公路隧道施工中管棚自進(jìn)式鉆孔安裝技術(shù)應(yīng)用探討

石福純

甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730030

在傳統(tǒng)工程施工工藝下如何有效提升管棚施工質(zhì)量一直都屬于一個(gè)重大課題。在當(dāng)前進(jìn)行公路隧道施工的過程中，隧道管棚超前支護(hù)在工程實(shí)踐中通常情況下都是以利用襯砌拱圈隱埋弧線提前在擬開挖隧道或結(jié)構(gòu)工程中鉆孔，并提前在結(jié)構(gòu)中埋設(shè)具有較大慣性力的厚壁鋼管，這樣就可以發(fā)揮出超前支護(hù)的效果，也能有效避免在隧道掘進(jìn)過程中出現(xiàn)土層坍塌或地表下沉等問題，該技術(shù)可以充分保障隧道掘進(jìn)及支護(hù)施工的安全性。

1 工程概況

某高速公路是內(nèi)陸連接出海港口的重要通道，同時(shí)該高速公路也是輻射周邊各國的運(yùn)輸大動(dòng)脈。本次擬建設(shè)的公路采取的雙向四車道設(shè)計(jì)模型，總長達(dá)到30.2km，公路最高通行速度為120km/h。在該高速公路修建過程中會(huì)途徑兩個(gè)總長在5km左右的隧道。由于該高速公路所處地區(qū)本身屬于丘陵地帶，具有相對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)情況，在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)隧道采取的是長度為12m的三循環(huán)長管棚模式。另外，為充分保障工程施工穿越斷層破碎帶的安全性同樣設(shè)計(jì)了管棚，該高速公路隧道工程施工過程中管棚設(shè)計(jì)總長度達(dá)到了2萬m左右，整體施工周期為36個(gè)月。在傳統(tǒng)施工工藝下，管棚施工周期將占到總工期的40%左右，因此無法滿足該高速公路實(shí)際修建的需求[1]。

在充分結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)隧道工程的施工經(jīng)驗(yàn)之后采取了管棚自進(jìn)式鉆孔安裝技術(shù)進(jìn)行施工。通過應(yīng)用該技術(shù)可以利用鑿巖臺(tái)來一次性完成管棚鉆孔安裝，避免傳統(tǒng)施工工藝流程中因存在施工時(shí)間差容易引發(fā)坍塌和管身接長困難等一些問題，可以有效避免在傳統(tǒng)施工工藝模式下鉆孔及鋼管安裝過程中存在的時(shí)間差而導(dǎo)致坍塌或管身無法接長等問題，而且在施工過程中無需修筑專門的作業(yè)平臺(tái)，無需安裝導(dǎo)向管，能充分保障隧道施工過程中有限作業(yè)空間內(nèi)的安全性和管道安裝質(zhì)量[2]。

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)該隧道工程進(jìn)行全面調(diào)研之后發(fā)現(xiàn)，目前自進(jìn)式錨桿等類似工藝在市場中的應(yīng)用非常廣泛，在管棚上焊接鉆頭后，在鉆進(jìn)過程中進(jìn)行管棚安裝，最后在鉆孔內(nèi)將鉆頭和管棚共同棄置。但由于該施工工藝模式下鉆頭的成本相對(duì)較高，為有效解決施工成本，在本次工程施工的過程中提出使用內(nèi)嵌外套是鉆頭，鉆頭主體分為以下兩個(gè)部分：

該鉆頭前段采取中空鉆頭，第一部分與管棚之間通過焊接方式連接在一起，焊接后屬于不可旋轉(zhuǎn)的固定部分，另外，需要將一個(gè)合金鉆頭鑲嵌在其前段對(duì)管身進(jìn)行牽引，這樣就可以保障管身與鉆頭在掘進(jìn)中共同前進(jìn)，與此同時(shí)也能發(fā)揮出擴(kuò)孔的效果[3]。該鉆頭大部分使用的是普通鋼材材質(zhì)加工，因此整體施工成本相對(duì)較低，其具體效果見圖1。

