硬岩隧道洞内水刀研磨法超长管棚施工工法

硬岩隧道洞内水刀研磨法超长管棚施工工法1.前言在隧道施工中，通常会设计洞口超前管棚支护，通过钢管+钢筋笼注浆的形式，形成一个拱形的安全支撑受力结构，为后续开挖提供安全保证。此时洞口空间开阔，可以选用的机械种类多，噪声、粉尘对人身安全影响小，但随着我国隧道工程施工比例的加大，与既有高速、结构物相交的情况时有发生，此时就需要在洞内进行管棚施工来避免沉降超限导致上方土层垮塌，但传统超前中管棚适用于小断面隧道，无法满足大跨度开挖的隧道施工。在这种情况下，提出一种可在小空间范围内，满足大断面隧道超前管棚支护的施工方法迫在眉睫。为解决此施工区段洞内超长大管棚打设的问题，形成了名为“一种隧道管棚施工方法”的发明专利，已获得授权，专利号“ZL202310864039.7”。2.工法特点本次大断面隧道内超长大管棚的动态调整目的在于提供一种适用于隧道下穿既有线路的洞内长管棚施工工艺，用以解决大断面隧道洞内长管棚单次打设长度短、打设角度难以控制的问题。采用本工法施工可以减少一次洞内管棚工作室的施工，同时避免因常规履带式管棚机受限于其自身重量，单根管棚最大长度一般为30~40m，如继续加长钻杆，钻杆及管棚形成的杠杆结构会撬动管棚机，存在施工安全隐患。也可以避免常规履带式管棚机打设过程中，由于其钻杆的技术特点，无法适应大断面隧道的工期要求以及对管棚角度进行精准导向，目前行业内存在导向仪可以对管棚机进行加装，但此设备单价较高，同时现场作业过程中需要随钻杆跟进进行数据线接通，耗时久，损坏概率大，无法保证质量标准，同时对工期不利。本工法可以提高洞内大管棚打设的效率、验收合格率以及安全环保性。采用本工法有以下几方面特点：2.1高效性采用“硬岩隧道洞内水刀研磨法超长管棚施工工法”，采用“跟管法”+“管棚直插法”管棚施工，全部管棚一次性打设至足长，无需拆卸、接长套管，减少了重复性的准备工作。2.2高验收合格率2.2.1长度合格率本工法打设管棚时，钻机设备为75kW，钻头采用自设计合计刀头，满足单轴抗压强度≯150MPa围岩的管棚钻进，钻机置于自设计可移动桁架平台上，为钻机提供充足的支撑与配重空间，保证了管棚单次打设80米而不会因其杠杆效应导致的倾覆。2.2.2角度准确性管棚钻机置于稳定桁架上，桁架高度可调，钻机仰角可调。逐孔放样，将不同位置的管棚中心点采用喷漆喷涂与岩面上，同时采用经纬仪、水平尺调整钻机角度，保证其送管方向与隧道前进方向一致，同时微调桁架高度及钻机仰角，保证其与前进方向成1～3°的夹角。3.适用范围本工法适用于下穿既有线路或结构物，对沉降要求极高的大断面隧道内超长大管棚施工。4.工艺原理结合隧道断面大小及管棚打设范围，采用自设计可移动桁架和合金钻头，采用“跟管法”+“管棚直插法”管棚施工，单孔一次成型，无需二次送管，将准备工作与管棚打设工作剥离开，两项工作互不影响，减少人员投入。因洞内施工大管棚需要提前外扩断面施工管棚工作室，保证管棚仰角，采用本方法可以将80米管棚单次打设完成，无需分解成两次打设，节约一次管棚工作室施工工期。进而实现管棚打设高合格率、降本增效，缩短工期的目的，为后续开挖进尺提供安全保证。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程图5.1-1施工工艺流程图5.2施工操作要点5.2.1管棚工作室施工超前大管棚打设需要一定仰角，设计标准为1～3°，且管棚尾端不可侵入二衬界限影响防排水工程施工，结合采用的台架、钻机基础参数，需要在管棚施工里程前7米进行管棚工作室施工。管棚工作室从理论上是对设计开挖轮廓线进行外扩，因大管棚打设角度为环向180°，为满足空间需要，管棚工作室是在隧道拱顶180°范围内将开挖轮廓线外扩1.2米，支立永久工字钢结构，打设系统锚杆、锁脚锚管并用连接筋、网片将整个支护体系连接成整体，最后喷射混凝土。