跟管鉆進(jìn)大管棚施工技術(shù)

歐陽天武

【摘 要】老君寨隧道右線進(jìn)口洞口段為坡積物及崩塌體堆積層，巖體破碎，空洞較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體自穩(wěn)能力極差，采用常規(guī)施工工藝施工大管棚時(shí)塌孔嚴(yán)重，塌孔后反復(fù)注漿、再鉆進(jìn)也無法達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。本文重點(diǎn)研究了崩塌體堆積層地質(zhì)條件下大管棚的施工方法，通過跟管鉆進(jìn)施工技術(shù)的研究，總結(jié)出在極破碎巖體、塌方體、卵石地層、裂隙發(fā)育巖體等圍巖條件下隧道大管棚的施工方法。研究成果對(duì)類似工程具有一定的參考借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】大管棚；跟管鉆進(jìn)法；崩塌體積層

1 工程概況

老君寨隧道右線進(jìn)口K148+881～K148+899屬于V級(jí)圍巖淺埋段，長(zhǎng)度為18m，設(shè)計(jì)地質(zhì)情況為：強(qiáng)風(fēng)化板巖；淺灰色，巖體破碎，為軟巖，巖芯呈小塊狀，可折斷，上覆薄層碎石，圍巖穩(wěn)定性差。隧道設(shè)計(jì)支護(hù)方案為：采用20m大管棚超前支護(hù)；I22b型鋼支護(hù)，間距65cm。

1.1 實(shí)際地質(zhì)條件

右線進(jìn)口端開挖后揭示：洞口段為坡積物及崩塌體堆積層，巖體破碎，空洞較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體自穩(wěn)能力極差，洞口圍巖情況見圖1。

1.2 前期施工情況

采用常規(guī)施工工藝施工大管棚鉆進(jìn)5米后塌孔嚴(yán)重，拔出鉆頭持續(xù)給孔內(nèi)注漿1～2小時(shí)后接著鉆孔，進(jìn)尺1m后出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，塌孔后反復(fù)注漿、再鉆進(jìn)；鉆孔過程中由于持續(xù)發(fā)生坍塌現(xiàn)象，通過地表及導(dǎo)向管注漿先后壓入46噸42.5水泥，但進(jìn)尺最深達(dá)到8m后就無法再施工鉆孔，更換孔位后情況類似。

2 施工方案選擇

由于洞口段圍巖為崩塌體堆積層，巖體破碎，采用常規(guī)方法施工大管棚成孔困難，甚至很難成孔。為保證鉆孔質(zhì)量并順利成孔，我們采用了ZSL-100全液壓履帶式鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)，解決了巖體空隙率高，不易成孔的困難。

跟管鉆進(jìn)法是利用偏心鉆旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔原理，結(jié)構(gòu)氣動(dòng)沖擊裝置的特點(diǎn)，將鉆具和管棚鋼管通過鉆桿連為一體，再通過偏心鉆頭研磨、沖擊、擠密巖體成孔；壓縮空氣作為潛孔錘動(dòng)力，同時(shí)冷卻鉆頭，排除巖屑。當(dāng)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí)，反向旋轉(zhuǎn)內(nèi)鉆桿 90°即可將中心鉆頭與套管分離，然后把內(nèi)鉆桿全部提到孔外，將套管（管棚鋼管）留在孔內(nèi)。

3 大管棚跟管法施工方法

3.1 跟管鉆進(jìn)法施工工藝

跟管法施工工藝流程見圖2。

3.2 跟管鉆進(jìn)法施工方法

3.2.1 跟管鉆進(jìn)的設(shè)備及配套機(jī)具

（1）鉆機(jī)：由于全孔用空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)，要求設(shè)備具有扭矩大、給進(jìn)力大、轉(zhuǎn)速慢的特點(diǎn)，為此，選用ZSL-100全液壓履帶式鉆機(jī)。該設(shè)備的具體性能如下：鉆機(jī)給進(jìn)力和起拔力大，處理事故能力強(qiáng)；鉆機(jī)配有低速大扭矩動(dòng)力頭雙回旋機(jī)構(gòu)，具有雙層滑動(dòng)導(dǎo)軌，能實(shí)現(xiàn)孔口近距離鉆進(jìn)，加接鉆桿方便；具有液壓升降機(jī)構(gòu)，能方便地對(duì)正孔位。

