兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术.docx

兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术.docx

《兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术

洞身大管棚施工技术

1管棚概述

管棚一般是沿地下工程断面的一部分及全部，以一定的间距环向钻设与隧道轴线基本平行的钻孔，而后插入大直径的钢管，并向管内注浆固结周边围岩，从而在预定范围内形成钢管棚护的支护形式。

管棚超前支护是为了在特殊的地质条件下确保进行安全开挖，预先提供增强地层承载力的支护方法。

主要适用于软弱地层、软岩、岩堆和破碎地段。

隧道进、出口及浅埋段应用较多。

2设计情况

关子岭隧道位于甘肃省陇南市枫相乡，为一座双线隧道，设计时速200km/h，全长2725m，进出口均与桥梁相接，地层主要由第四系全新统坡积，崩积碎石类土及下元古界砂质板岩夹砂质绢云母千枚岩组成。

隧道DK433+166~DK433+266为浅埋段（设计为Ⅴ级围岩、支护Ⅴ级加强），穿越地表冲沟，冲沟地表呈波状起伏，岩堆发育，石块较大多呈长条状、圆形等。

沟槽多为急坡谷，下切较深。

地表覆土较浅，见基岩出露。

自然横坡20°-40°，山坡植被发育，交通条件差。

冲沟沟底距隧道拱部最小埋深16m，冲沟常年有水经过，实测过水断面3m2，流量6m3，雨季受气候季节降水影响较大。

为了安全的穿越此浅埋段，设计采用了长管棚进行超前支护，管棚设计要求：

管棚布设在隧道拱顶120°范围内，管棚采用φ89δ5的无缝钢管，管棚长10m，外插角8°，下一环管棚与上一环管棚水平搭接3m，具体见图1、图2。

图1洞身大管棚正面布置图

图2洞身大管棚纵向布置图

3管棚钻机的选型

管棚机主要分为两种类型，一种为简易的水平钻机，一种为潜孔地质钻机。

水平钻机自身无法调整钻杆外插角，无动力装置，无法自行行走，须搭设操作平台行走和控制钻杆外插角，钻孔动力系统靠高压风，一般用于洞口大管棚的施工。

潜孔钻机配有履带，自身可行走（电力），自身通过液压系统可调钻杆的竖向角度和侧向角度，钻孔动力系统靠高压风，可用于洞口和洞身管棚施工。

两种管棚钻机优缺点比较。

水平钻机优点：

钻机价格便宜，缺点：

①搭设钢平台耗时长施工效率低；②管棚工作室较大。

潜孔钻机优点：

①钻杆可调竖向角和侧向角，可以提高工作效率；②不需要搭设钢平台，只需将洞碴扒平整，管棚准备时间短，节约施工时间；③管棚工作室较小，节约成本，提高功效；④钻机机动性强，出现紧急情况，钻机可及时撤离，缺点：

价格相对昂贵。

钻机型号选定。

考虑在尽量减小管棚工作室的情况下，满足设计管棚外插角8°的需要，考虑到施工功效，我们选择了小型号的潜孔钻机。

潜孔钻机型号KQ90D，潜孔钻外形尺寸长2.5m，宽1.95m，高1.6m，整机重1640kg，潜孔钻机机械性能，可钻孔长30m，孔径90mm~130mm,竖向角上仰25°、下俯25°，侧向摆角左30°、右30°，回转扭矩800N.m，推进轴压力10000N以上操作性能可以满足设计要求。

4机械、人员配置情况

表1.主要机械配置表

序号

设备名称

规格型号

单位

数量

备注

1

管棚钻机

KQ90D

台

1

张家口市宣化

2

双液注浆机

KYB-70/80SK

台

2

3

砼搅拌车

8m3

辆

1

4

红岩金刚汽车

10m3

辆

1

5

交流电焊机

BX1-500

台

2

6

挖掘机

小松

台

1

7

侧翻装载机

柳工

台

1

8

凿岩机

YT28

台

4

9

湿喷机

ZBSP-6C

台

1

表2.主要管理及作业人员配备表

序号

工种

数量（人）

具体分工

备注

1

负责人

1

负责管棚施工的全部事宜

2

领工员

2

负责现场施工和安全工作

3

技术员

1

掌握施工技术、质量及各种异常情况的处理和汇报

4

测量员

2

钻机定位、监控量测等工作

5

试验员

1

注浆配合比的调试

6

安全员

1

负责施工过程的安全监控

7

电焊工

2

导向架、导向管的安装及加固

8

钻工

4

管棚工作室的开挖钻眼

9

立架工

4

钢拱架安装及加固

10

喷砼工

4

喷射砼作业

11

压浆工

2

操作压浆机，做好注浆原始记录

12

司机

4

操作机械及车辆

13

普通工

4

协助各项工作

5洞身管棚施工工艺

5.1洞身管棚施工工艺流程图（见图3）

图3.洞身管棚施工工艺流程图

5.2管棚的制作加工

5.2.1大管棚用钢材的规格、型号、材质满足设计要求和国家有关现有技术标准的规定。

我们选择的材料为：

φ89的无缝钢管，壁厚5mm，单根管长6m，材质为Q235。

5.2.2管棚制作

管棚钢管设计采用钢花管。

钢花管前端20cm做成锥形易于插入，后端1m范围内不开孔，尾部焊接φ16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设10~16mm的压浆孔。