圖1 鉆頭第一部分示意圖

后續(xù)部分的使用的是專用的合金類鉆頭，該鉆頭前段的與鉆頭第一部分鑲嵌連接，并與鉆桿通過絲扣方式連接，管棚安裝完成之后可實(shí)現(xiàn)與第一部分鉆頭之間的分離，達(dá)到重復(fù)利用的目的。本次的使用的鉆頭均為定制，自進(jìn)式管棚指的是第一部分中空鉆頭與管棚共同組成整體（見圖2）。管棚前端連接的是中空鉆頭，后端利用長管焊接后讓其達(dá)到設(shè)計(jì)長度要求。通過鉆桿將管棚鉆頭與鉆桿機(jī)鉆頭連接在一起并實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆頭帶動(dòng)管身進(jìn)入成孔完成自動(dòng)安裝，利用套筒來連接快接鉆桿，保障其長度。

圖2 鉆頭鑲嵌示意圖

管棚鉆頭可隨著鉆桿、鉆頭同步旋轉(zhuǎn)并完成鉆進(jìn)安裝，專用鉆頭和鉆桿可從管棚內(nèi)退出后實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用[4]。

3 管棚自進(jìn)式鉆孔安裝施工

3.1 鉆孔流程

圖3為管棚自進(jìn)式鉆孔安裝技術(shù)施工流程。

圖3 管棚自進(jìn)式鉆孔安裝技術(shù)施工流程

3.2 施工準(zhǔn)備

（1）設(shè)備。在本次工程的施工設(shè)備方面主要充分結(jié)合管棚的直徑和施工匹配性來選取相關(guān)配件，以此來替代傳統(tǒng)施工模式下鑿巖車必須專用配備的托架和導(dǎo)向孔等相關(guān)設(shè)備，同時(shí)將錨固定裝置加裝在鉆壁前，保障鉆壁不會(huì)在管棚內(nèi)部出現(xiàn)移位[5]。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要使用的施工設(shè)備為Atalas雙臂鑿巖臺(tái)車，但是該設(shè)備并不屬于專用設(shè)備，也可以將多壁、單壁鑿巖臺(tái)或者改裝后的濕式鉆孔設(shè)備作為主施工設(shè)備，具有較強(qiáng)普適性。在鉆進(jìn)過程中自進(jìn)式管棚主要使用的是直徑為3.5m的圓形鉆桿，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求在各個(gè)管棚段上打注漿孔，針對(duì)各連接位置過程中，將已入巖的管棚管身利用離心鉗接長后完成連接。

（2）場地。作業(yè)場地要充分壓實(shí)并平整，這樣才能保障鑿巖臺(tái)作業(yè)時(shí)的場地的穩(wěn)定性[6]。完成場地平整后要做好排水工作，將場地內(nèi)的雨水等通過引流方式排到場地外，鉆孔排水要利用沉淀池進(jìn)行沉淀后才可排放。

（3）材料。該施工技術(shù)應(yīng)用過程中會(huì)應(yīng)用到多種型號(hào)的中、大號(hào)管棚，管棚分段時(shí)首先保障各節(jié)段接頭錯(cuò)開，并結(jié)合管棚設(shè)計(jì)長度保障分段合理；注漿時(shí)主要使用水泥砂漿或者水泥凈漿作為主材。本次隧道工程使用的管棚規(guī)格為φ114mm和φ89mm，根據(jù)設(shè)計(jì)要求將管棚分為四個(gè)節(jié)段，每節(jié)長度1m+2m組合成的3m節(jié)段。通過這種組合形式可保障接頭錯(cuò)位搭接，注漿施工時(shí)使用的是水泥凈漿。進(jìn)場材料一律使用的方木作為支墊，避免材料出現(xiàn)腐蝕等現(xiàn)象。

