跟管钻进大管棚施工技术

欧阳天武

【摘 要】老君寨隧道右线进口洞口段为坡积物及崩塌体堆积层，岩体破碎，空洞较大，地质构造复杂，岩体自稳能力极差，采用常规施工工艺施工大管棚时塌孔严重，塌孔后反复注浆、再钻进也无法达到设计孔深。本文重点研究了崩塌体堆积层地质条件下大管棚的施工方法，通过跟管钻进施工技术的研究，总结出在极破碎岩体、塌方体、卵石地层、裂隙发育岩体等围岩条件下隧道大管棚的施工方法。研究成果对类似工程具有一定的参考借鉴意义。

【关键词】大管棚；跟管钻进法；崩塌体积层

1 工程概况

老君寨隧道右线进口K148+881～K148+899属于V级围岩浅埋段，长度为18m，设计地质情况为：强风化板岩；浅灰色，岩体破碎，为软岩，岩芯呈小块状，可折断，上覆薄层碎石，围岩稳定性差。隧道设计支护方案为：采用20m大管棚超前支护；I22b型钢支护，间距65cm。

1.1 实际地质条件

右线进口端开挖后揭示：洞口段为坡积物及崩塌体堆积层，岩体破碎，空洞较大，地质构造复杂，岩体自稳能力极差，洞口围岩情况见图1。

1.2 前期施工情况

采用常规施工工艺施工大管棚钻进5米后塌孔严重，拔出钻头持续给孔内注浆1～2小时后接着钻孔，进尺1m后出现塌孔现象，塌孔后反复注浆、再钻进；钻孔过程中由于持续发生坍塌现象，通过地表及导向管注浆先后压入46吨42.5水泥，但进尺最深达到8m后就无法再施工钻孔，更换孔位后情况类似。

2 施工方案选择

由于洞口段围岩为崩塌体堆积层，岩体破碎，采用常规方法施工大管棚成孔困难，甚至很难成孔。为保证钻孔质量并顺利成孔，我们采用了ZSL-100全液压履带式钻机跟管钻进，解决了岩体空隙率高，不易成孔的困难。

跟管钻进法是利用偏心钻旋转扩孔原理，结构气动冲击装置的特点，将钻具和管棚钢管通过钻杆连为一体，再通过偏心钻头研磨、冲击、挤密岩体成孔；压缩空气作为潜孔锤动力，同时冷却钻头，排除岩屑。当钻进到设计长度时，反向旋转内钻杆 90°即可将中心钻头与套管分离，然后把内钻杆全部提到孔外，将套管（管棚钢管）留在孔内。

3 大管棚跟管法施工方法

3.1 跟管钻进法施工工艺

跟管法施工工艺流程见图2。

3.2 跟管钻进法施工方法

3.2.1 跟管钻进的设备及配套机具

（1）钻机：由于全孔用空气潜孔锤跟管钻进，要求设备具有扭矩大、给进力大、转速慢的特点，为此，选用ZSL-100全液压履带式钻机。该设备的具体性能如下：钻机给进力和起拔力大，处理事故能力强；钻机配有低速大扭矩动力头双回旋机构，具有双层滑动导轨，能实现孔口近距离钻进，加接钻杆方便；具有液压升降机构，能方便地对正孔位。

（2）跟管钻头：采用I127mm单偏心跟管钻头和I127mm同心式环状钻头。

3.2.2 钻机平台搭建

钻机平台在洞口预留山体的基础上，通过土方填筑形成。平台必须密实，防止钻机钻进时不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

3.2.3 大管棚钢管加工

采用DZ40高频淬火的无缝钢管，壁厚6mm，管与管之间用丝扣联接，丝扣长60mm，牙型采用标准地质套管螺纹。管材加工时单节长度采用定尺并制作调节管，为提高管棚的抗压性能，相邻棚管接缝应错开。在每孔的第一节管打设时，奇偶孔分别用2m和1.5m的钢管，以后每节均采用2m钢管，分节钢管见图3。为防止反转脱扣，并保持钢管连接密封，丝扣上紧后，接缝处应满焊。

3.2.4 钻机定位

开孔前以套拱中预埋导管为准调正钻机，套管从导管中穿过，依导管的方位角为准，尽量调正接近设计所需的方位角。钻进开始前，钻机水平精度必须反复测量，并根据地质情况控制进度。

3.2.5 跟管钻进施工

1）钻进

钻进时应以排屑顺畅为准。浅部时应控制进尺，以免岩屑太多，排除不及时产生回转困难的状况。钻进中发现回转阻力大或外套管跟着旋转的情况时要轻提钻具吹孔。

钻进前须先开气泵，待压缩空气流通正常后，方可钻进；钻进时，空气压力应控制在0.6～1.0 MPa，保持中低压力、匀速钻进。

为保证管棚打设精度，在每打设6～10 m时，通过导向系统分段测量管棚管的仰俯角度，然后通过钻机的钻具进行调整。定向钻进，终孔后退出内锤头、冲击器及钻杆，准备注浆。