（2）跟管鉆頭：采用I127mm單偏心跟管鉆頭和I127mm同心式環(huán)狀鉆頭。

3.2.2 鉆機(jī)平臺(tái)搭建

鉆機(jī)平臺(tái)在洞口預(yù)留山體的基礎(chǔ)上，通過土方填筑形成。平臺(tái)必須密實(shí)，防止鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)不均勻下沉、擺動(dòng)、位移等影響鉆孔質(zhì)量。

3.2.3 大管棚鋼管加工

采用DZ40高頻淬火的無縫鋼管，壁厚6mm，管與管之間用絲扣聯(lián)接，絲扣長(zhǎng)60mm，牙型采用標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)套管螺紋。管材加工時(shí)單節(jié)長(zhǎng)度采用定尺并制作調(diào)節(jié)管，為提高管棚的抗壓性能，相鄰棚管接縫應(yīng)錯(cuò)開。在每孔的第一節(jié)管打設(shè)時(shí)，奇偶孔分別用2m和1.5m的鋼管，以后每節(jié)均采用2m鋼管，分節(jié)鋼管見圖3。為防止反轉(zhuǎn)脫扣，并保持鋼管連接密封，絲扣上緊后，接縫處應(yīng)滿焊。

3.2.4 鉆機(jī)定位

開孔前以套拱中預(yù)埋導(dǎo)管為準(zhǔn)調(diào)正鉆機(jī)，套管從導(dǎo)管中穿過，依導(dǎo)管的方位角為準(zhǔn)，盡量調(diào)正接近設(shè)計(jì)所需的方位角。鉆進(jìn)開始前，鉆機(jī)水平精度必須反復(fù)測(cè)量，并根據(jù)地質(zhì)情況控制進(jìn)度。

3.2.5 跟管鉆進(jìn)施工

1）鉆進(jìn)

鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)以排屑順暢為準(zhǔn)。淺部時(shí)應(yīng)控制進(jìn)尺，以免巖屑太多，排除不及時(shí)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)困難的狀況。鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力大或外套管跟著旋轉(zhuǎn)的情況時(shí)要輕提鉆具吹孔。

鉆進(jìn)前須先開氣泵，待壓縮空氣流通正常后，方可鉆進(jìn)；鉆進(jìn)時(shí)，空氣壓力應(yīng)控制在0.6～1.0 MPa，保持中低壓力、勻速鉆進(jìn)。

為保證管棚打設(shè)精度，在每打設(shè)6～10 m時(shí)，通過導(dǎo)向系統(tǒng)分段測(cè)量管棚管的仰俯角度，然后通過鉆機(jī)的鉆具進(jìn)行調(diào)整。定向鉆進(jìn)，終孔后退出內(nèi)錘頭、沖擊器及鉆桿，準(zhǔn)備注漿。

2）反轉(zhuǎn)提鉆

在必要反轉(zhuǎn)提鉆時(shí)可邊沖擊邊反轉(zhuǎn)2圈左右，然后在不停風(fēng)的狀態(tài)下提鉆。

3）鉆具檢查

每打完一個(gè)鉆孔要檢查偏心鉆頭的收斂和張開狀況，注意偏角過大時(shí)要及時(shí)更換橫銷或補(bǔ)焊偏心槽。套管在連接時(shí)要上緊，當(dāng)有接頭露在外面時(shí)要防止接頭松脫。鉆桿一定要上緊，防止在反轉(zhuǎn)鉆具時(shí)從鉆桿接頭處反脫。

3.2.6 清孔

用鉆桿配合鉆頭來回掃孔，清除浮渣至孔底，用高壓氣從孔底向孔口清理鉆渣，防止堵孔。

3.2.7 注漿

在導(dǎo)向管上安裝止?jié){閥，注漿采用電動(dòng)隔膜注漿機(jī)進(jìn)行，水泥漿水灰比1：1。注漿孔口壓力初壓0.5～1.0MPa，注漿壓力逐步提升，終壓控制在2.5MPa并繼續(xù)注漿10min以上。在壓力作用下，漿液沿著大管棚的小孔滲入到圍巖內(nèi)且達(dá)到一定范圍，并且充填圍巖裂隙。水泥漿凝固后，各個(gè)鋼管與圍巖固結(jié)在一起，形成一個(gè)承載圈，圍巖得到加固。注漿主要在于增大管子的抗彎強(qiáng)度，同時(shí)增加松散地層的粘結(jié)力，提高圍巖開挖后自穩(wěn)的強(qiáng)度。

