1、064邹其兵长管棚在浅埋软弱隧道施工中的应用长管棚在浅埋软弱隧道施工中的应用（隧道工）论文姓 名： 邹 其 兵 单 位：中铁隧道集团 长管棚在浅埋软弱隧道施工中的应用邹其兵提要：本文就长管棚这一新的支护技术，在浅埋、软弱土体段吉坑隧道中，作为超前支护体系中的应用作一总结，以供相类似工程参考。关键词：长管棚 软弱 隧道 应用一、前言长管棚施工是隧道施工的主要辅助措施之一，在软弱、破碎、卵石层等不良地质条件下的隧道施工中常有采用。在福宁高速公路A5合同段吉坑隧道施工中，采用28m长管棚作为超前支护体系，尽早进行正洞掘进，从施工长管棚后的开挖效果看，此法对隧道施工安全与进度都较有利，施工质量好、工期
2、短，经济效益、社会效益显著，为浅埋软弱土层隧道施工提供了一定的经验。二、工程概况黄梅山隧道是马芜高速公路中较长的隧道之一，位于安徽省马鞍山市。隧道全长530m，为双线四车道公路隧道。本隧道所通过山体地层主要为下白垩统石帽山群晶屑凝灰岩、凝灰岩及碎石、块石和第四系残坡积地层，局部发育岩堆。进洞口主要岩石成分晶屑凝灰岩，粒径0.51.5m为主，层厚15m，充填为亚粘土及碎石，为浅埋、软弱等不良地质。设计采用28m长管棚超前支护体系，作为隧道进洞的辅助措施，并与初期支护相结合，共同组成支护体系，确保稳妥进洞。三、施工工艺（一） 工艺原理长管棚施工是在软弱地层或岩层裂缝中钻孔并打入管棚钢管，利用注浆机
3、具向管内注入具有一定压力且有一定胶凝时间的浆液，对管棚周围的软弱、松散岩体进行固结，使土层或岩层的力学性质得以改善，形成一个整体棚架式的加固拱圈，从而起到超前支护作用。（二） 工艺流程（见图1）图1 管棚施工工艺流程邹其兵（三）施工方法1、 施作钢筋砼套拱套拱在明洞衬砌轮廓线以外施作。套拱砼内埋设4榀I18钢拱架，并安设控制钻孔方向的127孔口管。套拱的主要作用是保持导向管管口的稳定和定位。施工中，即要做到牢固可靠，又要保证位置正确。（1）测量放线测量时应准确控制衬砌外轮廓线的空间位置。计算控制点坐标并设定在仰坡坡面上，桩位用10mm、长3540cm的钢筋打入坡面30cm，作为孔口的中心点，孔
4、口管孔位按设计要求布设，误差应控制在50mm以内。（2）架立钢拱架根据钢管设计位置架设并定位钢拱架。为准确控制钢管仰角，相邻钢拱架的高度亦应保持一定的仰角。钢拱架加工应符合GBJ205-95钢结构工程施工及验收规范，准确度应高。钢架安装垂直度偏差为2，中线及高程允许偏差为50mm。（3）安设导向管钢拱架准确架立后，其上安设1274.5mm长2m的孔口管，间距50cm，孔口管与钢拱架焊成一体，保证孔口管稳固可靠，并用经纬仪准确测定其角度及方向，确保其角度与方向与设计值一致。（4）施作套拱砼套拱模板可采用组合钢模板，内外模用连接筋联成一体。套拱面须与岩面密贴，砼脱模后及时对靠岩面处进行喷浆封闭，以
5、免注浆时造成边坡破裂而漏浆，影响注浆效果，如图2所示： 图2 喷浆封闭示意图 2、钻机就位为加快施工进度，施工中配备两台MK-5型地质钻机平行作业，由两侧向中间方向施工，钻机距工作面距离不小于2m。（1） 搭设作业平台钻机作业平台采用1218cm方木按“井”字形搭设，并将预留的核心土整平夯实，方木间用扒钉铆钉牢固，以利安装和固定钻机，防止施钻时摆动、移位倾斜等影响钻孔质量。（2）钻孔定向根据孔口管的倾角和方向，利用钻杆的延伸和吊锤准确确定钻孔的方向，即可固定钻机。然后利用钻机的变角度油缸，参照导向管的倾角确定钻机的倾角，确保钻杆线与开孔角度一致，以达到钻进的导向作用。（3）钻机的固定钻机就位前
6、，可先利用M20的螺栓将钻机固定在基台木上，再按确定好的方位角将基台木固定在搭设的井型钻作业平台上，四周用横木支撑，必要时打设地锚。3、钻孔采用空压机干式成孔，先打有孔钢花管（奇数孔），每钻完一孔便顶进一根钢管，注浆后再打无孔钢管孔（偶数孔）。如钻进时不能成孔，可采用预注浆成孔法。（1）钻具的连接根据施工中的碎石土岩性，采用风动冲击器+螺旋钻杆组合钻具进行钻进。冲击器（直径110mm）后直接接110mm的螺旋钻杆，一则利于排碴，二则便于保直，螺旋钻杆的长度以1.54.5m为宜，后接73mm的钻杆。（2） 开孔 为了保证孔口的成孔质量，开孔时宜用小给进力、高转速。给进力一般0.51.0Mpa，转