待管棚施工完毕后，施工正洞初期支护，采用湿喷工艺将工作室支护—正洞支护见隙进行填充。图5.2.1-1管棚工作室剖面图管棚工作室的作用类似于浅埋软弱围岩隧道进洞段的护拱结构，其主要为管棚打设提供作业空间，同时对软弱围岩进行初次加固，提升其自稳能力，其工效为：表5.2.1-1管棚工作室施工工效序号施工步骤工效/天备注1工作室扩大区段1.1开挖21.2支护0.51.3喷混0.52工作室作业区段2.1开挖22.2支护0.52.3喷混0.53C25喷混导向墙14合计75.2.2管棚施工准备在隧道掌子面处，采用徕卡TSP60全站仪进行放样，确定平台高度及四角定位点，完成测量工作后将平台所需位置清理平整。将洞外已加工好的φ159管棚钢管、钢筋笼通过装载机移至洞内。钢材进洞后需要置于场地内并方便施工取用，因此对洞内场地进行了一定的规划，并针对洞内涌水特点对场地进行了碎石铺底、钢轨支垫，防止钢材因泡水造成锈蚀。5.2.3组装钻机为一次性打设80m超长大管棚，本工法针对管棚打设平台及钻机进行了改进，通过查阅过往案例及借鉴城市地下顶管施工经验，将常规履带式管棚钻机替换成可升降自行式台架，在隧道已完成施工的管棚工作室地面上设置垂直于管棚工作室长度延伸方向的滑动轨道，此滑动轨道可让台架进行左右移动，滑动轨道上设置有承载平台，承载平台具有伸缩套筒结构，用于调节承载平台的高度。图5.2.3-1台架立面图图5.2.3-2台架侧面图承载平台上设置有钻机，此钻机工作原理类似于城市地下顶管机，主要采用水钻的成孔方式，自重为24吨，打设后的80米φ159管棚（1.6吨）+80米管棚钢筋笼（1.5吨）总重（3.1吨），根据杠杆原理，此装置不会出现类似于履带式管棚钻机翘起的问题。钻机、平台组装要点：1钻机平台采用枕木搭设，平台顶满铺木板。根据管棚钻孔的位置，逐层降低钻机平台。钻孔使用管棚钻机由高孔位向低孔位进行。2钻机采用GP-28定向钻机，其主要作业原理接近于市政工程中的顶管施工。钻机平台保证稳固的前提下，钻机安装牢固，防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移而影响钻孔质量。3钻孔位置要根据线路中线使用月蚀导向仪精确测量定位，必须精确核定钻机位置，确保钻机轴线与管棚设计轴线相吻合。4安装相应的附属设备，配电箱、施工用水供应水泵、消防安全设施、有害气体检测设备等。管棚钻头是保证钻孔顺利、决定施工工效的关键性因素，城市顶管所用钻头一般适用于软岩或裂隙较大岩层，无法应对硬岩隧道的管棚钻进，传统履带式风、水钻机由于其配重原因，无法一次性打设80m超长大管棚。因此采用水平定向钻作为打设机械，配以自行设计的刀盘钻头，钻头特点如下：1钻头包括钻头本体，钻头本体上沿轴向方向设置有至少三层刀具，每层刀具具有绕钻头本体周向方向均匀设置的多个切削体，每层所述刀具的切削体与相邻层刀具的切削体间错设置。2刀具由钻头本体远端至近端依次设置有第一层刀具、第二层刀具与第三层刀具，所述第一层刀具设置在钻头本体远端的端面上，所述第二层刀具与第三层刀具设置在钻头本体的侧壁上。3第二层刀具与所述第三层刀具的切削体的侧壁上均设置有切削齿。4第二层刀具的切削体底壁与所述钻头本体径向具有第一夹角，第三层刀具的切削体底壁与所述钻头本体径向具有第二夹角；第一夹角小于第二夹角。5第二层刀具的切削体的径向尺寸小于第三层刀具的切削体的径向尺寸图5.2.3-3钻头刀盘布置示意图图5.2.3-4钻头刀盘布置示意图图5.2.3-3、5.2.3-4中：8、钻头本体；901、第一层刀具；902、第二层刀具；903、第三层刀具；904a、第一切削体；904b、第二切削体；904c、第三切削体；9041、切削齿。