黄土及砂砾层隧道长大管棚施工技术论文

1、黄土及砂砾层隧道长大管棚施工技术（土胎法、潜孔钻、锤击法）内容提要：在施工中遇黄土及砂砾层隧道经常会考虑采用跟管钻机施工长大管棚的方法，所应用的专用设备（如：水平地质钻机、跟管地质钻机）价格昂贵、体积笨重、操作困难、成功率偏低。在赛-果高速公路将军沟隧道、康-临高速公路南龙山隧道的实际施工中，我们通过工程实践总结了采用“土胎法”施作导向墙、“潜孔钻机”钻进深孔、“钻机顶进棚管配合锤击法”的施工方案。该方案对“土胎法”、“潜孔钻钻孔”、“锤击法”施工长管棚进行了详细的描述，结合施工实践，简便实用、快速高效、效益显著，为黄土及砂砾层隧道长大管棚的施作提供了有效的借鉴方案。关键字：黄土及砂砾层，管棚

2、，施工方案 1.管棚注浆方法的作用超前长管棚是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道拱顶区域钻设水平孔，打设超前支护钢管，并进行注浆固结围岩，使隧道拱顶预先形成一“伞状”保护环。此结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松驰的地层荷重，适时提供隧道开挖后尚未施作或发挥作用前这一空档所需的支撑力，使隧道开挖面得以稳定安全，并同之后的初期支护和结构等形成系统支护，达到“三度空间”支撑功能。超前长管棚适用于自稳时间短的软弱、破碎及含水等不良地质围岩地段。具有以下显著功能：1.1锚杆作用钢管起到普通锚杆的功用，加强整体性，使围岩形成较强的围岩壳。1.2“梁”的功能钢管内部形成的钢管砼及钢管自身，起到棚

3、支撑的作用。钢管具有“梁”的功能，在满足最小搭接长度的要求下，能够承担一定的荷载。1.3固结作用通过钢管预注浆，浆体通过管壁钻孔在钢管周围形成“放射状”扩散，使围岩固结形成整体，可减少隧道开挖引起的地表沉降。1.4超前预报作用通过钻机成孔，能够起到超前预报的功用，从而判断未开挖段围岩的地质情况，有效的对未施工段的破碎、软弱及含水围岩采取预防措施，防止较大超挖及塌方。2.方案主要特点依据工程实践，确定了黄土及砂砾层隧道长管棚施工的有效工艺，即采用“土胎法”施工导向墙，“潜孔钻钻机”钻进深孔，“锤击法”安装长管棚。其特点如下：2.1采用“土胎法”施工导向墙，结合隧道围岩条件，简便易行、省工节时。2

4、.2潜孔钻机钻深孔，钻机体积小，操作方便，灵活机动、定位较准确，易于掌握、可大面积推广。操作简单，速度快，效率远高于水平地质钻机、跟管地质钻机及其它专用钻机。2.3钻机配合锤击法安装管棚，简单有效，成本投入较低。有效解决管棚安装中的塌孔、卡孔现象，最大限度的实现设计意图。2.4 利用施工常用设备，动力单一，安全可靠，无需另配其它设备，节省工程直接成本。3.方案适用范围适用铁路、公路、水利及地下工程黄土及砂砾层围岩的超前支护，管棚适宜长度15-40m，管棚钢管直径可为76-130mm。也可用于处理坍体及洞口坡积层松散体的进洞超前施工。同时也可作为地质超前预测、预报的手段。4.方案基本原理4.1利

5、用黄土、砂砾土、卵砾土、坡积体等岩土较易开挖、整型的特点，采用土胎作为施工导向墙的内模，简单节时。4.2潜孔钻机利用压风机供风作为动力源，预先测定孔位，按照调整好的方向钻深孔。4.3安装钢管时，新、老黄土优先考虑采用钻机推进；当遇卵石、砂砾、坡积体层有局部塌孔及卡孔现象时，加大安装机具的打击、震动力，以“锤击法”进行安装。5.黄土及砂砾层隧道长管棚施工的工艺流程及操作要点5.1工艺流程明洞开挖、预留台阶测量放线、土胎修整铺设内模、支立钢架导 向 墙 施 工钻机安装测定孔位钻孔校正清孔成孔黄土层推进管棚掏出浆液，填充砂浆注浆机注浆卡孔时锤击击入管棚隧 道 开 挖施 工 准 备黄土及砂砾层隧道长管

