无工作室管棚技术的研究与应用.docx

无工作室管棚技术的研究与应用柳长奔张树（华铁工程咨 询有限责任 公司 ， 北京 100055）摘 要 在复杂隧道及地下工程施工中 ，大管棚作为一种行之有效的超前预支护手段发挥了极其重要的作用 。然 而 ，常规管棚施工 技术存在施工工序多 、工作室扩挖工程量大 、成 本 投 入 高 、质量安全难于确保等多种弊端 。 文 章 在常规管棚施工技术基础上 ，大胆提出取消管棚工作室 ，通过对管棚孔定位及顶进进行优化和调整 ，形 成 了 无 工 作 室管棚施工工法 ；同 时 结 合 工 程 实 例 ，从 技 术 可 行 性 、经 济 合 理 性 、安全可靠性及施工方便性等方面论证了该工法的 优 越 性 ，并在齐岳山隧道 f11 断层中成功应用 。关 键 词 隧 道 超 前 预 支 护 无 工 作 室 管 棚施 工 技 术中 图 分 类 号 ：u455.7+2文 献 标 识 码 ：a峻考验 ，并且 各项参数都 要做出相应 的改变2。1引言2.2常规管棚施 工的难点分 析（1） 扩 挖 工 作 室 的 同 时 会 对 裂 隙 发 育 的 软 弱 围 岩 造 成 一 定 程 度 扰 动3，不 利 于 围 岩 稳 定 ，安 全 得 不 到 有效保证 。在软弱围岩 、高压富水 、裂 隙发育及断 层破碎带等复杂地质 隧道施工中 ， 目前常用的 方法是采用 大 管 棚 进 行 超 前 预 支 护 。 其 具 体 施 工 为 ：将 钢 花 管(导管)安 插 在 已 钻 好 的 孔 中 ，沿 隧 道 开 挖 轮 廓 外 排 列 形 成 钢 管 棚 形 支 护 ，通 过 管 内 注 浆 ，有 时 可 加 钢 筋 笼 ，并 与 型 钢 钢 架 组 合 成 预 支 护 系 统 1， 以 支 承 和 加 固 自稳能力 极低的围岩 ，对防止软弱 围岩下沉 、松 弛和坍塌等有显 著效果 。其特 点是支护能 力强 ，适用于 富 含水的泥岩 、 泥灰岩 、 砂土 质等强风化 地层或破 碎 带，以及深埋 隧道或地面 有重要建筑 物地段 。（2） 随 着 断 面 的 扩 大 ，开 挖 支 护 参 数 都 需 作 相应的改 变 ，因此投入 的人力 、财 力、物力都会 增加 。（3） 工 作 室 需 采 用 径 向 注 浆 或 加 强 初 期 支 护 才 能对 整个开挖轮 廓线外圈 进行加固 。（4） 后 期 对 工 作 室 的 回 填 工 程 量 及 处 理 难 度 均 较大 。无工作室管 棚的施作技 术与方法2.32提出问题及难点分析无工作室管 棚技术是在 常规管棚施 工方法基础上 ，通 过 取 消 管 棚 工 作 室 ，利 用 下 台 阶 为 工 作 平 台 ，对 上 半 断 面 施 作 止 浆 墙 （ 厚 度 一 般 1.52 m）， 实 施 管棚施 工 。 其具体施 工为 ：（1） 由测量人员 在止浆墙上 放出隧道开 挖 轮 廓 线，然 后在开挖轮 廓线内 40 cm 放 线定管棚孔 位 ，并将其顺 序编号 。 有工 作室及无工 作室管棚 开孔断面如图 1、图 2 所示 。2.1常规管棚施 工存在的问 题常 规 管 棚 施 工 之 前 需 要 在 掌 子 面 后 方 58 m范围内施 作管棚工作 室 ， 工作室 扩挖深度一 般要 达到 13 m 才利于施 工 。 隧道开挖 的原则是尽 量不破 坏原有地质 结构 ， 而在软 弱围岩中开 挖工作室不 仅 会破坏原 有地层的 结构 ，使其安 全性能得不 到保障 ， 而且断面变 化后给前期 支护和后期 处理都提出 了 严修改稿返回日期 ：2010-01-22作 者 简 介 ：柳 长 奔 （1965-），男 ，工 程 师 ，从事隧道施工技术管理工作 ，e-mail：.98第 47 卷 第 3 期(总 第 332 期) 2010 年 6 月 出 版vol . 