大西客运专线忻州隧道自进式管棚施工技术

2013-12-04郭宝海

钻探工程 2013年4期

郭峰，刘安，郭宝海

(河南省地矿局第五地质勘查院，河南郑州450000)

1 自进式管棚简介

自进式管棚是将管棚钢管加工成钻杆，通过水平钻机直接钻入地层后进行注浆填充形成的超前支护刚性体。自进式管棚的钢管不设溢浆孔，钻头直接利用管棚钢管加工成敞口、楔形或三翼等形状，后端通过变径同钻机连接;其钻头内可安设专用导向仪进行精度控制，同时作为钻具的钢管通过丝扣同轴连接，使自进式管棚具备了超长性(超100 m)的前提;自进式管棚注浆时浆液先填充管棚内部，内部充满后沿安设在孔口的溢浆管溢出，关闭溢浆管后浆液开始填充管棚外部，整体刚度更具优越性。

2 工程概况

大(同)西(安)客运专线忻州隧道DK206+700～820段斜穿大(同)运(城)高速公路，公路与隧道洞身夹角48°11'37″，隧道穿越段位于R=8000 m的圆曲线上，拱顶至路面高度约26 m。隧道地层表覆新黄土，下伏老黄土。老黄土浅棕红色，坚硬～硬塑，土体紧密，含钙质结核层和洪积碎石类土和砂土;新黄土分布广泛，部分具湿陷性，局部为Ⅳ、Ⅴ级湿陷性，系数δs=0.017～0.080。为确保大运高速正常运营及隧道安全开挖，采取自进式长管棚进行一次性超前预支护。

3 方案设计

3.1 管棚孔位布设

在隧道DK206+700～820拱部150°范围沿开挖轮廓线外偏30 cm布设一环159 mm自进式管棚，一次性打设长度120 m，共设自进式管棚52根，具体详见图1。

图1 自进式管棚孔位布设图

3.2 管棚各项参数设定

钢管壁厚6～8 mm，支护范围150°，管棚间距400 mm，设计偏角0.5°～1.0°，管棚外偏300 mm，打设精度±5‰。

3.3 自进式管棚连接

3.4 注浆

单根自进式管棚完成后直接封孔注浆，浆液选用水灰比0.8～1的水泥浆，注浆压力0.8～1 MPa，注浆速度20～100 L/min，注浆方式为一次注浆。

4 工艺流程及主要施工工艺

4.1 施工工艺流程(见图2)

图2 自进式管棚施工工艺流程图

4.2 施工工法

结合该项目情况及以往施工经验，采取水平导向自进式管棚钻进，采用楔子板导向钻头、SE－1型导向仪。

4.3 主要施工工艺

4.3.1 管棚工作室施做

管棚施做前应沿开挖轮廓线外扩挖1 m，扩挖长度≮6 m，以保证钻机作业空间。工作室开挖面应保证平直、圆顺，以保证管棚施做过程中的安全性及角度的可控性。

4.3.2 止浆墙施做

止浆墙施做首先应保证密闭性，对出现的局部裂隙应进行喷浆处理;其次，止浆墙应保证有足够的强度，以能抵御来自注浆的压力，厚度≮1.0 m，砼强度≮C20级为宜，以保证管棚注浆效果。

4.3.3 孔位布设

孔位布设应根据设计孔向间距、外偏距采取电脑模拟办法确定出各孔位位置，然后采取全站仪定位。如现场条件限制，可先测定出隧道中心线及开挖轮廓线，然后根据孔向间距现场采用5 m钢尺进行喷漆定位。对预先计划实施管棚的项目，亦可提前安设管棚导向架。

4.3.4 钻机工作台组装

钻机安装前首先进行工作台组装，钻机工作台主要用来支撑钻机作业，控制钻机移动设置，因此必须具有一定刚度、稳定性。工作台采用H型钢高强螺栓连接而成，四周采用钢管斜拉稳定，型钢规格250 mm×250 mm，螺栓16 mm，钢管采用48 mm脚手架管。

工作台组装前首先平整铺设场地，并进行夯实、硬化处理，以避免作业过程中出现沉降。选用2根H型钢做底轨，底轨铺设要求水平误差＜3 mm(水平尺控制)，两轨平行误差±3 mm(对角找方控制)，底轨长度依据管棚施做范围外扩1.0 m设置。立架采取4根H型钢，并采用高强螺栓通过垫板与底轨连接，搁置钻机的横担采用2根H型钢与立柱连接，连接亦采用高强螺栓通过垫板固定。钻机通过手动葫芦可在底轨上左右移位，在立柱上下移动。

4.3.5 导向钻头制作、安装

自进式管棚采用楔子板钻头，钻头采用厚度为10 mm钢板作为导向板，导向板旋转直径略大于管棚直径5～10 mm，导向板与管棚或钻具夹角20°为宜，导向板与管棚间隙部分用钢板封堵，中间设置8～12 mm的射水孔。

导向仪前端的探棒固定在楔子板钻头内，固定既要保证探棒在钻进过程中的稳定性，又要保证在钻进结束时便于取出。通常采取弯钩钢丝焊接方法固定，钢丝绳牵引连接，信号线路依附钢丝绳设置。具体如图3所示。