具体见图4

图4管棚加工示意图

5.2.3钢管间的连接。

每根钢管的一端都车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的φ95δ6的无缝钢管进行连接。

为了错开接缝，每根管棚采用两根长6m和4m的钢管组成。

5.3管棚工作室

洞身管棚施工前应预先施做管棚工作室，管棚工作室应综合考虑钢管外插角、管棚机型号、施做断面前后支护情况及施工可操作性。

关子岭隧道设计管棚外插角为8°，经断面及实际现场分析（见图5）断面前方预留2.4m×0.35m环向管棚操作室。

图5管棚工作室

5.4导向墙及导向管

为缩短施工时间，导向墙采用C30喷射砼，厚度50cm。

导向墙内设置两榀I20b工字钢，钢架间距设置为30cm，为了减少管棚的外插角，我们采取了在导向墙内两榀I20b工字钢腹板开孔的办法，导向管采用φ130钢管与钢架腹板焊接，纵向通过φ22螺纹钢与拱架加强连接。

导向管设置角度为8°（通过调整钢架半径，间接调整导线管角度），长度设定为80cm，套拱内外均铺挂φ8钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用φ22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。

5.5钻机就位及钻孔

钻孔是管棚施工的关键工艺环节,钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。

为较少围岩扰动，充分发挥围岩自稳能力，此段围岩采用三台阶七步开挖方法。

钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺,对于难成孔的地层则采用跟管法。

施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。

通过洞内弃砟整平施做平台。

钻机角度调节采用全站仪高差定位，确定角度见图6。

适当调节平台高度，确保钻头正确插入导向管。

采用高压风站的高压风带动钻头，开空时，低速低压，待成孔1m后，适当加压，钻孔进入土质地层采用压力适当调小，以免引起塌孔。

塌孔时可进行注浆加固待周边土质形成一定强度后再行钻孔，直至钻直设计长度，钻孔采用特制精密水平陀螺仪检测偏斜。

图6管棚机角度调整

5.6清孔、验孔并安装管棚

钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔。

利用高压风清理钻渣，用测杆检测孔深，用测斜仪量测外插角。

检测合格后立即安装φ89的钢管，钢管在同一截面内接头数量≤50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、4m及4m、6m的组合形式。

钢管之间通过套管丝扣连接。

浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进，推进时采用测斜仪经常检查钢管的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。

钢管安装完成后及时安装孔口止浆塞，并对每根钢管连续编号且做好标记。

管棚安装后，用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙。

5.7喷砼封闭工作面

一环38根管棚安装完毕后，对开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射10cm厚的C25混凝土，以防止钢管注浆时岩面裂隙跑浆。

5.8管棚注浆

5.8.1管路连接及调试。

将双液注浆机的管路与管棚进浆孔连接，安装止浆阀，管路连接好后进行压水试验，以检查止浆效果和注浆管路是否有跑水、渗水现象。

5.8.2浆液配置。

浆液采用1m3全自动拌和站进行拌制，水泥净浆水灰比为1:

1，材料用量为：

750kg水泥和750kg水，水泥采用p.o42.5水泥。

5.8.3注浆作业

管棚注浆采用KYB-70/80SK 双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足设计要求，钢管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注奇数管，奇数管注浆完成后，再开始按偶数管顺序同上顺序。

注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.5~1.0MPa，终压为2.0MPa。

注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。

单根注浆量按

进行估算。

—注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按

=（0.6~0.7）

计算，

为相邻钢管之间的距离；

—钢管长度；

—岩体孔隙率；

注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题，注浆结束后及时清除管内浆液并用M20的水泥砂浆及时填充，以增强管棚的刚度及强度。

第一环管棚注浆量为147m3。

6量测计划

表3.量测计划表

量测项目

量测仪器

量测断面间距

量测频率

洞内观测

观察调查

数码相机、现场观测

原则上各开挖面和地质不变段每日1次

周边位移

收敛计,精度0.1mm

毎5m布设2条基线

位移速度（mm/d）

观测频率

≥5

2次/d

1～5

1次/d

拱顶下沉

水准仪、铟钢尺

毎5m布设1个观测点

0.5～1

1次/2～3d

0.2～0.5

1次/3d

＜0.2

1次/7d

洞外观测

地表下沉

水准仪、铟钢尺

地表毎10m布设1个断面，断面与隧道中心线垂直，并与洞内布设在同一断面，每个断面布设11个观测点，此浅埋段共布设10个断面，110个观测点。

地表监测频率与

洞内一致。

7管棚施工效果及施工效率

目前，我们仅做了第一环管棚，开挖并支护了三个循环。

掌子面围岩揭示：

围岩裂隙充满水泥浆，加固效果良好，掌子面不掉块，围岩有一定的自稳性，开挖轮廓线圆顺，施工安全。

通过围岩监控量测显示该段初期支护完成后拱顶累积沉降量4.13cm，远远小于设计13cm的预留沉降量，表明管棚预支护取得了很好的效果。

功效分析：

第一环管棚布设在隧道拱顶120°范围内、共38根，管棚施工第一环管棚仅用了10天；而采用简易的水平钻机，根据已施工的洞口大管棚施工，用时均在15天以上。

由此可见KQ90D潜孔钻机施工效率较高。

8结束语

通过试验与摸索，洞身管棚在关子岭隧道Ⅴ级浅埋段施工中取得阶段性的成功，我们得出以下结论：

①长管棚施工是一种处理特殊地质条件下的地下工程有效辅助措施，特别适用于断层、软弱岩性岩层、塌方、裂隙节理发育及浅埋地层等地下工程，值得推广应用。

②管棚工作室可以有效地减小洞身管棚外插角。

③KQ90D潜孔钻机体积小，定位快，非常适合洞身管棚施工，也适合洞口管棚施工，值得推广。

④潜孔钻机竖向支撑杆如设计成液压升降系统，将进一步加快钻杆定位速度，从而提升工作效率。

附图：

洞身大管棚施工示意图（图7）。

参考文献：

【1】杜文，半山隧道长管棚施工技术，西部探矿工程，2010年1期。

图7洞身大管棚施工示意图