47 ， no . 3 ， total . no . 332 jun . 2010图 1 无工作室管棚断面图 （单 位 ：cm）fig.1 cross-section of non-cavern pipe roofing图 2 常规管棚开孔断面图 （单 位 ：cm）fig.2 cross-section of conventional pipe roofing showing hole-drilling图 3 末 端 管 节 示 意fig.3 schematic of the last pipe section现 代 隧 道 技 术modern tun nelling technology无工作室管 棚技术的研 究与应用（4） 每 根 管 棚 按 长 短 不 一 管 节 通 过 丝 扣 连 接 ，管 节 长 分 别 为 23 m， 且 管 壁 按 15 mm15 mm 梅 花形布置溢 浆孔 ；交错安 装 ，使嵌在围 岩内的管 棚 截面错开 0.51 m。3应用效果分析安全性常规管棚施 工断面大 ， 加 之断面均为 突 变 式 挑 顶 ，为此应选择 围岩均匀 、整体性较好 的围岩稳定 段 扩挖；对软弱 围岩段必须 视其情况增 强支护措施 ，如 钢 架 加 密 支 护 或 施 作 混 凝 土 衬 砌 处 理 方 能 确 保 安 全 ， 施工具有一 定的局限性 。 再者工作室 为突变 式 挑 顶 ，结 构 整 体 受 力 不 均 匀 ，应 力 集 中 ，隧 道 结 构 安 全性受到一 定影响 ； 而采 用无工作 室管棚相对 灵 活 性强，质量安 全保障性高 。3.2 经济性常规管棚工 作室设计段 长度一般以 6 m 为 宜4，拱 墙 部 位 扩 挖 至 正 常 段 开 挖 轮 廓 线 外 1 m 以 上 ，以1.5 抗 水 压 加 强 型 复 合 式 衬 砌 断 面 为 例 ， 其 断 面 高11.15 m、宽 9.48 m，开 挖 断 面 积 84.54 m2；而 管 棚 工 作 室 断 面 最 大 高 度 12.38 m、 宽 11.39 m， 开 挖 断 面 积 109.57 m2， 每 延 米 增 加 开 挖 和 回 填 衬 砌 混 凝 土25 m3，每 循 环 工 作 室 增 加 开 挖 石 方 及 混 凝 土 回 填 量150 m3。3.13.3施工方便性采用优化断 面 ， 通过下台 阶作业平台 实 施 对 上台 阶拱部管棚 施工 。（1） 取 消 工 作 室 ，以 下 台 阶 为 平 台 对 上 半 断 面 实施管 棚施工 ，无需 搭建施工 作业台架 ，直 接凭着钻 机的自身条 件就可以完 成所有钻孔 作业 。（2） 采 用 自 动 行 走 式 钻 机 ，施 工 进 场 和 离 场 时 无需其 他机械辅助 ，进退自如 。（3） 工 人 安 装 管 棚 、法 兰 盘 （球 阀 ）、拆 换 钻 杆 、注浆加固等 无需借助梯 子 ， 直接在 地面上就可 以 完 成施工 。（2）在止浆墙上 安管棚导向 管 ，要求导向 管与管棚孔同心同 轴 ，且与管棚 孔角度方向 一致 ，并按设 计 要求将管棚 孔钻至设计 深度 。（3）将管棚的第 一节制作成 封闭锥形 ，使 其能够 充分深入到 围岩当中 ； 最 后一节管棚 末端制作成 十字 凹 榫 （图 3）。 利 用 钻 机 所 配 置 的 顶 进 器 将 其 推 进 到开挖轮 廓线外 。4工程运用4.1工程概况及 地质条件齐 岳 山 隧 道 属 宜 万 铁 路 八 座 高 风 险 隧 道 之 首 ， 其 主 要 地 质 构 造 是 复 杂 岩 溶 和 高 压 富 水 破 碎 断 层 ， 区域内发育有 15 条断层带和 3 条暗河系统。 其中位第 47 卷 第 3 期(总 第 332 期) 2010 年 6 月 出 版99vol . 