5.2.4管棚钻孔图5.2.4-1管棚钻孔正面示意图图5.2.4-1中：1、隧道；2、管棚工作室；3、导墙；4、滑动轨道；5、承载平台；501、支撑立柱；502、导轨；503、底座；504、剪刀撑升降架；6、钻机；7、钢管；本步骤施工要点如下：1为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ170mm。2围岩较好的可以一次成孔。钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后重新钻进。3管棚钻孔开始，钻机要保持低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及水压。4钻进过程中经采用月蚀导向仪进行导向，将月蚀导向仪的激光导向头安装至钻头端部，其导向过程可以在手持显示器中完整显示，精确判断管棚打设前方围岩状况以及管棚钻机角度及偏位，逐节进行方位修正。5钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。6认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口土块进行地质判断、描述，作为洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而指导洞身开挖。；5.2.5直插法完成管棚安装采用φ159*9mm钢花管（管体有注浆孔），为了提高钢花管的抗弯能力，在钢花管内设置钢筋笼，具体施工要点如下：1钢花管在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10～16mm注浆孔（钢花管尾部留2m不钻孔的止浆段），孔间距200～300mm，呈梅花型布置。管头焊接自设计高强度合金钻头。2棚管顶进导向跟管钻进法工艺，钢管分节，车公丝扣和母丝扣，管棚丝扣连接成整体，在钻头带动下，一次钻进成型。3接长钢管满足受力要求，相邻钢管的接头前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。4为了提高钢花管的抗弯能力，在钢花管内设置钢筋笼、钢筋笼由5根主筋和固定环组成，主筋直径为Φ22mm，固定环采用Φ89×5mm短管节，每节长度10cm，将其与主筋焊接，间距按净距0.5m布置。5管棚钢管与钢筋笼在地面即组装完毕，并作为钻进主体替代传统钻机的中心套杆，管棚成孔即完工，无需二次送管、三次安装钢筋笼，将这种钻进方式称为“管棚直插法”，此法可节约大量管棚钻机退杆、送管等工序的时间。5.2.6清孔验孔1跟管工艺钻进管棚，无须清孔，此项也是对比常规履带式管棚钻机节约工效的一个重要内容。2用全站仪、经纬仪检测孔深、倾角、外插角。5.2.7注浆原材料准备：水泥浆液配合比为水灰比1：1（重量比），现场实际施工中根据注浆机搅拌桶的大小最终确定每盘750kg水，750kg水泥。如遇管棚前方水流多，浆液难以凝固，适当增加细砂，配合采用水：水泥：细砂为745：745：10。原材料计量：水用水表或定量容器计量；水泥按袋或按定量容器（散装水泥）计量；用磅秤抽查水泥的数量，制浆材料的误差不大于2%。表5.2.7-1注浆材料规格表序号原料规格要求1水符合拌制混凝土用水要求，pH值大于42水泥强度等级不低于42.5级，普通硅酸盐水泥3细砂符合国家规范标准注浆要求：1安装好有孔钢花管即对孔内注浆，浆液由高速制浆机拌制。2注浆材料为水泥浆。采用双液注浆泵将水泥浆注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压2MPa，持压3-5min后停止注浆。