6、棚施工工艺流程图（图1）5.2管棚施工中的主要方法及控制要点“土胎法”施工导向墙5.2.1.1明洞段开挖在洞顶截水沟施工完成后进行，应尽量避开雨季施工。5.2.1.2对边坡渗水及时排、引到坡面外，加强对坡面的防护。土胎施作明洞挖方时按照台阶进行开挖，预留好钻孔、顶管的施工空间。根据套拱设计轮廓尺寸进行土胎的开挖、修整。土胎形状控制采用“外支距法”，以拱顶标高上1m的水平基线进行垂直支距的控制。土胎按照设计尺寸整修后，可采用防水板整环进行铺设，作为底模。钢架在加工场地采用冷弯成型，钢架按照外插角计算，钢架半径逐环加大控制为宜，底脚采用砼作为基础进行架立，架立时按照设计外插角进行标高二次调整。导向

7、管布设呈“放射状”，同时考虑隧道纵坡和平曲线的影响。导向管复核用经纬仪以“坐标法”在工字钢钢架上定出其平面位置；用“水准尺配合坡度板”设定导向管的倾角；用“前后差距法”设定导向管的外插角。 导向管施工时注意将导向管向前方打入土体1020cm，并将尾端进行预先封堵。防止砼流入管内，并将导向管牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。外模可采用木板、钢模、竹胶板等。若砼外观要求较高，建议采用钢模。模板安装前，确保钢架、导向管复核无误。外模板固定采用外背钢筋，钢筋与工字钢连接焊牢，堵头板与工字钢固定牢固并环向成线。砼浇筑采用泵送或普通砼，两侧对称浇筑，按23m弧长预留浇筑窗口位置。5.2.2潜孔

8、钻钻进深孔5.5.2.1钻机就位:钻机安装a借用预留的台阶进行底面平整。钻机平台以利用土胎为宜也可用枕木或钢管脚手架搭设，搭设平台一次性搭好。b采用钢管或方木做为钻机的临时支座，钻机安设时以支座调整纵向方向和外插角。钻孔用钻机由高孔位向低孔位对称进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，便于钻机定位。c因钻机自重轻，应采用机体固定地面或机体固定掌子面等加固措施，确保钻机在施钻时稳固。钻机固定很重要，平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。以焊接、地锚、连接整体的模式对其前后端采取固定措施，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。d钻机定位时钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核

9、定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。5.2.2.2钻孔（一般情况）:a在套拱施工完成后，安装潜孔钻机，由测量人员准确画出钻孔位置，区分开有孔钢花管的位置和无孔钢花管的位置。应先钻有孔钢花管的孔，顶入有孔钢花管并注完浆后再钻无孔钢花管的孔顶入无孔钢花管。b引导孔直径应比棚管外径大20-30mm，孔深要大于管长0.5m以上。c钻机开钻开始时低压低速，待成孔1米以上可升高到正常压力，每钻一节续接一节，直至设计深度。钻孔时，推力要严格控制，不能过大，否则容易出现掉钻头、卡钻等现象。施钻时，防止钻机过大颤动，提高施钻精度。d换钻杆时，要注意检查

10、钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的更换，以确保正常作业。e第一节钻杆钻入岩层尾部剩余20-30cm时钻进停止，用两把管钳人工卡紧钻杆（注意不得卡丝扣），钻机低速反转，脱开钻杆，钻机沿导轨退回原位，人工装入第二根钻杆。f钻孔达到要求深度后，按同样方法拆卸钻杆，钻机退回。g认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，为指导洞身开挖提供依据。5.2.2.3钻孔（软质泥岩）:a潜孔钻在岩石隧道、黄土隧道硬质泥岩、砂岩中均能够正常工作。b在软质泥岩中，潜孔钻受介质影响钻进非常困难，必须保障中心孔的通风，需自制螺旋钻头或梅花钻头，其制作形

11、式以简单、实用为宜。钻头改进c成孔后宜及时安装管棚，防止长时间暴露或钻机振动造成局部塌孔。5.2.2.4钻孔（砂砾层）:a潜孔钻在砂砾层、卵石土层钻孔时会发生卡钻、塌孔，一般只能短距离完成钻进工作。孔洞预注浆b在砂砾层、卵石土层隧道进行管棚施工，可采用“预注浆”的办法，一般经12次，可基本完成长管棚的成孔。由于“预注浆”的成本较高，在基本能够钻孔的前提下不宜多注。c“预注浆”宜采用水泥水玻璃双液浆。d预注浆后，进行二次钻孔，达到基本成孔。5.2.3管棚安装管棚安装采用大孔引导和棚管钻进相结合的工艺，既先钻大于棚管直径的引导孔，然后利用钻机的冲击和推力（顶进棚管时钻机不使用回转压力，不产生扭矩）