47 ， no . 3 ， total . no . 332 jun . 2010图 4 管朋施工工艺流程 fig.4 flow chart of pipe roofing technology图 5 管棚施工纵剖面示意 （单 位 ：cm）fig.5 schematic of longitudinal section of pipe roofing technology注 ：以面向掌子面内轨顶面线向右为 x 轴 正 向 ，隧 道 中 线 向 上 为 y 轴 正 向 ， 其 交 点 为 坐 标 原 点 ； 掘 进 方 向 为 z 轴 正 向 。 量 测这一条直线的角 度 ，若还不能准确钻进 ，再使用经纬仪标定角 度 及 方 位.图 6 孔位坐标布设示意 fig.6 schematic of the coordinates of holes现 代 隧 道 技 术modern tu nnelling technology无工作室管 棚技术的研 究与应用于 得 胜 场 槽 谷 区 的 f11 断 层 沿 隧 道 纵 向 长 约 254 m，规模宏 大 ，岩体破碎 ，成份复杂 ，胶结性差 ，富 含高 压裂隙水，施工风险极大。 隧道正常涌水量 1.1 万 m3/d，最大涌水量 11.4 万 m3/d， 施工中最大单孔涌水 量为1 800 m3/d，正常水压 2.5 mpa，最高水压达 2.8 mpa。4.2技术方案齐 岳 山 隧 道 f11 断 层 施 工 的 总 体 技 术 方 案 为 “注 浆 加 固 、分 水 降 压 、管 棚 超 前 、快 挖 快 支 、加 强 监 控、综合 治理 ”。4.3管棚施工工 艺流程 （图 4）线上，并使用 罗盘 、经纬仪 、悬吊式量角 器对钻机精调，确保钻孔 角度及开 、终孔坐标符 合设计要求 。 同 时充分考虑 钻进中钻头 下挠因素的 下坠值及围 岩软硬不均造成 钻杆截面受 力偏心导致 的孔位偏移 ；适当调整外 插角 ，确保 达到最佳圆 顺成拱效应 。 孔位 可按照 绝对坐标法 布设 ，其外 插角 、孔深及 终孔坐标位置（图 6）通过 如下公式计 算求得 。设开孔坐标 为 b0（x1，y1，z1），终孔坐标 为 b（x2，y2，z2），则：b0b 长：l= 姨（x2-x1）2+（y2-y1）2+（z2-z1）2水平面上投 影长度 ：l= 姨（x2-x1）2+（z2-z1）2平面角 ： =arctg（x2-x1）/（z2-z1）仰角：=arctg（y2-y1）/l4.4施工准备（1） 根 据 钻 具 高 度 预 留 上 断 面 高 度 ，在 上 台 阶底 部 铺 设 临 时 仰 拱 （图 5），钻 机 在 开 孔 钻 进 时 易 于调整角 度 ，并在掌子 面上施作止 浆墙 ，利于 掌子面稳 定及施工方 便 ，也有益于 钻孔施工 。（2） 用 全 站 仪 在 止 浆 墙 上 放 出 管 棚 孔 ， 安 装 钻 孔所需 的导向管 ，钻 机就位 ；并 将施作管棚 的材料运送到工作面 ，合理堆放 。（2） 钻 孔 采 用 间 隔 跳 孔 施 作 ，使 每 个 管 棚 孔 浆液能够 充填密实 ， 也 使得在注 浆过程中不 影响 正 常开 孔钻进 ，注浆 孔和正在钻 进的管棚 孔不串浆 ，确 保 整个管棚段 的超前支护 结构 。（3） 控 制 钻 孔 人 为 因 素 偏 差 ，开 始 钻 进 时 要 充分考虑 钻杆与导向 管内壁的 间隙对钻孔 偏差的影响（导向管内径 一般比管棚 外径大 20 cm 左右 ）。因此， 每 次 开 孔 钻 进 时 如 钻 杆 靠 近 导 向 管 后 端 的 上 下 左 右 ，则前端应靠 近下上右左 ，以减少钻进 振动导致的 钻孔偏差 ，具 体如图 7 所示 。（4） 钻进中及时 检查 ，随时纠 偏 。 