偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法

2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 1 页 共 11 页 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 1 前言 毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内 黑水河中游红岩乡至俄石坝河段 是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第 3 梯级电站 该电站为大 2 型引水式 单一发电 工程 毛尔盖水电站引水隧洞全长 16 15km 中铁十三局集团有限公司承建的 MEG2007 C2 2 合同段 起讫里程为 引 2 462 引 4 249 隧洞总长 1787m 断面为圆形 内径 8 60m 开挖断面 为直径 9 4 10 2m 的圆形 纵坡 1 58 全断面采用钢筋混凝土衬砌结构 隧洞最大埋深 600m 与岩层走向夹角约 20 60 左右 该段岩层软硬相间 千枚岩所占比例 比较高 表现为互层状结构 岩体完整性差 围岩不稳定 隧洞通过双溜所沟 最浅埋深约 75m 覆盖层厚约 5m 成分主要为崩积 洪积成因的块碎石土 与岩层走向夹角约 20 60 左右 该段 因过沟段隧洞洞顶板上覆基岩厚度小 沟内常年流水 风化卸荷作用强烈 地下水比较活动 岩体 完整性差 呈碎裂 散体结构 围岩极不稳定 在引水隧洞下游段施工至 K3 313 时 发生了塌方 采用了超前锚杆及超前小导管护顶并配合 钢支撑和喷砼联合支护法施工 由于小导管作业循环多 加固范围小 施工工期长 当掌子面施工 至 K3 323 时 发生大塌方 塌方总量达 3000m3 塌方空腔高度约 20m 将 K3 316 K3 323 段一次支 护全部砸毁 为了确保安全及加快施工进度 完成贯通目标 经业主 设计 监理 施工单位四方 现场研究 决定采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工 解决松散渣体成孔难的难题 完成塌 方段开挖任务 2 工法特点 1 施工所用机械设备相对较小 且均有履带式或步履式 移动灵活 工艺简单 操作方便 2 施工过程中废水 废液产生较少 产生污染小 符合环保 水保要求 3 施工速度快 对整个工程工期影响较小 4 超前支护效果明显 安全可靠 且经济和社会效益显著 5 适用范围广 3 适用范围 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法适用于隧洞大塌方 土夹石 软弱破碎等一切成孔难的岩体 隧道施工时采用 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 2 页 共 11 页 4 工艺原理 4 1采用的钻孔机具设备 采用 YXZ70 型锚固钻机扩孔及单偏心 DP102 低风压型潜孔锤跟管钻具作为钻孔 扩孔的主要配 套机具 YXZ70 型锚固钻机为电动机械式潜孔冲击式钻机 钻机由主机 液压钻 操作台三大部分组成 用高压胶管相互连接为一整体 主机放在钻机平 台上 液压站和操作台可放在平台下部 见图 1 图1 大管棚纵剖图 钻机水平钻进状态尺寸为 3050mmx9OOmmx1190mm 长 x 宽 x 高 钻机总量 1260kg 主机 含动 力头 轨道和底盘架 重 770kg 液压站 含油箱 散热器 油泵电机和支架 重 340kg 操作台 含 操作台架 多路换向阀和液压油管 重 150kg 最大部件动力头重 235kg 钻机占用工作平台面积不 大 重量轻 移动方便 DP102 型潜孔锤跟管钻具与 YXZ70 型锚固钻机的钻杆和管棚钢套管相连接 由潜孔冲击器 导 正器 偏心扩孔钻头 套管靴等组成 见图 2 图2 潜孔锤跟管钻具组合图 4 2钻进系统工艺原理 钻机钻进时 钻机带动钻杆回转 钻杆将回转扭矩传给潜孔钻冲击器 当压缩空气从钻杆送入 潜孔冲击器使之工作后 由潜孔冲击器通过花键带动冲击导正器转动 冲击导正器上有偏心轴 上 塌 方 前 掌 子 面 塌方空腔 