7、速80100转/分钟，每钻进40cm时，退出扫孔，后再钻进。待成孔23m时，再加压全速钻进。（3）钻进钻进时，如遇到岩层或孤石时，为保证钻进效率，可适时增加钻机的给进力，降低转速。给进力一般1.02.5Mpa，转速6080转/分钟，每钻进5080cm时退出扫孔。扫孔时，给进速度应控制在1m/分钟；如遇到土层或土加石层时，应先背压，后给进，使给进与起拔的压差保证在1.0Mpa以下，并控制给进速度1m/分钟，便于孔内排碴，至钻杆回转时无较大跳动为宜。钻进过程中应经常用测斜仪测量方位角，随时检查钻孔方向的准确性。成孔一半时，应用108套管测量控制偏斜度，确保成孔偏差在0.25m范围内。（4）扫孔成孔
8、后用108mm岩芯管进行扫孔，目的是顺孔及清碴，岩芯管长2.5m。为保证管棚钢管顺利下到孔底，每钻进5m，应全部将钻具退出孔外，再控制给进度1m/分钟，扫孔至孔底，直到钻具能顺利下到孔底无阻力为止。（5）地质分析钻进过程中应根据钻进速度、岩土取芯、司钻压力等情况判断孔内地质情况。如钻速加快，说明地质变软或前方出现溶洞等现象；如钻速减慢，说明地质变硬。施工中应及时做好原始施工记录并绘制地质剖面图和展开图，为控制钻进度速度及隧道开挖提供施工依据。4、顶管（安装管棚钢管）管棚钢管采用钻机顶进，如遇故障。须重新清孔后再将钢管顶入。地质条件较差时，顶管应及时、快速，以保证钻孔稳定时将管子送至孔底，防止时
9、间过长造成塌孔而影响顶管。钢管采用1086mm热轧无缝钢管，节长3m、6m。其中，编号为奇数的钢管孔第一节管采用3m长的钢管，其他的均采用6m长的钢管，以使钢管接头错开。钢管节间均采用公母丝扣联接，便于顺利下管或遇阻拔管。5、管棚注浆管棚注浆是为了固结管棚钢管周围一定范围内的岩体，是管棚施工的一项重要工序，施工中必须加强注浆质量，否则，难以达到设计效果。注浆参数如下：浆液扩散半径0.5m水泥浆水灰比1:1水玻璃浓度 35波美度，水玻璃模数 2.4注浆压力 初压0.51.0Mpa，终压2.0Mpa（1）注浆方式的选择 注浆前应进行单液注浆试验，以水泥为主，添加5%的水玻璃，如注浆效果好，达到固结
10、岩体的目的，则可采用单液注浆；如可灌性差，再进行水泥、水玻璃双液注浆实验，一般水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.5。（2）注浆方法 注浆前应在导向管上编号，奇数孔为有孔钢花管，偶数孔为无孔钢管。首先施工有孔钢花管，每钻完一孔便顶进一根钢花管，并及时注入水泥水玻璃双液浆，再打无孔钢管，无孔钢管作为检查管，以检查钢花管的注浆质量。为增强钢管刚度，钢管内注入30号水泥砂浆。注浆采用从孔口一次注入法，搅拌均匀的浆液通过注浆管路、孔口控制阀进入钢管，同时孔口上部设一排气孔，以便浆液进入钢管时，将管内空气排出，待浆液充满钢管，从排气管溢出时，关闭排气阀门，进行终压注浆。（3）注浆结束标准一般按单孔注浆量达到
11、设计注浆量作为结束标准；当注浆压力达到设计终压并持荷不少于20分钟，进浆量仍达不到设计注浆量时，也可结束注浆。（4）注浆注意事项1 注浆前应认真检修机具，对管路系统如混合器、接头、阀门等，如有破损应予以更换；2 注浆所用水泥无结块、无杂物，砂子应洁净并过筛；3 注浆管路的连接应牢固，并认真检查，保证注浆管内无杂物，以免堵塞管路；4 注浆结束，所有接头、阀门、管路等均应清洗干净；5 注浆作业要前后配合，统一指挥，以期达到预期的注浆目的和效果；6 认真做好注浆记录，对每孔注浆量、注浆压力、有无跑浆、窜浆情况等及时填写清楚。四、机具设备管棚施工主要机具设备包括地质钻机、注浆机及其他配套设备。（一）地
