大管棚施工技术总结(成渝

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1、技术总结技术员：张光建中铁二局集团四公司成渝高铁项目经理部大管棚施工技术V 、耳丄一亠1 前言1.1 概述 现代隧道施工技术相对于传统的“矿山法”已有明显的提高。在软弱围岩中采用暗挖法施工时 保证掌子面前方围岩的稳定始终是最关键的施工技术之一。从二十世纪九十年代中后期开始，超前 预支护技术得到了极大发展。这些方法包括：超前小导管、超前锚扞、管棚、预衬砌、水平高压旋 喷压注、围岩注浆等。大管棚施工技术在我国地下工程施工处理特殊及不良地质隧道时，得到了广 泛应用，并取得了较好的效果。1.2 工艺原理在隧道开挖前沿开挖轮廓线钻设与隧道轴线平行的钻孔，然后插入不同直径的钢管，并向管内注浆，固结管周围的

2、围岩形成棚架支护体系。主要作用是提高管周围岩体的抗剪强度，达到加固围 岩并扩散围岩压力的作用；大管棚结构的抗弯、抗剪功能可有效承载局部松弛的地层荷载，适时提 供隧道开挖后而支护尚未施作或发挥作用前所需的支撑力，使隧道开挖面得以安全稳定并同支护和 结构形成空间支撑系统。1.3 工艺特点(1) 施工机具设备简单，施工简便；特殊及不良地质隧道的开挖安全；1.4 定义及适用范围1.4.1 定义 大管棚超前支护就是为了保证隧道开挖的安全，利用隧道管棚机在隧道开挖工作面的拱部外周 钻设水平孔，插入直径为70180mm钢管，并进行注浆固结地层，使隧道拱顶形成一伞状保护环。大管棚常采用直径为70127mm钢管

3、，特别地段也有采用直径300500mm大钢管。壁厚一 般不小于6mm。工程中多采用108mmX6mm厚热扎无缝钢管；钢管中心间距宜为管径的23倍；管 棚长度根据地质、机械设备及施工条件确定，一般为1040m。如需设置的管棚段落过长可分组设 置，纵向两组管棚的搭接长度应大于3.0m。1.4.2 适用范围1隧道洞口浅埋地段或软弱破碎围岩地段进洞施工；富水软弱破碎地质、沙砾地层、岩溶地质等不良地质地段的隧道开挖辅助措施；作为公路、铁路或地下结构物下方修建隧道的辅助工法；隧道坍方的处理；2 施工工艺2.1 施工准备及工艺流程图2.1.1 管棚的加工制作管棚钢管直径宜为70127mm，一般采用108mm

4、，壁厚6mm的热轧无缝钢管。管棚钢管单节 长度通常为46m (就取4m和6m，这样能确保接头相间错开，切错开1m以上)，接头采用1520cm长丝扣连接（套管采用内丝扣，钢管端采用外丝扣），以保证连接强度和顺直；钢管接头位置应错开， 避免设置在同一横断面上。钢管壁加工注浆花孔，孔径一般为68mm，间距1015cm, 周4 排左右，呈梅花形排列，前端为尖形，尾端50cm范围内不钻孔作为止浆段。图 1：大管棚施工工艺流程图2.1.2 测量定位根据设计的大管棚和导向墙位置，分别用全站仪和精密水准仪进行管棚位置和导向墙位置的放 样，特别要控制大管棚位置与隧道开挖线之间的距离，以免出现大管棚位置侵入隧道初

5、期支护或衬 砌混凝土的现象。图2:大管棚布置图Illi I2.2开挖工作室施作导向墙2.2.1开挖工作室 为设立管棚推进基地和钻孔施工空间，在地下工程洞内施作大管棚的开端应开挖工作室。工作 室的开挖尺寸应根据钻机和钢管推进机的规格确定，一般应超出隧道外轮廓线0.51.0m，并设钢 支架。2.2.2施作导向墙 一般情况为便于施钻和提高钻孔精度，常在明挖和暗挖交界处(或隧道坍塌位置)施作混凝土 导向墙。(1) 导向墙在隧道外廓线以外施作，内埋设34榀工字型钢支撑，钢支撑与管棚孔口管焊成整 体。孔口套管沿拱圈环向布设，孔径比管棚钢管大2030mm。(2) 孔口套管间距、位置及方向应准确。用经纬仪以坐

6、标法在工字钢架上定出其平面位置；用 激光导向仪设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上， 防止浇筑混凝土时产生位移。2.3钻机配置钻机选型由一次钻孔深度和孔径决定。如采用直径70127mm大管棚时，根据现场实际情况， 可选用YG型全液压驱动动力头式钻机、KQL型钻机或者其他地质钻机。这里介绍YG50型全液压驱 动动力头式钻机。2.3.1钻机主要技术参数为：钻孔深度：50m 钻孔直径90168mm钻孔倾角090动力头行程1800mm桅杆滑移行程500mm最大输出扭矩2000Nm动力头输出转速(正反)5120转最大体升力 30KN 最大给进力 15 KN电动机型