3.3 跟管鉆機(jī)與常規(guī)鉆機(jī)施工管棚區(qū)別

3.3.1 施工原理區(qū)別

常規(guī)鉆機(jī)管棚施工為先用鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔后， 再將鋼管推進(jìn)形成管棚； 跟管鉆機(jī)管棚施工為鉆頭推進(jìn)時(shí)套管直接跟進(jìn)， 管棚一次成型。

3.3.2 鉆頭區(qū)別

常規(guī)鉆機(jī)鉆頭直接用常規(guī)沖擊鉆頭， 跟管鉆機(jī)選用單偏心跟管鉆頭。

3.3.3 套管區(qū)別

常規(guī)鉆機(jī)套管采用普通無縫鋼管，每節(jié)5 m～6m長(zhǎng)度成孔后推進(jìn)；跟管鉆機(jī)套管采用DZ40高頻淬火的無縫鋼管，每節(jié)長(zhǎng)度1.5～2m 隨孔跟進(jìn)。

4 施工注意事項(xiàng)

鉆管過程中主要存在卡鉆、偏心鉆頭脫落、排屑困難、管靴脫落事故、蹩鉆等問題。

4.1 卡鉆

卡鉆的主要原因?yàn)殂@進(jìn)動(dòng)力不足、鉆進(jìn)壓力過大及鉆孔嚴(yán)重偏斜增大了管系及鉆頭摩擦，采取的主要措施有：更換設(shè)備；調(diào)整操作工藝，選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的操作手；鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)偏斜量測(cè)，主要是控制機(jī)具就位和管具安裝精度入手，加強(qiáng)施鉆等環(huán)節(jié)人員培訓(xùn)，根據(jù)情況控制鉆速、壓力及沖擊風(fēng)壓。

4.2 偏心鉆頭脫落

主要原因是偏心橫銷材質(zhì)較差，易斷。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，先拔管，然后用筒狀巖心管取心鉆進(jìn)取出。改進(jìn)措施是改變偏心橫銷的材質(zhì)，選用軸承鋼加工橫銷。

4.3 排屑困難

由于所鉆鉆孔基本上為水平孔，崩塌體松散層孔隙較大，高壓風(fēng)漏風(fēng)嚴(yán)重，當(dāng)鉆孔較深時(shí)，排屑十分困難。因此在鉆進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制進(jìn)尺，勤吹孔，必要時(shí)從鉆具內(nèi)和鉆具與套管的環(huán)狀間隙送水洗孔提鉆。

4.4 管靴脫落

在跟管過程中主要是通過跟管鉆具在給進(jìn)破巖的同時(shí)利用管靴與鉆頭上的臺(tái)階拖著套管同步跟進(jìn)，因此套管靴是主要受沖擊振動(dòng)的部位。當(dāng)鉆孔加深后，套管增長(zhǎng)，摩擦力大或后部套管被巖粉卡死后，套管管靴很容易被打脫。當(dāng)管靴被打掉時(shí)，在拔出套管后，用公錐取出管靴，再繼續(xù)跟管鉆進(jìn)。防止管靴脫落的主要措施有：

（1）在動(dòng)力頭與套管之間增加一個(gè)同步給進(jìn)裝置；

（2）管靴與套管實(shí)行鉚焊、點(diǎn)焊聯(lián)接。

4.5 蹩鉆

在跟管鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆遇地下隱埋物如鋼筋、硬質(zhì)石英砂巖或土石軟硬不均時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重蹩鉆，鉆具無法正反轉(zhuǎn)，遇到此種情況需拔出套管，取心鉆進(jìn)后再跟管鉆進(jìn)。

5 施工效果評(píng)價(jià)

（1）根據(jù)開挖中揭示的圍巖情況， 施工后管棚形成的輪廓圓弧規(guī)則，管棚排列較整齊，形成一個(gè)完整的超前支護(hù)環(huán)；隧道開挖后地表、拱頂沉降均較小，均在允許范圍內(nèi)。

（2）施工中采用的跟管鉆進(jìn)工藝及所選用的成孔設(shè)備和鉆具組合合理有效，得用管棚支護(hù)技術(shù)穿越崩塌體松散層是成功的。

（3）在崩塌體、砂卵石地層中應(yīng)用空氣潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)建成管棚是非常經(jīng)濟(jì)可行的，孔內(nèi)事故少，鉆孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，但是單偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)于機(jī)具的配套，以及對(duì)于硬巖層和軟硬不均的巖層適應(yīng)性還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]