塌方渣体 钻机平台主机 液压站 108管棚 L 25m 喷射C20砼 底板未开挖部分 喷射C20砼 10cm封闭 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 3 页 共 11 页 面安装着偏心钻头 由于偏心轴上的磨擦力小于孔底围岩对偏心钻头的磨擦力 冲击导正器转动时 偏心钻头张开 并在开启到设计位置后被限位键限住 随着导正器回转 冲击器活塞冲击导正器 导正器将冲击波和钻压传递给偏心钻头 对孔底岩石进行破碎 由于偏心钻头钻出的孔径大于钢套 管的外径 当导正器上的台肩与套管靴上台肩接触时 导正器将钻压和冲击波部分施加给套管靴 再加上钻压的作用 迫使套管靴带动整个钢套管与钻具同步跟进 保护已钻孔段的孔壁 当钻进作业告一段落 需将钻具后退 慢速反转钻具 偏心钻头依靠惯性力和孔底磨擦力收缩 返回 整套钻具的外径小于钢套管内径 即可将钻具退回到进行配钻杆和钢套的位置 或将钻具退 至孔外 钢套管留孔内护壁 5 施工工艺流程及操作要点 5 1施工工艺流程 见图3 管棚制作 钢套管跟进钻孔 安装 108 管棚 固结灌浆 钻机安装固定 挖出塌方渣体总结改进 操作平台搭建 拔出钢套管 图3 施工工艺流程图 5 2施工方法 5 2 1管棚制作及孔位布置 根据该塌方段围岩情况 采用 D108 6 热轧无缝钢花管作管棚 即直径 壁厚 108 6mm 每环 孔从拱顶开始布设 除拱顶布设 1 个 两侧分别按 40cm 间距布设 布置范围为拱顶 120 共计 28 孔 每孔管棚长度为 25m 累计 700 延 m 见图 4 钢套管分节长度为 1 5m 两节套管问采用 内车丝扣方式设连接 根据塌方段实际情况 塌方体段长约 7m 钢套管跟进长度为 6 节 1 5m 为宜 并视具体情况可以加长 5 2 2管棚长度及花管 实管设置 根据现场实际情况 管棚长度 L 25m 4 根 6m 根 1 根 1m 根和 1 根 1m 根 4 根 6m 根交错进行布置安装 两节管棚问采用内车丝扣方式设连接 在保证孔口段 1 5m 为实管的条件下 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 4 页 共 11 页 其他段为花管 出浆孔直径为 15mm 梅花型布置 间距 15cm 15cm 见图 5 图4 大管棚横剖图 图5 管棚导管布孔图 5 2 3导管方位角选择 经过严密的计算 在外插角为 2 时 管棚尾部高出设计开挖线 0 87m 左右 可以有效防止管 棚施作后进入开挖断面 避免开挖后出现割管现象 在实际操作中外插角控制在 2 3 之间 5 2 4技术操作要点 1 操作平台及钻机安装牢固 洞边墙支撑固定 保证施工中钻机及平台的稳定性 同时平台 和钻机安装平整 用水平尺校正 确保其水平度 2 钻具及跟管开孔保证孔位点 导向器及动头三点一线 并加长导管 随时用导向器导向以 保证铅直度 确保管棚的设计转向倾向 3 钻孔跟管开孔先采用低风量 低压力纯冲击 先造引导孔 待孔基本成型后 开动正转让 偏心钻具工作带动导管跟管 但转速要限制 以确保孔口岩体不被大面积扰动破坏 4 钻孔跟管过程中 控制进尺速度不能过快 注意间歇空钻排渣 以保证导管与钻杆间通道 畅通 避免卡钻并控制风量及钻压 风量 风压以保证冲击器正常工作为准 5 钻孔跟管起钻时 先关闭风 然后反转半转收回偏心锺才起钻 6 操作过程中特别注意 风是偏心钻具在导管内 只能反转 不能正转 只有偏心钻具出管 靴后才正转 R490 R510 120 27x40 108向向向L 25m 向向向向40cm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 23 24 25 26 27 28 21 底板未开挖部分 7 2m3 0m 10cm 108无缝钢管 30m 15的溢浆孔 均匀交错布置 连接丝扣 150cm 10cm 25m 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 5 页 共 11 页 7 在用金钢石钻具钻进过程中 时刻注意控制好水流量 尽量采用低压 高转速进行钻进 5 2 5特殊情况处理措施 1 钻孔跟管过程中 若排渣不畅 出现残渣滞于导管内将钻杆抱死现象 