某隧道超前大管棚施工工艺

某隧道超前大管棚施工工艺1.管棚主要设计参数大管棚管径为φ108～159mm，壁厚5.5～8mm，环向间距33～50cm。根据洞内作业条件和施工机具性能，大管棚采用3～6m的管节，由对口丝扣联结，并进行焊接处理，接头承受拉力在150KN以上，避免扩孔夯管时接头出现断裂现象。管内填充水泥砂浆，以增加管棚刚度。隧道内施工大管棚时，需要工作室，提供钻机的施作空间。夯进钢管施工完后，根据钢管内沉积泥砂情况采用高压风进行钢管内泥砂清除，清除完后根据情况采用UB-8型砂浆泵进行管棚注浆施工，该型砂浆泵最大作压力能达6Mpa，最大排量达8m3/h，最大水平输送距离达250m，在性能上能满足长管棚注浆要求；根据注浆实际情况，必要时可进行二次注浆，浆液均为纯水泥浆液。2.施工工艺流程本次管棚施工根据现场具体工作空间等实际情况，工艺主要分为：导向孔钻进→扩孔夯管→管棚注浆，具体工艺流程如图1所示。泥浆搅拌泥浆搅拌导向系统浆液配置砂浆泵就位钢管加工施工准备钻机就位导向孔钻进扩孔管棚钢管清洗管棚注浆进入下一循环夯进钢管图1长管棚工艺流程图导向孔施工采用国产黄海机械厂FPD-15A型水平定向钻机施工，导向系统根据管棚埋深情况选用ECLIPSE无线普通探棒和加强型探棒，导向孔孔径为Φ90㎜。导向孔护壁采用膨润土泥浆护壁。扩孔夯管在导向孔成孔后立即进行，扩孔径为Φ159㎜，夯进钢管为Φ108×5㎜钢管，钢管接头采用丝扣联结并进行点焊。钢管内泥砂采用高压风吹压出钢管内，管棚注浆在清孔完后采用UB-8型砂浆泵压注纯水泥浆液。3.主要工序施工方法及技术措施管棚施工方法工序主要有导向孔钻进、扩孔施工、夯进钢管施工、管棚注浆施工。(1)导向孔钻进导向孔作为管棚施工关键工序，导向孔成功与否是管棚施工成败的关键。导向孔钻进采用FDP-15A水平定向钻机钻进，钻机就位放置平稳，钻杆纵向坡度与设计坡度保持一致；导向系统采用ECLIPSE地磁定位系统，采用地磁地下定位系统时导向孔孔径为Φ90mm；施工中根据地层情况采用不同掺量的膨润土泥浆护壁，膨润土根据地层情况可选用国产膨润土或美国进口膨润土，必要时可掺外加剂。①钻机就位本次管棚施工，水平定向钻机长4.5m，宽1.5m，高0.9m，钻杆中心离钻机底平面高度为0.76m，为确保钻杆中心与设计管棚中心位置对齐，采用支架进行钻机固定；由于管棚位置沿拱部弧形布置，钻机支架位置与管棚中心位置保持一致，因此每次管棚施工前对支架及钻机进行对位，确保水平定向钻机钻杆中心位置与管棚中心保持一致(包括横向位置及纵向坡度0.3%)；支架根据隧道结构形式搭设，支架与格栅连接固定。②导向系统由于隧道埋深在9～12m范围内，结合ECLIPSE无线地下定位系统及地磁定位系统探测深度的不同，当埋深在8m以下时采用地磁地下定位系统。ECLIPSE地磁地下定位系统是通过有线方式进行钻头位置信号的传递，事先通过设计纵向位置及高程埋深在电脑上确定一条设计钻进线路，包括纵向线路的磁偏角，发射棒在放置入导向钻头前先沿纵向磁偏角方向放置，通过电脑确定该钻进线路的磁偏角及入口位置，钻进过程中以该磁偏角及入口处埋深为参照点，从而非常容易的确定钻进线路与该点的相对位置；地磁发射棒放置在导向钻头内，钻头内发射棒通过连接电缆线把钻头位置信息传递到电脑上，钻机操作员通过电脑上的设计钻进线路和实际钻进线路比较，发现偏位及时通过调整导向钻头导向板的表面值对钻机线路进行调整，确保导向孔钻进线路沿设计轨迹行进。