3注浆量满足设计要求。5.2.8注浆结束标准及效果检查单孔注浆结束标准：注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量80%以上；或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。全段结束标准：设计的所有注浆孔均达到结束标准，无漏注现象。注浆效果检查：采用分析法，注（压）水试验，开挖取样等方法进行。注浆后沉降观测需要进行观测，要求如下：（1）高速公路及其天桥累计沉降值不超过10mm；（2）隧道初期支护极限相对位移值（U0）不超过0.2m（3）距开挖面15.5m（一倍开挖跨度）以内，位移允许值（U1B）取0.65U0，距开挖面31m（两倍开挖跨度）以内，位移允许值（U2B）取0.9U0。（4）实测位移值在区间内时，可正常施工，超出此范围即需要加强监控量测，必要时可以暂停施工并采取相应工程对策。如验收达不到设计及规范要求，补充重新注浆直到满足要求为止。表5.2.8-1人员配备表序号职务人数职责1施工现场负责人1负责现场施工管理协调2技术负责人1对现场技术把关，负责现场技术管理4安全员2负责施工现场安全管理工作6试验员1负责现场具体试验工作7技术员2负责现场具体技术工作8材料员1负责施工所需材料进场工作9领工员2负责现场施工、协调工作10钻孔班12负责1台钻进钻孔作业11杂工2负责接管、协助注浆12电工1负责确保电路正常13修理工1负责设备维修14合计26

6.材料与设备表6-1管棚打设机械设备计划清单序号设备名称型号规格数量国别产地制造年份额定功率（KW）用于施工部位1钻机GP-282山东202175钻孔2挖掘机卡特CAT320DL2美国2021场地平整、材料装卸3铲车LNG502山东2021场地平整、材料装卸4全站仪徕卡TSP601德国2021测量放样5走行电机YEF-112M4-4L2四川20227.5桁架走行6汽车长城1河北2021运输7注浆机GSZB-6A2河南202215注浆8电焊机T1G200A3广州20235.1焊接钻头表6-2管棚打设主要材料清单序号材料名称型号规格数量单位主要用途1无缝钢管Φ159mm123.74t注浆管123.74t2无缝钢管Φ146mm9.64t内衬管3无缝钢管Φ89mm3.85t钢筋笼箍管4水泥P.O42.54.84t袋装、注浆5螺纹钢Φ2294.5t钢筋笼7.质量控制7.1主要控制技术标准《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2020）；《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》(TB10753-2018)； 《高速铁路隧道工程施工技术规程》（Q∕CR9604-2015）；《铁路工程测量规范》（TB10101—2018）《注浆技术规程》(YS/T5211-2018)；7.2质量控制措施1建立健全质量体系管理机构，管理人员按职责分工做好质量管理工作。施工前由技术负责任人向全体管理人员进行技术交底。然后由技术员、施工员、测量员、质检员、及实验员严格按照施工图纸设计及规范要求制定相应的质量控制目标。每个工种、每道工序施工前组织技术交底，不交底不能施工。2施工过程中质检、技术人员必须随时检查并指导施工，各部门落实对原材料的质量控制、施工方法的控制、机械设备的控制、环境因素的控制、施工工序的控制，认真执行三检制，坚持三不放过，把质量隐患消灭在萌芽之中。3钻孔施工过程中，专业技术人员做好钻孔打设施工记录，记录每管节打设时间、长度及打设偏离角，钢筋笼安装时遵循管节记录标准，完成详细记录。4终孔后经技术人员检查钻探原始记录，监理验收并签发终孔通知书后，方可转入下一道工序。做好做好检测与验收工作，严格监控每道工序的质量标准。8.安全措施8.1安全控制标准《施工现场机械设备检查技术规范》