12、沿引导孔顶进，接长管棚，直到孔底。5.2.3.1具体作业要点：a管件制作：管棚热轧无缝钢管（有设计为有孔钢花管和无孔钢花管各半），一般钢管节长为4m、6m两种，管棚接长时先将第一根钢管顶入钻好的孔内，再逐根连接，连接方式有三种作为参考：内外套丝扣连接、内连接套焊接、V口或矩形口焊焊接。采用内连接套焊接时，管节连接套要预先焊接在每节钢管尾端，联接套应选用和管棚同材质的钢管制作。第一根钢管前端要做成锥状，以方便顶入。b接长管件应满足管棚受力要求，相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。c顶管前，要用高压风将已钻好的孔吹干净，以保证顶管顺利。d顶管时，将钢管安装在钻机事先加工好的管口上，对准

13、已钻好的引导孔，低速推进钢管。注意应先打有孔钢花管注浆后再打无孔钢花管。e接管时，当第一根钢管推进孔内，孔外剩余30-40cm时，开动钻机反转，使顶进的连接套与钢管脱离，钻机退回原位，人工安装第二节管。f管棚应按设计位置施工，应先打有孔钢花管，注浆后再打无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，每钻完一孔便顶进一根钢管，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。5.2.3.2管棚安装（黄土层）:a顶管前，要用高压风将已钻好的孔吹干净。b顶管时，将钢管安装在钻机事先加工好的管口上，对准已钻好的引导孔，低速推进

14、钢管。也可采用挖机固定方向后进行顶管。c管棚接长时先将第一根锥尖钢管顶入钻好的孔内，再逐根连接。d接长管件相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一断面受力。e当设计有无孔钢花管和有孔钢花管时，应先打有孔钢花管注浆后再打无孔钢花管。无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质量。每钻完一孔便顶进一根钢管。“锤击法”安装管棚（砂砾层）:a潜孔钻在砂砾层、卵石土层安装时可能会发生卡钻现象，一般只能较短距离安装工作。b在砂砾层、卵石土层隧道可采用“锤击法”进行管棚安装，安装可采用挖掘机或自制“吊锤”。c安装过程中必须采取方向控制措施，以控制外插方向和钢管的扭曲。d安装时，将第一根带锥尖的钢管固定好方向并推入，当推

15、入有困难时可采用“挖机锤击”或“吊锤锤击”。e采用锤击法，连接套要在安装基本到位后进行焊接，连接套焊接前切除击打损伤部位。锤击法施工具体步骤见“锤击工序”。挖机锤击法：架设方向 缓慢推进 锤击 连接 继续锤击 缓慢推进至完成 注浆吊锤锤击法：安装吊锤支架 管棚定向 缓慢击进 吊锤冲击 安装完成 注浆5.3管棚注浆5.3.1在管棚的尾端接止浆盖，上焊接注浆管，尾部1米的管壁与孔壁之间用水泥砂浆封堵，同时要掏进管内残渣，采用双液注浆泵压注1：1水泥水玻璃双液浆，注浆压力初压0.51.0Mpa，终压2.0Mpa。安装好有孔钢花管后即对孔内注浆，注浆后再施工无孔钢管，无孔钢管可以作为检查管，检查注浆质

16、量。注浆参数：水泥浆添加水泥重量5%的水玻璃；水泥浆水灰比11；水玻璃浓度35波美度；水玻璃模数2.4。初压0.5 mpa1.0 mpa，终压2 mpa，持压15 min后停止注浆。注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。采用双液注浆泵进行注浆，集料管分开设置，不宜过长。出料管单行，在距离注浆位置1.01.5m范围内汇集成一个出料管。注浆宜采用“分段注浆”，长管棚钢管环向间隔一根注浆。管口闸阀封闭，注浆结束后清理管内浆液，并用M30砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。6.

17、机具设备及钻机技术参数表6.1需机具设备见表1表1 机 具 设 备 表 序号设备名称及规格单位数量备注1挖掘机1施工中的方向固定、机具固定、安装钢管方向固定的用具、材料自备2潜孔钻机台23注浆机台24吊锤15管钳把26专用钳把27普钳把28活动搬手把29钻头（含自制钻头）个4（2）10钻杆根306.2技术参数见表2 表2 技 术 参 数 表 序号项目指标1型号可选用KSZ100或其他2钻孔直径76-130mm3钻孔深度15-40m4钢管布设120的隧道拱部5钢管环向间距一般为40 cm6外插角11.5(不包括路线纵坡)7钢管施工误差径向不大于15 cm8导向管比棚管外径大20-30mm9同一横