③泥浆系统超前长管棚通过地层为：粉质粘土层、粉细砂层；其中粉质粘土层具有一定的自稳能力，而粉细砂间歇较小，遇水容易渗透坍塌。因而膨润土泥浆在导向孔钻进过程中作用就相当明显，泥浆起作护壁、冷却钻头、排除钻屑的作用。在粉质粘土层中导向孔钻进，由于粉质粘土层具有一定的自稳能力，在泥浆配置过程中，掺量每立方加200公斤，控制泥浆的PH值在8-10之间，马氏漏斗粘度值在30秒左右，搅拌均匀；同时流出的泥浆经过回收处理后也可以继续利用，通过沉淀把部分泥砂沉积在容器底，通过测定上部泥浆的PH值及马氏漏斗粘度，确定重新利用后往搅拌桶内需加入的膨润土量。在粉细砂层中钻进由于该类地层自稳能力较差且遇水后渗透强烈，严格控制泥配合比，从而对钻屑的排出考虑到关键作用；粉细砂层，掺量每立方加300公斤左右，膨润土泥浆PH值控制在9.5左右，马氏漏斗粘度值在38秒左右，搅拌均匀后方可使用；所有回收泥浆经过处理重新利用，且严格测定膨润土泥浆的PH值和粘度。④导向孔钻进原理本次使用钻机配置为国产钻机，钻机最大回拖力为150KN，最大扭矩为4200KN，钻杆采用Φ60㎜型摩擦焊接钻杆，每节钻杆长度为2m，钻杆采用人工装卸，导向孔钻进根据钻机钻杆内的高压射流泥浆，通过旋转射流对导向钻头前的土体进行切割，破除部分土体，再通过导向钻头导向板进行旋转切割，膨润土泥浆渗透到导向孔内，对周围土体进行护壁，同时由于钻头旋转摩擦生热，浆液起到冷却钻头的目的，避免钻头内的探棒因高温而烧坏，且由于钻杆比导向钻头小，钻屑在膨润土泥浆悬浮下通过空隙往外排出，从而达到钻进成孔的目的。(2)扩孔导向孔钻进成功后及时进行扩孔施工，由于钢管直径为Φ108mm，本次扩孔采用Φ159mm扩展，先卸下导向钻头，然后换好扩孔器，进行扩孔施工，扩孔施工过程中采用膨润土泥浆护壁；施工过程中膨润土泥浆中膨润土用量与相应地层中导向钻进中的配置一致，确保扩孔顺利进行，防止孔壁坍塌。同时控制扩孔速度，扩孔过程中的钻机扭矩控制在钻机额定功力范围内，出现回转费力时减慢扩孔速度，必要时可加大膨润土泥浆用量，提高粘度，同时可在原地回转一定时间后继续扩孔。(3)夯进钢管当事先采用扩孔器扩孔完成后，移开钻机，铺设导轨，进行钢管夯进施工，夯管选用德国TT夯管锤，钢管接头采用丝扣联结并在连接好的丝扣钢套上点焊，确保接头连接牢固，防止出现接头断裂现象的发生，同时夯进钢管过程中保持膨润土泥浆进行护壁润滑孔壁，膨润土泥浆配置同相应地层导向钻孔钻进泥浆配置。(4)管棚注浆在夯进钢管完成后，采用高压风进行钢管内泥砂处理，通过高压风使部分沉积在钢管内的泥砂排出管内，确保注浆管路畅通，且使部分钢管上的孔眼畅通，通过调整注浆压力使浆液通过注浆孔渗透到钢管外的空隙及周围土体内，形成管棚，确保管棚周围土体密实，提高地层强度及刚度，达到加固地层的目的。