（JGJ160-2016）；《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2012）；《施工现场临时用电安全技术规程》（JGJ46-2018）；8.2主要安全风险分析安全风险包括各种机械设备操作安全、机械伤害、物体打击等方面。8.3保证措施1落实安全生产责任制，实施责任管理。接受当地政府、业主和工程师对安全工作的管理与指导。2建立、完善以项目经理为首的安全生产领导组织，有领导、有组织的开展管理活动，项目经理是施工项目安全的第一责任人。3建立各级人员安全生产责任制度，明确各级人员的安全责任，抓制度落实，抓责任落实，定期检查安全责任落实情况，严格奖惩制度。4各职能部门、人员，在各自业务范围内，对实施安全生产的要求负责。5实施全员承担安全生产责任，建立安全生产责任制，做到一环不漏，各职能部门，人员的安全责任做到横向到边，人人负责。6一切从事生产管理与操作人员，依照其从事的生产内容分别通过企业及施工项目经理部的安全检查，取得安全操作认可证，持证上岗。7特种作业人员，除经企业安全审查，还需按规定参加安全操作考核，取得监察部门核发的《安全操作合格证》，坚持“持证上岗”。8一切管理、操作人员均需与施工项目部签订安全协议，向施工项目做出安全保证。9安全生产责任落实情况的检查，认真、详细的记录。10开展安全教育与培训，增强现场施工人员的安全生产意识，提高安全知识，减少人为失误。11做到工程技术与安全技术结合为统一体，作业按标准化实施，安全控制要有力，控制要到位，存在差距要及时消除。12施工现场的危险区域设立危险警示标志。13严禁酒后作业，严禁非司机人员开车。14每天施工前要对机械设备进行安全检查，交接班要填写安全记录，如出现安全事故，及时履行报告手续。9.环保措施9.1执行标准《中华人民共和国环境保护法》（2014年最新修订）（978-7-5093-5354-7）；《建筑施工现场环境与卫生标准》（JGJ146-2013）；《建筑施工场界噪声排放标准》（GB12523－2011）；9.2文明施工管理形象现场布局合理，环境整洁，物流有序，标识醒目，达到“一通、二无、三整齐、四清洁、五不漏”。一通：交通平整畅通，交通标志明显；二无：无头(无木材头、无钢筋头、无焊接头、无钢材头)，无底(无砂底、无碎石底、无砂浆底、无垃圾废土底)；三整齐：钢材、水泥、砂石料等材料按规格、型号、品种堆放整齐；构件堆码整齐；机械设备、车辆摆置整齐；四清洁：施工现场清洁，环境道路清洁，机具设备清洁，现场办公室，休息室、库房内外清洁；五不漏：不漏油、不漏水、不漏风、不漏气、不漏电。9.3文明施工管理制度建立创建“文明工地”领导小组，全面开展创建文明工地活动。做到：淤泥、垃圾定点排放；施工现场排水畅通无积水，施工工地道路平整无凹坑；施工区域与非施工区域严格分离，施工现场挂牌施工，管理人员配卡上岗；工地现场施工材料堆放整齐，工地生活设施文明，工地现场开展以创文明工地为主要内容的思想政治工作。严格执行业主关于创建文明工地施工标准及管理规定，制定文明施工细则，按其要求文明施工。管理小组对各班组定期检查，随时抽查，逐项打分，综合评比，进行奖罚。9.4环境保护措施1施工、生活垃圾做到及时清理，并对各项工程作业，在实施过程、竣工验收前做好各项清理工作。2废渣、废料、不需要保留的岩芯及其他废弃物，必须清理运送至监理工程师指定的地点。3现场利用隧道内栈桥至掌子面的通道布置施工道路。每日勤洒水降尘，保障工人的身体健康。4