一般要求 每孔4.5开孔钻进（1） 移动钻机至 钻孔部位 ，调 整钻机高度 ，将钻 具放入 导向管 ，使导 向管 、钻机 立轴和钻杆 在一条直100第 47 卷 第 3 期(总 第 332 期) 2010 年 6 月 出 版vol . 47 ， no . 3 ， total . no . 332 jun . 2010图 7 钻杆与导向管位置 fig.7positioning of drilling rod and guide pipe现 代 隧 道 技 术modern tun nelling technology无工作室管 棚技术的研 究与应用体系。4.7实例分析前期对 dk365+357+327 段管 棚 及 加 固 注 浆 采 用常规管棚 施工工法 ，从 开挖工作室 、施作管棚到 加 固注浆结束 ，共耗时 6 个月 。实践证明 ，不 仅用时长 ， 而 且 围 岩 长 期 暴 露 不 利 于 施 工 安 全 。 通 过 对 dk365+357+327 段 注 浆 加 固 、 管 棚 施 工 完 成 后 所 总 结 的 经 验 ， 认 为 f11 断 层 不 能 再 以 这 样 的 方 法 继 续 施 工 ，必 须 寻 求 一 种 更 为 省 时 、合 理 的 施 工 工 法 ，检查不 少 于 三 次 ，即 初 始 钻 进 12 m、孔 深 二 分 之 一及 终 孔 后 各 检 查 一 次 ，如 偏 差 严 重 ，应 注 浆 封 堵 、重 新 钻孔 。（5） 钻 进 中 遇 卡 钻 、塌 孔 等 钻 进 困 难 或 有 大 的 涌出水 时立即进行 注浆封堵 后再重新扫 孔钻进 。 防止因管棚钻 孔导水致使 掌子面失稳 或发生突水 突泥（石）灾害。4.6管棚顶进快速通 过 f11 断层。有 了这样的设 想之后 ，再结 合多年隧道施工 经验 ， 在 dk365+330+315 循 环 段 开 始使用 半断面无管 棚工作室施 工 ， 初步确 定上台阶 高 度 为 4.6 m （根 据 钻 孔 设 备 大 臂 伸 长 高 度 确 定 ），通过上 台阶施作管 棚的同时 ， 直 接对上半断 面和 下 台阶 底部完成 注浆加固 。 从 止浆墙施工 到开挖完成 只 用时 4 个月，取 得了初步成 效 。随后在以 后的施工中 不断尝试 ，并 适当加大循 环管棚的施 作长度 ，最后 通过整个 f11 断层 只用时 1 年整 的时间 。相对于有工 作室管棚施 工 ， 技术工艺 简 单 是 无 管 棚工作间的 一大优势 ，其操作便利 ，减少了工作 室扩挖、回填及 与正常段相 衔接的过渡 段施工 ，受多 工序转换影响 干扰少 ， 工作 效率在很大 程度上都 得 到 了 提 高 。 在 f11 断 层 前 期 有 工 作 室 施 工 和 后 期 的 无 工作室管 棚施工中就 很容易发 现 ， 无工作室 施 工 比有工 作室施工工 效提高 60%80%，并 在 一 定 程 度 上 保证了施 工进程 ，节省 了时间和相 应的经济支 出 。无工作室管 棚开孔位于 开挖轮廓线 内 ，外 插 角一 般 为 5 8 （ 具 体 可 根 据 设 计 支 护 范 围 适 当 调整），掌子 面前方围岩 一定范围内 管棚侵入 开挖轮廓 线内，因此要 求 ：（1） 根 据 管 棚 施 工 实 际 ，精 确 计 算 并 准 确 将 侵 入开挖 范围内的管 棚推向开 挖轮廓线外 。例如：正洞dk365+300 掌 子 面 拱 部 设 计 超 前 大 管 棚 刚 性 支 护 长 度 25 m， 开 孔 沿 初 期 支 护 轮 廓 线 内 40 cm （ 初 期支 护 厚 度 为 30 cm）， 外 插 角 设 计 为 6, 则 管 棚 推 进深度 l=（0.4+0.3）/sin6 = 6.7 m。 