7、号Y180M-4 功率18.5KW液压系统额定压力 20MPa主机外形尺寸3000X1000X1500m2.3.2 钻机主要特点：(1) 钻机钻进能力强，适用范围广；钻进速度快，处理事故能力强，钻进效率高。(2) 钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻具。动力头及孔口板调转方向可直 接钻凿仰孔，大大增加钻孔倾角范围。(3) 钻机机架前部设有上下调节立柱，可调节桅杆高度，施工时对孔位快捷方便。(4) 钻机结构为分体式，管路连接采用快速接头，可拆性好，安装迅速；可远距离进行操 纵。(5) 钻机全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，维修方便。(6) 钻机可适用多种钻进工艺方法，如合金回转钻进、

8、螺旋钻进、潜孔锤钻进、跟管钻进 等。搭设钻孔平台架设钻机。2.4钻孔2.4.1钻机就位(1) 钻机平台一般用钢管脚手架搭设。平台搭设长度为钻机长度(单根管棚长度)加50cm。搭设 平台应一次性搭好，可同时采用多台钻机进行钻孔；钻孔时应避免钻机互相影响，便于钻机定位。(2) 平台支撑连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质 量的现象发生。平台上可准备短方木若干，以备调准钻机高度时使用。(3) 钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、激 光导向仪导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻进时的倾角、仰角。2.4.2导向控制导向技术人员随

9、着导向孔的钻进，必须时刻观察探头角度变化情况，角度偏差大于0.3时， 应及时纠偏。当纠偏无效、偏差大于0.6时，应停止钻进，及时报告，研究对策后再施工。现场 须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录。根据不同的导向系统，进行导 向孔水平偏差调整和导向孔高程偏差调整。2.4.3钻进技巧为了便于安装钢管，钻头直径采用比大管棚钢管直径大510mm的钻头。钻孔前先检查钻机 机械状况是否正常。根据预埋的钢套管作为导向管进行钻孔。掌子面必须按要求先喷一层素混凝土作为止浆墙， 以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。钻机开钻时，可低速低压，待成孔达到一定深度后，可根据地质情况逐渐调整

10、钻速及风压。钻孔时根据情况确定是否加泥浆或水泥浆钻进。岩质较好可以一次成孔。钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。钻孔速度应保持匀速，特别是钻头遇到夹泥夹沙层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。 当钻至砂层易塌孔时，应加泥浆护壁方可继续钻进；如不能成孔时，可加套筒或将钻头直接焊接在 钢管前端钻进。为避免钻杆太长，钻头因自重下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度控制 在13之间，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。在遇到松散的堆积层和破碎地质时，在钻进中可以考虑增加套管护壁，确保钻机顺利钻进和 钢管顺利顶进。在塌方体钻进时由于有大量钢格栅、锚杆、注浆小导管，一般钻头遇到

11、这种情况无 法继续钻进，所以在钻孔初期用专门设计的合金钻头进行切割。这种合金钻可切割螺纹钢、小导管 钢板等。一般当钻孔深度达到2m后，受倾角控制，钢格栅、锚杆、注浆小导管已基本不再出现，此 时改用潜孔锤钻进，压缩空气清孔，潜孔锤后连接4m长扶正器，以便保证钻孔方向与孔的轴线吻合。认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质 预探预报，亦作为指导洞身开挖的依据。2.5清孔验孔通常用地质岩芯钻杆配合钻头进行来回扫孔，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求、 防止堵孔。用高压风从孔底向孔口清理钻渣。用经纬仪、测斜仪等检测孔深，倾角，外插角。2.6安装管棚钢管钻孔完

12、成后及时安设管棚钢管，避免出现塌孔。棚管顶进采用大孔引导和棚管机钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后可 用10 t以上卷扬机配合滑轮组反压顶进，也可利用钻机的冲击力和推力低速顶进钢管。钢管在专用的管床上加工好丝扣，棚管四周钻68mm出浆孔。钢管逐节顶入，采用丝扣 连接，丝扣长1520cm。为保证管棚钢管的焊接相连处不集中在同一断面，相邻两孔的管棚钢管接头应前后错开，确 保受力情况良好。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。对长大管棚为加 强其刚度，可在钢管内加钢筋笼然后再注浆。及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀，并检查焊接强度