可直接敲击导管 并少许反转 如此反复 以帮助排渣 但应注意可能会将钻具 管靴等反掉 若钻杆已被抱死 无 法清理通畅 则只能利用钻机液压将导管全部拔出 重新跟管 2 钻孔跟管过程中 若排渣不畅 必须采取收回偏心锤以协助排渣 当出现偏心锤重新下入 孔底不能出管靴情况时 可将偏心钻具下到孔底后 在管内正转半转 让偏心头卡住导管内壁 再 利用钻机液压轻轻拔管少许 然后反转 控制旋转一周 360 度 将钻下到底 进行纯冲击钻进 以 确保偏心钻头出管靴 继续钻进跟管 3 若钻孔跟管结束后 出现偏心钻具无法收回导管内的情况 可采取控制风量 压力回零 空正转数转后 停风 给少许压力 用手动反转半转 再用液压反拔钻杆钻具 当可拔出后重新钻 孔跟管 4 若钻孔跟管过程中 出现钻杆钻具仍然有进尺 但导管则不继续跟时 则不是管靴脱落或 断裂 就是中部某段导管脱落 只能拔管重新跟管 5 若围岩太硬或跟管进尺较长 或围岩软硬不均 可能出现管靴变形 钻具旋转负荷大并伴 有金属磨擦声 且导管跟着旋转的现象时 只能反拔导管抵换靴后重新跟管 6 若因围岩软硬不均 造成导管与钻杆不同心 钻进跟管困难时 以及仍需跟管长度不长进 可采用人工扶正强行跟管至结束 若仍需跟管长度较长 必须拔管重新跟管 7 在发现金钢石钻具钻进无进尺时 应立即起钻 检查钻具和岩心管 看其是否是因为金钢 石钻具磨损严重或岩心管堵管造成 5 2 6灌浆方法 灌浆前首先要素喷 lOcm 厚砼将塌方渣体封闭 防止漏浆 采用纯压式灌浆方法进行灌浆 本 灌浆工程为临时加固工程 灌浆目的是使洞挖时水泥浆胶体能在洞周围一定范围内起到粘结松散渣 体的作用 结合以往施工经验 对灌浆数作如下设置 1 灌浆压力 灌浆孔口压力视其具体情况控制在 0 1 0 3MP 为宜 目的是控制扩散半径 2 浆液水灰比 采用 l l 和 0 5 1 两级水灰比 以浓浆灌注为主 以使能尽快起到胶凝 粘结作用 注浆分两次进行 即第一次是编号为单号的孔位进行注浆 第二次是编号为双号的孔位进行注 浆 若单号孔位注浆不密实 可通过双号孔位注浆填充密实 大管棚在注浆前要在将钢花管与预埋 导向管间空隙用水泥砂浆封堵 避免露浆 在后来的开挖过程中 证明灌浆充填钢管及周围空间 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 6 页 共 11 页 相邻的管孔能够渗透连接 形成天幕式的管棚结构 加强了管棚的刚度和强度 3 通过焊接在钢花管上的止浆阀对大管棚注浆 注浆压力为 2 0 2 5MPa 在压力达到 2 0 以上后持续 15min 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 4 注浆时要关注注浆机压力表的变化 若出现压力表指示持续在 1 0MPa 以下 则要停止注 浆进行检查 长见的原因为注浆机出现故障 浆液从地表窜出 与地表径流相通 可依实际情况采 取稍停注浆或调整浆液的方法处理 5 3隧洞监测 5 3 1监控点布设 此次塌方处理过程中的实时监控量测分三项内容 隧洞拱顶沉降量测 隧洞围岩收敛变形量测 以及隧洞支护结构受力情况监测 1 隧洞拱顶沉降量测 共设置4个测点 均位于隧洞拱顶 对应桩号分别为 K3 317 K3 318 K3 320 K3 330 塌方区外 2 隧洞围岩收敛变形量测 在隧洞某一断面的岩壁上安设多个测点 然后使用多点位 移计定期测量各测点的相对位移 利用位移变化量及变化速度来判定隧洞是否处于 稳定状态 本次监测过程采用的多点位移计精度为0 01mm 3 隧洞支护结构受力测量 在隧洞围岩与支护结构之间预埋压力盒 并利用钢弦测力 计测量压力盒受力 5 3 2隧洞围岩变形分析 5 3 2 1K3 318拱顶沉降曲线 曲线分析 该曲线数据显示的最大沉 降值为15mm 最大隆起值为7mm 拱顶最 终沉降量为56mm 该曲线呈递减趋势 表 明隧道拱顶呈稳步沉降趋势 隧道拱顶最 终沉降值56mm 远小于设计中的预留变形 值150mm 图6 K3 318拱顶沉降曲线 5 3 2 2K3 319 5收敛曲线分析 曲线分析 该曲线反映的变形量在 0 值上下波动 但波动幅度逐渐减小 而且最后两次测量的 结果均为正值且与 0 极为接近 这说明 AD 