淺談隧洞大管棚施工技術

武鵬翔 任亞軍/中國水電建設集團十五工程局第二分公司

淺談隧洞大管棚施工技術

武鵬翔 任亞軍/中國水電建設集團十五工程局第二分公司

黔中水利樞紐桂松干渠C6項目八翻隧洞大管棚支護，斷面為城門洞形，高5m,開挖斷面為直徑4m，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結構。

隧洞；支護；大管棚

1 工程概況

黔中水利樞紐桂松干渠C6標八翻寨引水隧洞全長204m，斷面為城門洞形，高5m,開挖斷面為直徑4m的城門洞形，縱坡4‰，全斷面采用鋼筋混凝土襯砌結構。八翻寨隧洞進出口邊坡穩定性均較差。洞室圍巖為泥盆系上統桑郎組雜色中厚層粉砂巖、薄層泥巖互層夾少量炭質泥巖及泥質白云巖，軟質巖類，薄層結構，巖體強風化層水平深20～30m。成洞條件差。隧洞與巖層走向小角度相交，洞身位于地下水之下。隧洞埋藏較淺，穩定性差。全洞段為Ⅴ類圍巖。

2 問題及處理方案

在隧洞正常鋼拱架支護開挖至出洞33m施工（50+843.77）時，發生了大塌方，按原設計采用了的超前錨桿及超前小導管護頂并配合鋼支撐和噴砼聯合支護法施工以滿足不了成洞要求，塌方空腔高度約20m，桂松50+859-50+862.5段一次支護全部砸毀。

根據現場塌方情況為確保安全技術可行，決定采用大管棚方案施工，解決松散渣體成孔難的難題，完成塌方段隧洞開挖任務。

圖1 八翻寨隧洞塌方樁號縱斷面圖

3 大管棚設計

根據該塌方段圍巖情況，采用D108★6熱軋無縫鋼管作管棚，直徑×壁厚=108×6mm。每環孔從拱頂開始布設，除拱頂布設1個，兩側分別按20cm間距布設。布置范圍為拱頂120°，共計25孔；鋼套管分節長度為1.0m，兩節套管間采用專用內絲扣鏈接方式連接。

4 大管棚施工

采用XY-1、XY-1B鉆機及單偏心DP102低風壓型潛孔錘跟管鉆具作為鉆孔、擴孔的主要配套機具；

鉆機由主機、液壓鉆、操作臺三大部分組成，用高壓膠管相互連接為一整體。主機放在鉆機平臺上，液壓站和操作臺可放在平臺下部(圖2)。

圖2 大管棚縱剖圖

偏心鉆具擴孔鋼套管跟進長管棚法適用于隧洞大塌方、土夾石、軟弱破碎等一切成孔難的巖體隧道施工時采用。

鉆機水平鉆進狀態，鉆機總量1500kg；操作臺(含操作臺架、多路換向閥和液壓油管)重150kg。鉆機占用工作平臺面積不大，重量不重，移動方便。

DP102型潛孔錘跟管鉆具與YXZ70型錨固鉆機的鉆桿和管棚鋼套管相連接，由潛孔沖擊器、導正器、偏心擴孔鉆頭、套管靴等組成。

迫使套管靴帶動整個鋼套管與鉆具同步跟進，保護已鉆孔段的孔壁。將鉆具退至孔外，鋼套管留孔內護壁。

5 施工工藝流程（圖3）

圖3 施工工藝流程圖

6 施工方法

6.1 管棚制作及孔位布置

根據該塌方段圍巖情況，采用D108★6熱軋無縫鋼管作管棚，即直徑×壁厚=108×6mm。每環孔從拱頂開始布設，除拱頂布設1個，兩側分別按20cm間距布設。布置范圍為拱頂120°，共計25孔；鋼套管分節長度為1.0m，兩節套管間采用專用內絲扣鏈接方式連接。

6.2 管棚施工及開挖支護回填方法

（1）隧洞塌方前僅剩余11.5m貫通，塌方冒頂后，有部分鋼拱架砸毀，根據現場塌方實際情況，大管棚施工實際長度達18.5m，受鋼拱架間距1m限制，管棚外插角最小角度在10°～12°。為便于管棚施工可靠，管棚初步計劃分兩個循環搭設施工，第一個循環15m，第二個循環11m；第一個循環可在50+863.84搭設管棚，管棚施工至50+849.07.，根據第一個循環15m的鋼套管跟進施工情況而定，如15米鋼套管末端嵌入巖石，則15米管棚可一次穿過塌方體嵌入前方巖石面，第二個循環管棚施工不在跟進。如第一個循環后，管棚末端不見巖石，還處于松散塌方體段在進行第二個循環施工。