13、和密实度。2.7管棚注浆2.7.1浆液配置注浆材料及配合比：注浆材料和配比根据试验现场确定，一般情况下注浆浆液多采用水泥砂浆 或水泥水玻璃双液浆。对于有空洞较多的坍方体，可采用先注水泥砂浆，等到注入压力达到预计 压力时，注入水泥一水玻璃双液浆。水泥可采用标号32.5 （R）以上普通硅酸盐水泥。水泥砂浆浆 液水灰比宜为0.5:11:1；双液浆配合比为水泥浆：水玻璃（体积比）=1：1。单根钢管理论注浆量：（不同的地层计算数值有所不同）Q二nRNnaB式中：L为钢管总长度；R为浆液扩散半径；n为地层孔隙率；a为浆液有效充填率；B为浆 液损耗系数。2.7.2注浆管的设置注浆采用分段后退式注浆，利用自制

14、的注浆套管与管棚用套丝连接，注浆套管上准备出气管与 进浆管，由阀门来控制开关，如图3所示。然后安装塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路， 利用锚固剂封闭掌子面与管棚间的孔隙，防止漏浆。关闭孔口阀门，开启注浆泵进行管路压水试验 如有泄漏及时检修，试验压力等于注浆终压。见注浆管示意图。图3注浆管示意图2.7.3注浆控制(1)管棚施工完成后开始注浆，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，同时对管口与孔口外侧进行密封 处理。水泥砂浆浆液采用拌合机制浆，采用液压注浆机将浆液注入管棚钢管内，注浆前先检查管路 和机械状况，确认正常后做压浆实验，确定合理的注浆参数，据以施工。注浆分两步完成，当第一次注浆的浆液充分收缩

15、后，进行第二次注浆，以使管棚填充密实。 注浆采取注浆终压和注浆量双控措施，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。初压0.5MPa1.0 MPa为 宜，终压宜控制在2 MPa，持压35 min后停止注浆，注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍。若注浆 量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，直至符合注浆质量标准，确保钻孔周围岩体 与钢管周围孔隙均为浆液充填，方可终止注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停 机检查。注浆结束后及时清除管内浆液，并用不低于30号的水泥砂浆充填，增强管棚的刚度和强度。注浆过程应派专人负责，填写注浆记录表，记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据, 观察压力表值，监

16、控连通装置，避免因压力猛增而发生异常情况。为防止注浆浆液到处扩散，可根据隧道的实际情况，设置浆砌片石、混凝土或挂网喷射混凝 土等形式的止浆墙。2.7.4注浆效果判断1对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况。管棚注浆后再打无孔管作为检查管，检查注浆质量。有水地层可观察无孔管孔内涌水颜色及涌 水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，应 补注或重注。图 4: 大管棚施工工艺流程图（以水泥砂浆为例）3 劳动力组织及进度指标3.1 劳动力组织 管棚施工工序多，工种杂、技术性强，管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的质量 一般情况一台钻机每天按三班作业，

17、其劳力组织见下表：表 1:大管棚施工劳动力组织表序号工种名称单位人数工作范围备注1班长人1负责施工指挥、安全质量管理等2技术人员人1负责施工技术指导3测量工人1负责布孔、定位、量测4修理工人1负责机器维修5钻机司机人2负责钻机操作6电焊工人1负责电焊作业7钻工人8负责破孔、移动钻机、装卸钻杆、安装钢管、拌浆注浆等合计153.2 进度指标:按每小时进度3m,每班作业6小时计，则每个作业班可进尺18m, 一天可完成54m的钻进作业（包 括注浆）。4机具设备配置序号设备名称单位数量规格型号主要性能指标备注1钻机套1台 以上液压驱动动力头式钻机常用地质钻机3注浆机台2单液或双液机4搅浆机台1拌合浆液5

18、砼搅拌机台1JZ3506电动空压机台27经纬仪台18精密水准仪台1DS10.4mm/Km9激光导向仪套1LCG115mm/100m10电焊机台2AX-500A10W11喷射机台2DZ-5B 5m3/h5.5KW12卷扬机台110t顶管用13电动葫芦台214钢管脚手架吨10据现场要求15水平测斜仪套1TBW250/5018.5KW16钢筋切割机台117钢筋弯曲机台118马氏漏斗粘度 测定仪器套1泥浆粘度测定表2:大管棚施工施工机具配置表5质量控制要点5.1钻孔质量控制5.1.1钻机定位检查必须经常检查支架的稳固性，发现问题及时进行加固处理；测量人员应在支架顶面设置测量 观测点，用经纬仪和精密水准