18、断面内的接头数不大于50%10相邻钢管接头至少错开1 m7.劳动组织管棚施工工序多、工种杂、技术性强，要求技术工人具有各方面独立操作能力，又能处理管棚施工中一般的故障。管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔、安装和注浆的质量。一台钻机两班作业劳力组织为：技术人员1人、测工1人、施工调度1人、机长2人、修理工1人、电工1人、电焊工2人、普工10人、注浆机司机1人、汽车司机2人，合计21人。具体安排见下表（表3）表3 劳 力 组 织 表 序 号工 种人 数备 注1施工调度1负责总体协调2技术员1技术指导3测工1负责布孔、定位量测、质量检查4机长2组织钻孔工序正常运转5普通工10负责搭制工作台、装卸钻杆

19、、装接钢管及配属其他6电工1负责供水供电7电焊工2焊接作业8汽车司机2负责运料9注浆机司机1注浆8.管棚施工质量要求8.1钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角。并对每个孔进行编号。8.2 钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在11.5，钻孔角度误差控制在0.5以内。钻机最大下沉量及左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20 cm30 cm。8.3严格控制钻孔平面位置，钻孔平面误差要求小于或等于15cm，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。8.4经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。8.5掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防

20、止断杆。8.6在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和钢管顺利顶进。8.7钻机送管时，要检查管节两端联接丝扣，有脱扣和裂纹的管节不得使用。8.8长管棚接头处要错开，以利整体受力。8.9控制钻孔速度，尤其接长钻杆后钻进方向（角度）应严格控制。成孔要孔壁圆、角度准、孔身直、深度够。8.10顶管前要用高压风进行吹孔，清除孔内杂物。8.11注浆时应准确掌握浆液配比，并使浆液在岩体内充填密实，注完水泥浆后要及时掏浆并注砂浆。8.12在进行高压注浆前，将各孔口封堵严密，防止浆液外漏，影响注浆效果和管棚质量。8.13用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，

21、确保孔径、孔深符合要求、防止堵孔。8.14用高压气从孔底向孔口清理钻渣。8.15用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。8.16采用预先做好的连接套使两节钢管联结成一体，连接套丝扣长度不应小于15cm。钢管应在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻10出浆孔(靠掌子面45 m的棚管不钻孔)；管头焊成圆锥形，便于入孔。根据管棚施工长度，按同样方法继续接长钢管。接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1 m。9.施工安全措施除遵照铁路隧道施工安全规则及相应的规范外，为确保安全，还应采取以下措施：9.1开工前进行全员安全意识教育。9.2针

22、对长大管棚施工特点和要求，参照有关安全规则制订安全规章制度。9.3拆卸钻杆时，要有统一指挥，明确联络信号，扳钳卡钻方向要正确，防止管钳及扳手打伤人。9.4钢管内注浆时，操作人员应戴口罩、眼镜和胶手套。9.5要有良好的照明条件。10.经济效益分析10.1采用“土胎法”施工导向墙，充分结合隧道围岩条件，较采用棚架法施工导向墙更加简便易行、节省人工、速度更快。台架法棚架法对比状况如下：土胎法10.2潜孔钻机钻深孔，钻机体积小，操作方便，灵活机动、易于掌握，效率远高于水平地质钻机、跟管地质钻机及其它专用钻机。利用施工常用设备，动力单一，安全可靠，无需另配其它设备，节省工程直接成本。潜孔钻钻孔跟管钻孔对

23、比状况如下：挖机锤击安装钢管跟管安装钢管10.3钻机配合锤击法安装管棚，有效解决管棚安装中的塌孔、卡孔现象。较跟管安装更加简单有效，成本投入更低。此方案不仅能够保质保量完成施工任务，而且能创造可观的经济效益。与以往的施工方式比，“土胎法”施工每组导向墙节省人力约20工日，节约时间2天，潜孔钻与跟管钻机相比节约机具费用约25万元，锤击法解决成孔困难比较成功，节约预注浆成本约8万元。11.工程实例11.1赛果高速公路将军沟隧道进口工区洞口段围岩主要为亚粘土、角砾土、第四系残坡积碎石土，隧道出口工区洞口段围岩主要为亚粘土和强风化石灰岩。围岩呈碎石松散结构，干燥无粘结性，大小杂乱，级配较差，易坍塌。设计各进洞洞口段V级围岩长度为：右线进口27m；左线出口30m；右线出口50.3m；左线进口62.4m。出露的洞口围岩松散破碎、无粘结性，基本无自稳能力，扰动后极易坍塌。根据地质情况，将军沟隧道进口工区两个进洞段设计采用108mm单层大管棚超前支护，环向管间距40cm，单循环管长30米。洞口设150cm长