的距离也将趋于恒定值 而 A D 两测点分别位于隧道掌 子面的拱顶和左侧 AD 变化恰恰代表了隧道围岩自稳性最薄弱的位置 AD 距离不变说明隧道整体 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 7 页 共 11 页 上已经趋于稳定 可以预见 经过较短的时间后 隧道将处于稳定状态 图7 K3 319 5收敛测站AD变化速率曲线 图8 K3 320 5压力测站压力变化曲线 5 3 2 3隧洞支护结构受力分析 曲线分析 曲线前半部分波动较大 说明压力盒受力不够平稳 后半部分曲线趋于平缓 说明 压力盒受力渐趋平稳 也说明支护结构已与上部岩体密贴 压力数值保持在18kN以下 这个数值在 压力盒与支护结构可承受的范围之内 6 材料与设备 表1 工法投入材料与设备一览表 序号材料与设备名称规格单位用途数量性能 1 锚固钻机YXZ70 型台钻孔 1 良好 2 潜孔锤跟管钻具DP102 型台扩孔 1 良好 3 注浆机YSB250 120 型台灌浆 1 良好 4 波美比重计 0 70 个测浆液浓度 1 良好 5 精密水准仪 WILD N3 台测拱顶沉降 1 良好 6 收敛计 m195389 台测隧道位移 1 良好 7 振弦式压力盒XSJ 系列个支护结构受力测量 4 良好 8 同心套管千斤顶MJW 系列台拔钢套管 1 良好 9 钢管 108 5m 管棚材料 700 10 钢套管 120 节护壁 40 7 质量控制 1 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 检查钻孔 打管 质量时 应画出草图 对孔位编号 逐孔 逐根检查并认真填写记录 2 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2 3 角度用地质罗盘仪 检查 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20 cm 30 cm 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 8 页 共 11 页 3 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 4 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 原位重钻 5 掌握好开钻与正常钻进的压力和速度 防止断杆 6 单孔注浆量不得少于平均每孔注浆量的80 7 注浆过程中 要逐管填写记录 标明注浆压力 注浆量 发生情况及时处理过程 8 检查注浆范围 固结不良或厚度不够时 要补管注浆 8 安全措施 1 项目部由领导带班 技术人员和安全员24小时轮流值班 遇到突发事件 立即采取应急处 理措施 2 及时汇报 先期监控频率按2 h 次 待变形基本控制住后可每班监控1次 3 在施工过程中 应以安全为重 为了防止作业人员疲劳 宜采用3班工作制 禁止无关人员 进入洞内 安全员应随时注意观察围岩变化 若有突变 所有人员必须立即撤离 4 应加快处理速度 以尽量减小变形发展 9 环保措施 本工法施工中严格遵守国家有关环境保护的相关法律 法规和规章 并按招标文件相关条款规 定 施工过程中遵循监理人的环保意见 以 防止污染 降耗节能 坚持文明施工 为方针 建立 责任明确的环境保护及水土保持组织机构 制定行之有效的环保水保措施 切实做好施工区及生活 区的环保水保工作 防止由于工程施工过程中 施工完成后造成环境污染和水土流失 具体措施如 下 1 施工现场加强对噪声 粉尘 废气 废水的控制和治理 采取有效措施降低噪声 控制粉 尘和废气浓度 以及做好废水和废油的治理和排放 扬尘 噪声 污水和废弃物排放满足当地政府 规定标准 2 废水经沉淀池进行两次沉淀处理后 出水SS浓度应小于800mg L 施工区实行生态流动厕所 管理 污水应符合环境保护法规的要求方可进行排放 3 保持施工区和生活区的环境卫生 及时清除垃圾和废弃物 并运至指定的地点堆放和处理 进入现场的材料 设备必须置放有序 防止任意堆放器材 杂物阻塞工作场地周围的通道和破坏环 境 10 效益分析 现以毛尔盖水电站2 引水隧洞工程为例 