19、仪对观测点进行测量，检查支架是否发生偏移或下沉。钻孔时，每钻进2m，用经纬仪进行一次钻杆轴线检查，误差超限及时纠偏。根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，要分析钻进速度变化较大的原因，是钻进岩层改变, 还是钻机发生了偏移。5.1.2泥浆配置检查有些地层钻进时，由于岩体松散或对地面沉降要求较高，钻机钻进时需使用泥浆成孔。不同的地层对泥浆粘度有不同的要求，一般采用马氏漏斗粘度进行测定。膨润土泥浆适宜环境PH值在& 510;粘土层中粘土有一定的自稳能力，膨润土泥浆粘度控制在30S左右；粉细砂层中采用膨润土加 少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40S左右。试验室要经常检测泥浆的粘度，并根据不同的岩层，及时调

20、整泥浆的性能指标。5.1.3 钻孔纠偏及检查钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在115。钻机最大下沉量及 左右偏移量为钢管长度的1%左右，并控制在20cm30cm。严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，进行原位重钻。5.2 注浆质量控制要点5.2.1 浆液配置 浆液配置必须按设计配合比进行，试验室根据不同的岩层，选用不同的浆液配合比（如水泥砂浆、水泥水玻璃双液浆等），掺加不同的外加剂；浆液配置所需的水泥、水玻璃、水以及

21、其他外加 剂（如速凝剂等）均要经过试验检测，满足质量要求；浆液拌制必须使用机械拌合，严格控制拌合 的时间；试验室要加强对浆液质量的检查。5.2.2 注浆过程控制注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止 注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再 串浆时再继续注浆。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，同时达到控制注浆量的目的。 注浆时，要根据注浆终压和注浆量双控注浆质量；要经常检查注浆压力表的准确度；要根据 单根钢管注浆量并结合岩体的松散程度，综合考虑注浆量。5.2.3 注浆效果观察、分析 采取

22、抽芯等措施进行注浆效果检查，如注浆效果不好，应分析原因。如未设置止浆墙可能导致浆液外流，由于注浆压力不够或注浆量没有达到计算值造成注浆效果差。6 安全控制要点6.1 作业人员的劳动保护钻机作业人员要戴防尘口罩。作业人员按规定配备安全帽、手套。电焊工等特殊作业人员按照规定配置防护服装。6.2 钻孔作业施工安全操作平台搭设和钻机安装要牢固可靠。掌握好开孔与正常钻进的压力和速度，防止断杆事故。钻孔中如发生卡钻、斜孔、坍孔等故障，应及时采取处理措施。进行钻杆装卸时注意与钻机操作手的配合，避免钻杆未装好前启动钻机导致人员受伤。注意用电安全，安装漏电保护装置。6.3 安装钢管施工安全安装钢管时，相应工作人

23、员应精力集中，防止钻杆、钢管失手扎伤手脚。安装钢管时，钻机操作人员和钢管连接人员要保持联系，钢管连接完毕后才通知钻机操作人 员启动钻机。6.4管棚注浆施工安全(1)泥浆排碴钻机，要作好排水和泥浆池，避免污染环境。 管棚注浆时，施工人员要避免正对注浆管。经常检查并及时更换损坏的注浆管接头。7工程实例7.1成渝高铁缙云山隧道超前大管棚施工7.1.1工程简介缙云山隧道位于重庆市境内壁山九龙坡区段，起讫里程为DK275+355DK278+530,中心里程DK276+942.5，全长3175m，隧区属丘陵地貌，丘槽相间，地形波状起伏，地面高层327637m ,相 对高差20100米，自然横坡530，局部

24、较陡，达70。丘坡上覆土层较薄，基岩部分裸露， 地表多被垦为旱地；沟槽等低洼地带覆土较厚，多被辟为水田。该隧道进口 DK275+510-540为V级II型加强复合型围岩，由于该隧道口地处猫儿坡滑坡，该里程段多为残坡积粉质黏土且含水稍重, 特设置108大管棚对洞口进行底层加固处理，管鹏环向间距为40cm，每环46根，每根35m。7.1.2施工实施过程简介该管棚于2010年11月16日开始施工，12月1日施工完成。施工的主要工序有开挖支护洞口边 仰坡、施作套拱、搭钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆。施工完成后 经注浆效果检查，达到设计要求；于12月5日开始进洞，经过12天的隧道开挖，顺利地通过了洞 口残坡积粉质黏土地段，对拱顶地表测量监控，没有开裂和地表下沉现象。由于导向墙和导向管的 精度比较高，所施工的管棚位置均在误差范围内。7.1.3施工图片7.1.4 工程经验由于施工方案可行和措施得力，管棚施工从开钻到全部结束仅用15天，管棚注浆固砂效果较 好，在施工中取消了原设计的开挖插板工序，节约了工期和成本。施工时，曾有钻头脱落、跟管接管断裂现象。因此，在风积砂地层中应保证接管具有足够的 抗扭和抗弯刚度。