3.3 管棚鉆孔安裝

（1）鑿巖臺(tái)車定位。在定位施工之前首先必須要充分保障鑿巖臺(tái)車支立保持穩(wěn)固，此后即可將首節(jié)鉆桿與鉆機(jī)進(jìn)行相互連接，此時(shí)鉆桿鉆頭通過螺旋鉆頭可在通過管棚與鉆頭之間實(shí)現(xiàn)相互鑲嵌連接，外漏部分要保障處于鉆壁最前端。針對(duì)每一節(jié)管棚首節(jié)段前及后端中心高程差以及偏距差等參數(shù)要通過鉆孔設(shè)計(jì)角度進(jìn)行精確計(jì)算，同時(shí)也可對(duì)鉆孔角度形成有效控制。本次工程中使用的鑿巖臺(tái)本身為配置自動(dòng)定位功能，鑒于此，定位角度需要通過全站儀進(jìn)行控制[7]。

本次工程設(shè)計(jì)中針對(duì)管棚的布置模式主要采取的是錐形發(fā)散的方式，通過標(biāo)高和偏距實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整。首先，針對(duì)管棚每根首節(jié)段3m前、后端高程差以及偏距差等參數(shù)參照設(shè)計(jì)角度及縱坡等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，鉆壁前段配置了定位裝置，這樣即可保障管棚前端可順利進(jìn)入標(biāo)記入巖點(diǎn)；其次，完成前端管棚中心線的數(shù)據(jù)測量后，即可以此為基礎(chǔ)計(jì)算出后端的中心線坐標(biāo)，并結(jié)合結(jié)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)大小臂的合理調(diào)整，當(dāng)計(jì)算數(shù)據(jù)與中心線實(shí)際測量數(shù)據(jù)相吻合即可滿足鉆進(jìn)過程中的角度設(shè)計(jì)需求；此后可以將定位裝置頂入巖體中，鑿巖臺(tái)車在整個(gè)鉆井施工過程中必須保障可影響鉆進(jìn)施工方向的部位不會(huì)產(chǎn)生偏移。

（2）鉆孔安裝。完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后即可根據(jù)自下而上的原則逐步完成管棚自進(jìn)式鉆孔安裝施工。隨著鉆進(jìn)施工的不斷持續(xù)并達(dá)到管身最后一環(huán)的情況下，注漿孔應(yīng)該剛好穿過導(dǎo)向孔，此時(shí)即可停鉆，并利用高壓水對(duì)鉆孔開展30-60s反復(fù)沖洗。徹底清除鉆孔內(nèi)部鉆渣后即可利用管鉗將鉆桿尾部卡主，此時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)通過旋轉(zhuǎn)即可進(jìn)一步分離鉆機(jī)和鉆桿，鉆桿在整個(gè)分離過程中要確保不能產(chǎn)生向后位移。

鉆進(jìn)施工過程中，作業(yè)人員需要在第二段管棚中穿入接長鉆桿。在卸完首節(jié)鉆桿之后需要利用鑿巖臺(tái)車自帶作業(yè)平臺(tái)將接長鉆桿和管棚運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)鉆臂上，并在管棚托架上妥善放置，首先連接鉆機(jī)和接長鉆桿，隨后通過鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和前后運(yùn)動(dòng)讓首節(jié)鉆桿與接長鉆桿互相連接。

在連接管棚的過程中首先需要將已鉆進(jìn)的首節(jié)管棚通過離心鉗牢固卡住；并利用離心前完成管棚接長，在連接過程中要充分保障絲扣連接到位，通過上述步驟反復(fù)操作即可完成單根管棚鉆機(jī)安裝。

（3）完成管棚安裝。單根管棚在完成安裝后必須利用高壓水對(duì)鉆孔進(jìn)行30~60s的沖洗。徹底清除其中的鉆渣之后即可小幅度反鉆，這樣管棚鉆頭與鉆頭之間即可實(shí)現(xiàn)分離，如通過反鉆無法實(shí)現(xiàn)兩者脫離可通過振沖方式讓連接位置松動(dòng)。隨后通過后退鉆機(jī)可帶出管棚內(nèi)部的鉆桿和鉆頭，并將管棚留在巖體內(nèi)部，相互間連接的鉆桿利用管鉗和振沖相互配合后也可實(shí)現(xiàn)分離，退出所有鉆桿之后通過移動(dòng)鉆臂來為下一個(gè)管棚安裝施工做好準(zhǔn)備。