施工单位 根据要求 准确将管棚 推向预定位 置 ， 经开挖揭 示 ， 管棚无 侵限 ，支护及搭接 符合管棚施 作要求 。（2） 当 地 质 钻 机 完 成 钻 孔 后 5， 由 现 场 工 人 将 大 管 棚 和 钻 杆 对 接 （丝 扣 连 接 ），最 前 端 一 节 制 作 成 锥形，使 其能插入到 围岩当中 ，逐 节往孔内 推送 。 为 确保管棚顶 进顺利 ， 准确 达到开挖轮 廓线外使其 在 开挖掘进 时不侵限 ， 并且对深入 到开挖轮廓 线外 的 钻杆 能顺利退出 ， 对最后一 节管棚末端 加工成十字 形凹榫 ，并利 用安装在钻 杆前端与 管棚同孔径 、与凹 榫相吻合的 顶进器 ，通过 钻机推力顶 入孔内 ，达到 开 挖轮廓线外 。（3） 管 棚 设 计 及 施 工 时 应 充 分 考 虑 与 上 循 环 超 前 大 管 棚 的 纵 向 搭 接 长 度 （一 般 搭 接 45 m），确 保 预支护纵 向整体受力 ， 形成隧道拱 顶部的整 体支 护5结语无 工 作 室 管 棚 施 工 在 齐 岳 山 隧 道 f11 断 层 的 成功实 施 ，克服了常 规管棚施 工所带来的 不利因素 ，减 小了对破碎 断层原有结 构的较大干 扰 ， 有效地 维 护了底层的 原有结构 ， 确保了断层 破碎带的长 期 稳 定和施 工安全 ，提高 了对断层 的施工效率 ，充分体现了 隧 道 软 弱 地 层 采 用 大 管 棚 支 护 后 的 “安 全 、经 济 、简捷 、明 快 、和 谐 、自 然 ”的 设 计 理 念 。 此 工 法 虽 在 f11断层 施工中取得 了显著的效 果 ，但尚处 于运用初期 ， 仍存有诸多 不完善之处 ， 有待在今后 实践中不 断 改 进，使其将 来发挥更 大的效用 。第 47 卷 第 3 期(总 第 332 期) 2010 年 6 月 出 版101vol . 47 ， no . 3 ， total . no . 332 jun . 2010现 代 隧 道 技 术modern tu nnelling technology无工作室管 棚技术的研 究与应用参考文献references1 黄 昌 富. 超前支护大管棚的导向跟管钻进技术j. 岩 土 工 程 界, 2007,（1）：7880huang changfu. the technique of directional drilling with casing applied in pre-supported pipe-roofing methodj. geotechnicalengineering world, 2007,（1）:78802 毕 俊 丽, 王 伟 锋, 刘 昌 林. 浅埋双连拱隧道进洞口管棚预支护参数分析j. 隧 道 建 设, 2008,28(4):438444bi junli, wang weifeng, liu changlin. analysis on parameters of pipe roof advance support installed in portal sections of shal-low-buried double-arch tunnelj. tunnel construction, 2008, 28（4）: 438444 3 宋 青 春, 张 震 春. 地 质 学 基 础 m. 北 京: 人民教育出版社, 1978song qingchun, zhang zhenchun. basics of geologym. beijing: peoples education press, 1978 4 铁道部第四勘察设计院. 宜万铁路设计资料r.the fourth survey 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