下游大塌方段采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法 施工 管棚布置范围为拱顶120 管棚长度L 25 m 共28根 700延米 分析管棚在现场施工中的 实际费用 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 9 页 共 11 页 管棚费用主要包括管棚施工的人工费 管棚施工的机械台班费 管棚施工的材料费三大部分 10 1 人工费 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工工序多 工种杂 技术性强 要求技术工人具有各方面 独立操作能力 又能处理管棚施工中一般的故障 管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的 质量 一台钻机三班作业劳力组织为 机长1人 技术人员2人 操作手3人 修理工1人 电工1人 电焊工1人 杂工9人 合计18人 1 加工管棚钢管 45 工日 80 元 工日 3600 元 包括割 焊钢管锥形探头 钢管施钻 8 mm 出浆孔等 2 加工钢管丝扣 20 元 个 112 个 2240 元 3 搭操作平台 布设水 电 气管路等准备工作 20 工日 80 元 工日 1600 元 4 钻机就位 钻孔 扫孔 顶管 注浆 270 工日 80 元 工日 21600 元 人工费合计 3600 2240 1600 21600 29040 00 元 10 2 机械台班费 1 钻机 54 台班 500 元 台班 27000 元 2 电动空压机 20 m3 h 54 台班 674 元 台班 36396 元 3 压浆机 50 L 9 台班 100 元 台班 900 元 4 拌浆机 9 台班 50 元 台班 450 元 机械台班费合计 27000 36396 900 450 64746 00 元 10 3 材料费 1 锯木 20 m3 400 元 m3 8000 元 按两次摊销 2 钢管 10 565t 4200 元 t 44373 元 3 水泥 42 5 级 65 t 300 元 t 19500 元 材料费合计 8000 44373 19500 71873 00 元 10 4 利润 1 三项费用合计 165659 00 元 管理费与税收按 15 计 24848 85 元 管棚现场施工实 际总费用为 190507 85 元 按隧洞延米计 165659 24848 85 元 25 m 7620 31 元 m 2 业主批复管棚单价 515 00 元 m 管棚实际计价款 515 元 m 700m 360500 00 元 3 实现利润 360500 00 190507 85 169992 15 元 11 应用实例 11 1 应用实例一 项目名称 四川省阿坝州黑水河毛尔盖水电站引水隧洞二标 2009 年度参评三级工法 偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚施工工法 第 10 页 共 11 页 地 点 四川省阿坝州黑水县双留索乡中铁十三局毛儿盖水电站2 引水隧洞 下游桩号 K3 316 K3 323塌方段 结构形式 结构断面为单心圆形 内径8 60m 开挖断面为直径9 4 10 2m的圆形 全断面采 用钢筋混凝土衬砌结构 工法开竣工日期 2008年11月15日开工 2008年12月02日完工 实物工程量 下游大塌方段采用偏心钻具扩孔钢套管跟进长管棚法施工 管棚布置范围为拱顶 120 管棚长度L 25 m 共28根 700延米 应用效果及存在问题 1 采用偏心钻具扩孔钢套管跟 进长管棚法施工工法 技术可靠 施 工安全 特别是处理大塌方等成孔难 的隧道施工 可以很好的解决成孔难 的难题 同时采用长大管棚与预注浆 相结合的施工方法 整体性好 能够 保证施工安全和工程质量 2 施工速度快 利用长大管棚 与预注浆相结合的方法 一次性安全 跨过大塌方体 从准备到完成仅仅用 了17d 并且没有再次发生塌方 图片1 工法在大塌方施工中应用 3 利用YXZ70型锚固钻机与单偏心DP102低风压型潜孔锤相结合 施工工艺简单 不需要较大 的工作室 只需要在工作面用 50钢管搭设一个临时平台即可 并且设备比较轻 移动