3.4 管棚注漿

當(dāng)管棚持續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)空間足夠的情況下，即可通過自下而上的方法來開始進(jìn)行注漿。在進(jìn)行注漿施工之前，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比完成水泥和外加劑混合，在拌合過程中要對(duì)水量添加進(jìn)行合理把握，隨后在指定位置放置好注漿管，并打開注漿機(jī)，當(dāng)注漿管內(nèi)部充滿均勻漿液的情況下即可關(guān)閉注漿機(jī)。隨后將注漿閥和注漿管相互連接后重新啟動(dòng)注漿機(jī)，并開始逐步向管棚內(nèi)部注漿，當(dāng)排氣孔中溢出漿液，且注漿壓力在0.5MPa的情況下維持三分鐘以上即可關(guān)停閥門，此時(shí)即完成注漿施工。根據(jù)上述步驟采取自下而上方式即可依次完成管棚注漿[8]。

4 效果分析

本次針對(duì)該高速公路隧道工程通過管棚自進(jìn)式安裝技術(shù)目前已經(jīng)高質(zhì)量完成了4750mΦ89mm管棚以及4875mΦ114mm管棚的安全施工。在應(yīng)用該施工技術(shù)后隧道掘進(jìn)施工過程中可以不必再進(jìn)行導(dǎo)向管、導(dǎo)向墻等相關(guān)工程施工，洞內(nèi)支架搭設(shè)工作量得到極大削減，同時(shí)隧道工程施工的安全風(fēng)險(xiǎn)和管控難度相對(duì)更低。

從本次工程施工的應(yīng)用狀況可知，該施工技術(shù)在隧道工程施工中的應(yīng)用可以極大削減工程一次性投入成本，而且施工周期更短，可明顯提升隧道工程施工效率。由于該新技術(shù)在應(yīng)用過程中所涉及到的相關(guān)機(jī)械設(shè)備還可在錨桿鉆孔、隧道內(nèi)炮眼鉆孔等施工工序中得到應(yīng)用，從綜合成本角度來看，相較于傳統(tǒng)施工工藝其可節(jié)約14%左右的時(shí)間成本，在隧道工程管棚施工量較大的工程中應(yīng)用能夠體現(xiàn)出顯著經(jīng)濟(jì)效益。而且該技術(shù)與大型機(jī)械設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)相互協(xié)調(diào)，從而極大簡化管棚安裝工藝，其不僅體現(xiàn)出了安裝效率高、管棚綜合成本低、施工工期短等一些特征，而且可以極大壓縮時(shí)間成本。

5 結(jié)論

在當(dāng)今隧道工程施工過程中大型電力驅(qū)動(dòng)鑿巖設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)隧道工程中的人海戰(zhàn)術(shù)逐步向著自動(dòng)化、機(jī)械化方向發(fā)展，因此在當(dāng)今隧道工程施工過程中對(duì)新型管棚施工技術(shù)的要求更加迫切。管棚自進(jìn)式鉆孔安裝技術(shù)的應(yīng)用能夠與部分傳統(tǒng)工藝設(shè)備進(jìn)行有效兼容，在全面提升工程施工質(zhì)量的同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)施工效率的有效改善。通過鉆桿與管棚相結(jié)合的組合式鉆桿模式，可進(jìn)一步提升鉆桿強(qiáng)度，也可有效避免傳統(tǒng)施工模式下鉆桿遇軟下沉、遇硬上飄等一些弊端，而且可以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)角度偏差的可控，有效滿足隧道施工的實(shí)際需求，使得當(dāng)今隧道工程施工過程中管棚安裝角度控制難的問題得到了有效解決。