图3 楔子板导向钻头

4.3.6 钻机安装定位

钻机安装就位主要是将各路油管、动力管等正确可靠连接，并接通电源后调试钻机，对出现的破损管路及时更换。

钻机定位是开钻前的主要工作，也是确保钻进角度精确的关键一环。钻机安装后首先将钻杆对准开孔孔位，随后采取中线偏量法控制外插角度，通过左右移动钻机方式或底轨将钻机移动到位，角度误差控制在5‰后将钻机焊定在钻机台架上。中线偏量法控制外插角是测量中线距钻杆前后段距离Δ1、Δ2，测量钻杆前后距离L(L≮3 m)，则外插角δ=(Δ1－Δ2)/L×100%。

外插角调整后采用电子水平尺测量钻机仰角，仰角通过提升吊链升降钻机底轨进行调整，误差控制在5‰。角度调整后将钻机稳固，并将加工好的钻头人工送入已开好的孔位内，开动钻机将钻杆与钻头连接一体，并进行首次导向测角，导向测角与事先测量的外插角、仰角应对照一致，并做好记录。

4.3.7 管棚钻进

管朋钻进前应先调整循环液，循环液主要起到护壁及润滑作用。本次采用钠基膨润土循环液，循环液配比1∶0.4，循环液经沉淀过滤后可重复利用，但要保证配比浓度符合要求。钻进时，循环液泵压应控制在0.6～1.0 MPa，泵量为10～30 L/min为宜。钻进应保持中低压力，匀速中速钻进。

自进式管棚通过钻机采取丝扣连接方式逐节打设完成，每节长度根据施做空间而定，本次采用4～5 m，并保证同一断面接头数≯50%。每节打设完成后通过采用导向仪进行打设角度测量，并在下一节管棚打设时进行调整，确保每节管棚角度符合设计要求。每根管棚加尺后，须先空钻2圈稳固后再进行丝扣接缝密闭焊接，并根据钻进中扭矩大小加设帮片(3片或4片)，以增加扭矩，防止在钻进过程中出现断管现象。管棚进尺通过钻机旋转、推进完成，钻渣通过循环液排出。

每根管在安装前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。管材内的铁屑、赃物等必须清除干净。安装时避免与硬物相碰，以免损伤管扣。

导向仪连接线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用2层热缩套管套好，并注意不得将异物遗留或掉入打设管棚内。

钻进时，导向人员随着进尺，须时刻观察探头角度变化情况，当角度偏差＞0.2°时，应及时纠偏。当纠偏无效、偏差＞0.6°时，应停止钻进，并及时报告项目经理，研究对策后再施工。现场须及时记录每次导向数据及每次加管长度，并在办公室实施三维模拟，以保证钻进质量。

4.3.8 封孔注浆

4.3.8.1 自进式管棚注浆优点

自进式管棚注浆时浆液首先填充管棚内部，内部充满后通过端口填充管棚外部空间。浆液充满管棚体内时孔口处的溢浆管开始溢浆(溢浆时证明管棚体内压浆已饱满，浆液开始填充管棚外部空间)。浆液从溢浆管连续溢出后关闭闸阀，浆液开始填充管棚外部空间，当压力达到设计标准时(一般0.8～1.0 MPa)，证明整个管棚及其外部空间均已填充密实，此时持续3～5 min即可终止，待浆液稍有沉淀失水后(一般30～60 min)打开溢浆管闸阀排出浆液中泌出的清水，通溢浆管可进行二次补注浆，以确保整个管棚体及周围空间密实度达到预定标准。由此，自进式管棚注浆既规避了传统长管棚或空洞体地层管棚注浆不饱满的缺陷，又可通过溢浆孔进行多次注浆填充多空洞地层。

4.3.8.2 自进式管棚封堵

管棚打设至设计深度后取回安装在楔子板钻头的导向仪探棒，采取锚固剂或速凝水泥对管棚周围空隙进行锚固封堵，封堵时应事先将带有闸阀的溢浆管埋入，以利注浆过程中空气、水的排出及二次注浆使用。孔口封堵完成后将带注浆管节的钢板作为孔口板焊接在管棚上，以便于注浆，孔口板要求焊接牢固、密闭。

4.3.8.3 自进式管棚注浆

用BW－250型泵把拌制好的浆液通过高压注浆管路输送到孔口，注浆管与孔口事先焊接的管节通过闸阀连接。浆液按照设定的水灰比(0.8～1)进行配置，拌制时间≮2 min，并经过滤网至储浆桶。

当准备启动注浆泵时应事先征得孔口注浆人员同意后方可开泵注浆，以免误伤前方施工人员。注浆时打开溢浆管闸阀，以利管棚内空气溢出，待浆液自溢浆管持续溢出后关闭溢浆管闸阀，此时持续注浆应密切注意注浆压力的变化及掌子面及隧道上方地面的变化，防止浆液外泄及地面起鼓现象。

注浆达到设计要求并停待30～60 min后打开溢浆管闸阀，持续注浆，此时注浆量一般很小，应根据压力变化情况及时停注。注浆应逐孔做好记录，待整个断面完成后进行总结分析。