW=V2ρ2
V1+VW=V2
V1、V2——稀释前后水玻璃体积;
ρ1、ρ2——稀释前后水玻璃密度;
ρ=145/(145-Be′)
ρW、VW——水的密度和体积;
3.7.2大导管注浆量计算:
按下式计算
Q=πr2Hηа
其中:
r——浆液扩散半径;
H——大导管长度,取24m;
η——岩体孔隙率,取0.6。
а——充填率系数,取0.3。
大管棚注浆量计算表
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
543
1221
2171
3393
钢管净空容量
160
1.r、H单位以米计;
Q单位以升计。
2.注浆量必须大于钢管的净空容量。
注浆时,每根钢管的注浆量一般达到300升左右,估计扩散半径小于0.2m。
开挖以后,发现一般在0.1m左右。
3.7.3浆液的调制步骤:
①水泥浆液搅拌在拌合机内进行,根据拌合机容量大小,严格按要求投料;
②搅拌投料的顺序为:
在放水的同时,将外加剂(如有)一并加入搅拌,待水量加足后,继续搅拌1min,并将水泥投入,搅拌时间不小于3min,并在注浆过程中不停搅拌浆液;
③采用水玻璃浆液时,其浓度宜为25~400Be(取350Be)。
为稀释水玻璃,采取边加水,边搅拌,边用波美计量测的办法进行;
④配制水泥浆或稀释水玻璃浆液时,严防水泥包装纸及其他杂物混入。
拌好的浆液在进入贮浆槽及注浆泵之前均应对浆液进行过滤,未经过滤网过滤的浆液不允许进入泵内。
1配制的浆液在规定时间内注完。
3.7.4注浆方式及顺序
3.7.4.1注浆方式
根据围岩类别、地质条件、机械设备及注浆孔的深度选用全孔式。
即钻孔直至孔底,然后一次注浆完毕。
3.7.4.2注浆顺序
先注无水孔,后注有水孔;
从拱顶顺序对称向下进行。
如遇窜浆或跑浆,则间隔一孔或数孔灌注。
注浆结束后,利用止浆阀保持孔内压力,直至浆液完全凝固。
注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关,一般要求能扩散到管周0.5~1.0m的半径范围内。
但应控制注浆量,每根大导管内已达到规定注入量时就可结束,若孔口压力已达到规定压力值而注入量仍不足时,亦应停止注浆,以防压裂开挖面。
3.7.5注浆作业要求
1浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求,不得任意变更;
②经常检查泵口及孔口注浆压力的变化,发现问题及时处理;
③采用双液注浆时,经常测试混合浆液的胶凝时间,发现不符,立即调整。
3.7.6注浆结束条件
单孔结束条件:
注浆压力达到设计终压,浆液注入量已达到计算值80%以上。
全地段结束条件:
所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏注浆情况。
3.7.7注浆效果检查
采用以下两法进行检查
①分析法:
即分析注浆记录,看每个孔的注浆压力、注浆量是否达到设计要求;
在注浆过程中,漏浆、跑浆是否严重;
以浆液注入量估算浆液扩散半径,分析是否与设计相符。
②检查孔法:
用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔,取岩芯进行鉴定。
3.7.8注浆后至开挖前的时间间隔
单液水泥浆开挖时间为注浆后8h左右,水泥—水玻璃浆为4h左右。
3.7.9注浆异常现象处理
①发生串浆现象,即液浆从其他孔中流出时,采用方法:
堵塞串浆隔孔注浆;
②单液注浆水泥浆压力突然升高,可能发生了堵管,停机检查;
③水泥与水玻璃双液浆压力突然升高,则关停水玻璃泵,进行单液浆或注清水,待泵压正常时,再进行双液注浆;
④水泥浆单液或水泥与水玻璃双液注浆进浆量很大,压力长时间不升高,则应调整浆液浓度及配合比,缩短凝胶时间,进行小量低压力注浆或间歇式注浆,使浆液在裂隙中有相对停留时间,以便凝胶,但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间,才能避免产生注浆不饱满。
3.8沉降观测
为了检测大管棚施工时对周围环境的影响及施工完毕后的效果,均须通过沉降观测进行。
在地面上设K2+441、K2+453断面,每断面设5个观测桩,当大管棚注浆时,经观测,无隆起、上鼓现象发生。
当开挖大管棚范围段时,经观测有一定的沉降(10cm),如遇山体整体下沉,则可达到20cm,这样考虑一些其它因素,在预留25~30cm的沉降量后,完全可以满足隧道施工和安全的要求。
3.9事故预防和处理
3.9.1孔的倾斜度
开孔时,在土质地层中,要低速低压,以保证孔位的正确。
同时在距孔口2m处、开孔1/2处、终孔处用精密水平陀螺仪检测倾斜度,不合格的,封孔重钻。