首先，在第一個循環管棚施工工工藝流程圖中施工程序固結灌漿完后；進行第一個循環后的鋼拱架初期支護。為減少管棚施工后對上方塌方體的擾動，隧洞內的塌方體采用150型反鏟、30裝載機配合農用車出渣側壁修整，每進尺0.5m時，先把管棚頂部鋼套管與鋼套管之間間距約10cm松散體采用噴錨厚5cm砼與松散體粘結，可防松散體掉落以便鋼拱架支護。初期支護鋼拱架采用14#工字鋼，鋼拱架間距30cm，固定采用ф25長L=3m間距1m縮腳錨桿加固穩定，相鄰鋼拱架之間采用ф25間距50cm長L=50cmm的鋼筋連接，拱架外掛網噴10cm厚砼（鋼筋網片采用?8＠250★250）；根據鋼拱架現場支護情況，如果底板處于軟基上，則必須在鋼拱架底腳采用14#工字鋼進行仰拱布設，并進行50cm厚C20砼換填，以防鋼拱架側壁擠垮，兩側側壁超挖采用C10埋石砼回填，遇有側壁局部塌方，可先做100cm厚漿砌石擋墻，空腔采用塊石回填密實。由于受鋼拱架間距1m限制外插角選10°～12°時，經過計算管棚尾部高出設計開挖線2.86m左右，在出渣掘進時，鋼拱架支護拱頂頂部與管棚間空腔隨之增大，也是塌方體處最薄弱的地方，回填采用ZL30裝載機配合人工進行砌石回填，回填厚度50cm。超出50cm部分采用直徑10cm長度為1m左右的圓木回填。

（2）第一個循環15m管棚施工完，鋼套管跟進不見巖石，處于松散塌方體段，渣體不能全部出完，第二個循環可就在第一個循環管棚端頭后退5m（50+854.07）后架鉆搭設管棚，管棚施工11m，管棚末端可穿過靠進口洞內鋼拱架支護頂部巖石面，管棚末端牢固可靠。下道工序類同第一個循環后施工程序。

6.3 管棚長度及實管設置

根據現場實際情況，鋼管采用外徑?108、壁厚6mm的無縫鋼管，每孔鋼管總長度為15m。鋼管分段安裝。第一段按奇、偶數分別編號，奇、偶數不同的管長錯開0.5m（若奇數管長為4m，則偶數管長為4.5m），其后各分段管長可取相等長度。兩段之間用絲扣連接，絲扣螺紋段長度不小于15cm。

圖4 大管棚橫剖圖

6.4 鋼筋籠安裝

為提高鋼管的剛度和強度，鋼管內增設由3根φ25mm螺紋鋼筋和固定短環組成的鋼筋籠，固定環采用外徑?70mm、壁厚8mm，長4cm的短管環，環向間距1m。在鋼管內放置鋼筋籠并灌注水泥漿可增加鋼管剛度。

6.5 灌漿方法

灌漿前首先要素噴lOcm厚砼將塌方渣體封閉，防止漏漿。采用純壓式灌漿方法進行灌漿。本灌漿工程為臨時加固工程，灌漿目的是使洞挖時水泥漿膠體能在洞周圍一定范圍內起到粘結松散渣體的作用。大管棚施工完成后，成傘形輻射狀。

7 鉆孔技術要點與特殊情況處理

7.1 鉆孔技術要點

(1)大管棚。a.開鉆時先用坐標法測設大管棚的起始中心落點。然后置鏡中心點，測設中心線的垂線方向，在該方向上測設控制樁，每邊各2個，以便隨時恢復并檢查方向的正確性。b.大管棚在洞內施做，工作空間狹小，且不能影響后續工序，將控制方向護樁釘設在地面上，而是在鉆機機身中心上面的初期支護拱部設點，并用紅油漆標記。同時,通過這些拱部點位的標高來反算鉆機中心的高度,通過孔口及鉆機中心兩點的高程便于控制鉆孔時的傾斜度(孔外)。