管棚注浆机经过比选采用UB-8型砂浆泵，该型砂浆泵最大工作压力能达6Mpa，最大水平输送距离达250m。注浆前在钢管出口预留通气孔，并在钢管出口焊接好注浆管及注浆阀后对进口喷射混凝土封闭管棚进口掌子面，然后开始注浆施工。浆液采用纯水泥浆，并根据现场具体情况掺加适量的增加浆液和易性的外加剂，同时掺适量的微膨胀剂，待浆液凝固后确保钢管内浆液及钢管周围土体密实。注浆压力控制在2Mpa左右。浆液灌注根据现场地质情况及成孔效果，可采用多次注浆，通过调整注浆压力对钢管内及钢管周围空隙进行多次填充。浆液搅拌采用专用搅拌桶进行搅拌，浆液配置严格按照试验配合比进行，浆液在搅拌桶内搅拌好后，流放到容器内，并在容器内人工轻微搅拌防止浆液沉淀。4.施工注意事项(1)为确保导向孔成孔精确，首先复核管棚的设计位置，当采用ECLIPSE无线地磁定位系统时，先在地下采用全站仪定出管棚精确位置，放线采用两级复核制，复核无误后进行施工。(2)钻机就位严格按设计轴线就位，确保钻机钻杆中心线与设计管棚轴线一致，从入射口就严格控制钻进轨迹，从而有利于对钻进线路进行全过程的控制。(3)为确保施工过程中的连续性，钻机操作人员严格按照说明书要求及相关规定操作，并在使用前检查钻机及动力站的油表、水位等，确保钻机在使用过程中的正常运转。(4)严格控制钢管就位，确保钻孔的纵环向间距及孔径，便于二次压注水泥浆施工；同时为确保接头连接牢固，在丝扣连接后采用电焊机点焊加固接头。(5)严格进行泥浆配置，根据不同地质情况采用不同的配合比，控制膨润土和外加剂的掺量，并进行浆液的PH值测试，PH控制在8～10，确保泥浆的马氏漏斗粘度符合要求，搅拌均匀，确保膨润土泥浆达到护壁冷却钻头、悬浮钻屑的目的，防止孔壁坍塌。(6)施工前对操作人员进行技术交底，并做好施工记录，以便于分析研究，为下一次的进一步提高奠定基础。(7)严格试验验收制度，每道工序严格检查。(8)钻进过程中加强导向系统的监测并及时对钻进轨迹进行调整，确保钻进线路符合设计要求，尽量使导向孔的偏差控制在10cm之内。(9)严格二次纯水泥浆液灌注，在管棚注浆前对进口进行喷射回填，确保注浆压力有效的达到管棚端部；钢管完成后，对钢管内沉积的泥砂进行清除，确保注浆管路畅通，在清除完沉积泥砂后及时进行浆液灌注，加强观测，确保管壁四周土体密实。(10)在施工管棚前严格检查钻机及动力站的机械性能，确保钻机的正常运转，防止油路等原因造成油管爆裂发生。(11)为使水平定向钻机钻杆中心与设计管棚轴线一致，因而孔口部位位置管棚施工钻机悬空，支架焊接牢固，确保水平定向钻机在支架上平稳牢固，并在支架两侧焊防护网，确保钻机操作人员安全作业。(12)膨润土泥浆采用人工搅拌，先放水再加膨润土，待膨润土融化后进行搅拌，防止由于膨润土灰层造成对环境及人体的伤害。(13)水平定向钻机钻杆装卸人员在支架上装卸钻杆时，只能一根一根的移动钻杆，避免对钻机的强烈震动。(14)水平定向钻机移位时确保支架下无人，同是时在移动钻机前对下一支架的稳定性进行检验，支架稳定后再移动钻机就位。(15)管棚注浆前严格检查UB－8砂浆泵的机械状况，避免注浆过程中出现机械事故，同时在灌注过程中人员躲开注浆管接头处，防止管节断裂引起浆