3.9.2塌孔
若地层中含水量大,或地质较差时,易坍孔,可采用两种方法进行预防。
①泥浆护壁法
对于地层中含水量不是特别大,地质属于碎石土层时,可用泥浆护壁。
②套管护壁法
对于地层中含水量特别大,地质属于碎石层或地下暗河的地段,可采用套管护壁。
此时采用φ127×
4套管,一般的不良地段均可通过。
3.10机具设备和劳力组织
3.10.1需要的机具设备
大管棚作业机具设备表
序号
设备名称及规格
单位
数量
备注
一
机电设备
钻机
台
XY-1、XY-1B
汽车
交流电焊机
注浆机
5
挖掘机
CAT-320
二
工具
每台钻机
链钳
把
管钳
大号扳手
大锤
3.10.2劳力组织
分2个工班进行作业,每个工班12人,其中:
施工指挥1人;
施工技术指导1人;
钻机司机2人(负责钻孔、下管);
普通工人4人(负责装卸钻杆、装接钢管);
电工1人(负责供水供电工作);
电焊工1人;
汽车司机1人(负责运料);
洞外调度1人。
4.安全措施
4.1加强全员安全意识教育;
4.2针对本隧道工程长大管棚施工特点和要求,参照有关规范制订规章制度;
4.3加强对围岩进行动态监控量测,实行信息化管理,科学地组织施工;
4.4拆卸钻杆时,要有统一指挥、明确联络信号,扳钳卡钻方向正确,防止管钳用扳手伤人;
4.5钢管内注浆时,操作人员应戴口罩、眼镜和胶手套。
4.6要有良好的照明条件。
5.结论
5.1可采用XY-1、XY-1B型的轻便钻机。
其最大开孔直径为130mm,最大钻孔深度为120m。
适宜在碎石土层中进行大管棚钻孔,同时由于重量轻、分解性强,便于搬迁,适合于平原或山区工作。
5.2管棚长度控制在25m以内(实际按24m施工)为好。
如按设计的30m长度进行施工,由于管棚过长,钻孔、下管等工序都费时费力,效率低下;
同时管棚的倾斜度、掉钻量也很难控制。
5.3在粘土含量大的碎石土层中,压浆效果不理想。
因为粘土比较密实,浆液不易扩散,其扩散半径较小。
不能形成一个完整的具有一定厚度的砼加固圈。
5.4建议开挖工作室时,开挖轮廓线不进行扩大,而是在围岩开挖后,即初喷3~5cm厚的混凝土,作为支护,不设钢格栅支撑(在确保安全的前提下)。
待管棚施工完毕后,再进行安设。
这样可以减少施工投入。
5.5大管棚应伸入岩石层不少于3m。
这样,在山体滑动时,管棚可以分担一部分荷载,从而避免全部荷载都压在初期支护上,造成大的下沉和严重变形。
5.6大管棚的接头必须在纵向上错开。
否则,接头设在同一断面上,极易出现安全隐患。
6.相关知识点
6.1采用长度小于10m的小钢管称为短管棚;
采用长度为10m~45m且较粗钢管的称为长管棚。
6.2注浆方式有前进式、后退式及全孔式等。
前进式注浆:
当钻孔遇有较大涌水时,应暂停钻孔,待压浆后,重复钻孔、注浆;
后退式注浆:
当钻孔中涌水量较小时,则钻孔可一直钻到设计深度,然后从孔底向孔口进行分段注浆;
全孔式注浆:
当钻孔直至孔底,然后一次注浆完毕。
6.3水玻璃:
商品名,又名泡花碱。
学名硅酸钠,分子式Na2OnSiO2,分子量122.06,系透明,无色或淡蓝色、青灰色的粘稠液体。
其参数如下:
三
四
五
比重(200C)be
350-370
390-410
440-460
500-520
模数(M)
3.5-3.7
3.1-3.4
2.6-2.9
2.2-2.5
1.表内一、二、四类产品主要用于包装材料的胶粘剂、制皂业和化工厂原料等;
三类产品主要用于耐火材料、建筑业;
五类产品主要用于铸造、铸钢工业等。
2.本产品为四川南川市兴明化工厂生产。
6.4注浆机具设备选择
根据注浆目的、范围、注浆液类型和数量等,选用性能好、操作简易的注浆机具设备。
常用的注浆机、搅拌机,分别见表1~2
常用注浆泵表1
名称
规格型号
主要技术指标
产地(厂家)
P(Mpa)
Q(l/min)
液压调速注浆泵
YSB-250/120
250
双液调速注浆泵
2TGZ-60/210
60
锦西注浆泵厂
2TGZ-120/105
10.5
120
液压注浆泵
YZB-50/70
50
石家庄煤矿机械厂
隔膜计量泵
2MJ-3/40
6
泥浆泵
BW-250/50
衡阳探矿机械厂
TBW-200/40
200
8
HFV-C
日本
HFV-2D
100
10
双液液压注浆泵
HFV-5D
70×
PF-40A
15
113×
ZBE
90
瑞典
常用进口搅拌机表2
上下双筒搅拌机
MVT-400
有效搅拌400L
水平双筒搅拌机
MS-400
叶片立式搅拌机
CEMAG
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