12、质钻机MK-5型地质钻机分主机、泵站、操纵台三大部分，各部分之间用软管连接。主机由回转器、夹持器、给进装置、机架组成，见图3。 1、提升架 2、回转器 3、夹持器 4、机架图3 主机构造示意图该机主要技术参数见表1。 表1 地质钻机主要技术参数表钻孔深度500m起拔能力50KN钻杆直径50mm给进速度0.50m/s开孔直径150mm起拔速度0.50m/s终孔直径95mm液压系统额定压力21Mpa钻孔倾角090电动机功率30KW回转速度10320r/min主机机形尺寸（长宽高）2.30.81.3m给进能力50KN钻机总重量1500kg（二）注浆机管棚注浆机具采用KBY-50/70型注浆泵，外形尺
13、寸：1300720700mm，流量50L/min，压力0.57Mpa,重量300kg。该机具有结构紧凑、性能稳定、压力可调、体积小、重量轻、易解体搬运等特点；分别具有高、中、低三个不同的压力、流量等级，既可单液注浆，又可双液注浆；是一种技术先进、制造精良，使用可靠的注浆设备。（三）配套设备（见表2）表2 管棚施工主要配套设备序号设备名称规格单位数量1内燃空压机VHP-700台12拌浆机双桶台13钻头冲击、合金个各6五、劳力组织管棚施工安排两台钻机同时作业，并且实行三班制。其劳动力组织见表3。表3 劳力组织序号工种工作内容配置人数每班人数1施工负责人负责组织管理，安排施工12技术负责人施工技术指
14、导13质检员质量检查、施工记录314试验员浆液配制与检测315钻机司机钻机操作及成孔626注浆机司机注浆机操作及注浆317拌浆工浆液计量、拌合1248电焊工钢管焊接及加工319空压机司机负责风压控制31410机修工机械检修、保养6211普工其他劳务6212合计4715六、质量控制要点（一） 套拱施作1、洞口开挖要预留核心土（810m），以利搭建作业平台及安装钻机； 2、钢拱架加工一定要标准，以利准确安设导向管； 3、导向管定位应准确，除仰角外，还应考虑两侧的外插角； 4、导向管安装应与外模平行，管口应有填塞物以利钻孔焊接； 5、套拱施作完毕，应及时对靠岩面处进行喷浆封闭。（二） 成孔1、成孔设
15、备就位后，必须平整、稳固，确保施工中不发生倾斜和移位；2、钻进时应加强扫孔，确保顶管顺利；3、钻进过程时应经常用测斜仪测量方位角，并采取相应的导向措施；4、为保证管棚的刚度，相邻钢管的接头至少错开1m，同一断面内的接头数不大于50%。5、成孔深度施工误差：20cm；孔位误差：50mm（三） 注浆1、注浆前应进行注浆试验，选择最佳浆液配比及最佳胶凝时间，以达到设计注浆效果；2、注浆机具应认真检查，满足设计注浆流量及设计压力；3、为确保钻孔顺利，必须采用钻一注入的方法施工；4、为保证管棚钢管有足够的刚度，钢管内注入30号水泥砂浆。七、安全保证措施1、 严格按操作规程施工，司机持证上岗；2、 钻机在
16、钻进时必须将作业平台搭设牢固，并与地锚固定，防止钻机倾覆；3、 应经常检查钻杆的卡扣松紧程度，转向装量是否灵活，并严禁反钻，以防止突然掉钻；4、 在软弱土层中钻孔，必须注意孔内坍方情况，否则必须将钻机及时起拔，并反复扫孔，防止钻杆掉入孔内；5、 注浆时应认真检查管路连接情况，防止破损伤人；6、 所有的机械电缆应定期检查，防止漏电。八、主要成果分析 1、MK-5型地质钻机操作简单，易维修，操作占地面积小，利于多台钻机同时施工； 2、长管棚作为超前支护既能探明前方的地质情况也能探明前方地下水情况，为开挖施工提供了较为准确的依据； 3、管棚成孔长度可达50m，能固结周围岩体整体性好，开挖掘进后，管棚
17、受力明显，较小导管超前支护具有较好的支护效果； 4、管棚施工能适用于各种复杂地层，尤其是松软地层，具有超前小导管不可替代的优越性； 5、管棚施工可一次性成孔，质量宜控制，与超前小导管支护相比，综合成本低兼，经济效益显著； 6、为更有效地发挥管棚的支护作用，钢管内可加钢筋束。九、结束语长管棚施工作为一种新工艺、新方法，虽然在我处尚属首次自行施工，但从施工后的隧道开挖效果看，管棚受力明显，没有产生坍塌极大的下沉，施工进度加快，综合效益显著，得到了业主及现场监理的高度评价。但长管棚施工成孔难度较大，且注浆效果难以掌握，这些都有待于各位技术专家与学者进一步的研究，从而使长管棚施工在浅埋软弱土质隧道中发挥更大的作用。参考文献：1 关宝树. 隧道工程施工要点集. 北京：人民交通出版社，2003.