2）反转提钻

在必要反转提钻时可边冲击边反转2圈左右，然后在不停风的状态下提钻。

3）钻具检查

每打完一个钻孔要检查偏心钻头的收敛和张开状况，注意偏角过大时要及时更换横销或补焊偏心槽。套管在连接时要上紧，当有接头露在外面时要防止接头松脱。钻杆一定要上紧，防止在反转钻具时从钻杆接头处反脱。

3.2.6 清孔

用钻杆配合钻头来回扫孔，清除浮渣至孔底，用高压气从孔底向孔口清理钻渣，防止堵孔。

3.2.7 注浆

在导向管上安装止浆阀，注浆采用电动隔膜注浆机进行，水泥浆水灰比1：1。注浆孔口压力初压0.5～1.0MPa，注浆压力逐步提升，终压控制在2.5MPa并继续注浆10min以上。在压力作用下，浆液沿着大管棚的小孔渗入到围岩内且达到一定范围，并且充填围岩裂隙。水泥浆凝固后，各个钢管与围岩固结在一起，形成一个承载圈，围岩得到加固。注浆主要在于增大管子的抗弯强度，同时增加松散地层的粘结力，提高围岩开挖后自稳的强度。

3.3 跟管钻机与常规钻机施工管棚区别

3.3.1 施工原理区别

常规钻机管棚施工为先用钻机钻进成孔后， 再将钢管推进形成管棚； 跟管钻机管棚施工为钻头推进时套管直接跟进， 管棚一次成型。

3.3.2 钻头区别

常规钻机钻头直接用常规冲击钻头， 跟管钻机选用单偏心跟管钻头。

3.3.3 套管区别

常规钻机套管采用普通无缝钢管，每节5 m～6m长度成孔后推进；跟管钻机套管采用DZ40高频淬火的无缝钢管，每节长度1.5～2m 随孔跟进。

4 施工注意事项

钻管过程中主要存在卡钻、偏心钻头脱落、排屑困难、管靴脱落事故、蹩钻等问题。

4.1 卡钻

卡钻的主要原因为钻进动力不足、钻进压力过大及钻孔严重偏斜增大了管系及钻头摩擦，采取的主要措施有：更换设备；调整操作工艺，选择经验丰富的操作手；钻进过程中加强偏斜量测，主要是控制机具就位和管具安装精度入手，加强施钻等环节人员培训，根据情况控制钻速、压力及冲击风压。

4.2 偏心钻头脱落

主要原因是偏心横销材质较差，易断。当事故发生时，先拔管，然后用筒状岩心管取心钻进取出。改进措施是改变偏心横销的材质，选用轴承钢加工横销。

4.3 排屑困难

由于所钻钻孔基本上为水平孔，崩塌体松散层孔隙较大，高压风漏风严重，当钻孔较深时，排屑十分困难。因此在钻进过程中，严格控制进尺，勤吹孔，必要时从钻具内和钻具与套管的环状间隙送水洗孔提钻。

4.4 管靴脱落

在跟管过程中主要是通过跟管钻具在给进破岩的同时利用管靴与钻头上的台阶拖着套管同步跟进，因此套管靴是主要受冲击振动的部位。当钻孔加深后，套管增长，摩擦力大或后部套管被岩粉卡死后，套管管靴很容易被打脱。当管靴被打掉时，在拔出套管后，用公锥取出管靴，再继续跟管钻进。防止管靴脱落的主要措施有：

（1）在动力头与套管之间增加一个同步给进装置；

（2）管靴与套管实行铆焊、点焊联接。

4.5 蹩钻

在跟管钻进过程中，当钻遇地下隐埋物如钢筋、硬质石英砂岩或土石软硬不均时，会发生严重蹩钻，钻具无法正反转，遇到此种情况需拔出套管，取心钻进后再跟管钻进。

5 施工效果评价

（1）根据开挖中揭示的围岩情况， 施工后管棚形成的轮廓圆弧规则，管棚排列较整齐，形成一个完整的超前支护环；隧道开挖后地表、拱顶沉降均较小，均在允许范围内。

（2）施工中采用的跟管钻进工艺及所选用的成孔设备和钻具组合合理有效，得用管棚支护技术穿越崩塌体松散层是成功的。

（3）在崩塌体、砂卵石地层中应用空气潜孔锤跟管钻进技术建成管棚是非常经济可行的，孔内事故少，钻孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，但是单偏心潜孔锤跟管钻进技术对于机具的配套，以及对于硬岩层和软硬不均的岩层适应性还有待进一步改进。

[责任编辑：杨玉洁]