同時在鋼格柵下邊用Ⅰ14工字鋼布設五道支撐加固，確保鋼格柵穩固。大管棚都正好搭在兩環襯砌頭上，相當于過梁。可以更好地起到預支護的作用。

(2)鉆孔的方向和傾斜度控制。方向控制：在每個導管中心線方向上，均釘設兩個方向樁，以控制鉆孔的方向。傾斜度控制：孔外，通過測設大導管孔口及鉆機中心的高程進行控制。孔內，用精密水平陀螺儀控制傾斜度，分別在距孔口2m處、1/2孔深處、終孔處三處進行測量，不符合鉆孔精度和要求的鉆孔，必須封孔重鉆。操作平臺及鉆機安裝牢固，洞邊墻支撐固定，保證施工中鉆機及平臺的穩定性。同時平臺和鉆機安裝平整，用水平尺校正，確保其水平度。鉆具及跟管開孔保證孔位點、導向器及動頭三點一線，并加長導管，隨時用導向器導向以保證鉛直度，確保管棚的設計轉向傾向。

(3)鉆孔跟管開孔先采用低風量、低壓力純沖擊，先造引導孔，待孔基本成型后，開動正轉讓偏心鉆具工作帶動導管跟管，但轉速要限制，以確保孔口巖體不被大面積擾動破壞。

(4)鉆孔跟管過程中，控制進尺速度不能過快，注意間歇空鉆排渣，以保證導管與鉆桿間通道暢通，避免卡鉆并控制風量及鉆壓(風量、風壓以保證沖擊器正常工作為準)。

(5)鉆孔跟管起鉆時，先關閉風，然后反轉半轉收回偏心鍾才起鉆。

(6)操作過程中特別注意，風是偏心鉆具在導管內，只能反轉，不能正轉，只有偏心鉆具出管靴后才正轉。

(7)在用金鋼石鉆具鉆進過程中，時刻注意控制風壓，盡量采用低壓、高轉速進行鉆進。

7.2 特殊情況處理措施

(1)鉆孔跟管過程中，若排渣不暢，出現殘渣滯于導管內將鉆桿抱死現象，可直接敲擊導管，并少許反轉，如此反復，以幫助排渣，但應注意可能會將鉆具、管靴等反掉。若鉆桿已被抱死，無法清理通暢，則只能利用鉆機液壓將導管全部拔出，重新跟管。

(2)鉆孔跟管過程中，若排渣不暢，必須采取收回偏心錘以協助排渣。當出現偏心錘重新下入孔底不能出管靴情況時，可將偏心鉆具下到孔底后，在管內正轉半轉，讓偏心頭卡住導管內壁，再利用鉆機液壓輕輕拔管少許，然后反轉(控制旋轉一周360度)，將鉆下到底，進行純沖擊鉆進，以確保偏心鉆頭出管靴，繼續鉆進跟管。

(3)若鉆孔跟管結束后，出現偏心鉆具無法收回導管內的情況，可采取控制風量，壓力回零，空正轉數轉后，停風，給少許壓力，用手動反轉半轉，再用液壓反拔鉆桿鉆具，當可拔出后重新鉆孔跟管。

(4)若鉆孔跟管過程中，出現鉆桿鉆具仍然有進尺，但導管則不繼續跟時，則不是管靴脫落或斷裂，就是中部某段導管脫落，只能拔管重新跟管。

(5)若圍巖太硬或跟管進尺較長，或圍巖軟硬不均，可能出現管靴變形，鉆具旋轉負荷大并伴有金屬磨擦聲，且導管跟著旋轉的現象時，只能反拔導管抵換靴后重新跟管。

(6)若因圍巖軟硬不均，造成導管與鉆桿不同心，鉆進跟管困難時，以及仍需跟管長度不長進，可采用人工扶正強行跟管至結束；若仍需跟管長度較長，必須拔管重新跟管。

8 施工成效分析

該工程地質條件差，隧洞埋深較淺，塌方后成洞困難，采用大管棚與鋼拱架構成縱、橫整體，其剛度較大能限制圍巖變形，保證了與圍巖緊密結合，提高了承載能力。所用機械設備相對較小，移動靈活，工藝簡單，操作方便，其次管棚是利用鋼格柵拱架，沿著開挖輪廓線，以較小的外插角，向開挖面前方打入鋼管，形成對開挖面前方圍巖的預支護,安全可靠。

9 結語

對埋深較淺隧洞，遇到斷層、塌方段，盡可能采用一次性超長管棚，可減少導管安裝次數，減少開挖作業面干擾。但在管棚施工過程中，注意以下幾點：第一，在管棚施工結束后，及時進行初次支護，第二，要加強對隧洞及地表檢測工作，以監控量測數據、量測鋼管的應力應變指導洞內施工。其次，工期短，經濟效益好，可在類似隧洞等部位類同施工。

[1] 水工建筑物水泥灌漿施工技術規范：DL/T5148—2001[S].

[2] 水工建筑物地下開挖工程施工技術規范：DL/T5099—1999[S].

[3] 錨桿噴射混凝土支護技術規范：GB50086—2001[S].