兰渝铁路关子岭隧道洞身长管棚施工技术

1、洞身大管棚施工技术1 管棚概述管棚一般是沿地下工程断面的一部分及全部，以一定的间距环向钻设与隧道轴线基本平行的钻孔，而后插入大直径的钢管，并向管内注浆固结周边围岩，从而在预定范围内形成钢管棚护的支护形式。管棚超前支护是为了在特殊的地质条件下确保进行安全开挖，预先提供增强地层承载力的支护方法。主要适用于软弱地层、软岩、岩堆和破碎地段。隧道进、出口及浅埋段应用较多。2 设计情况关子岭隧道位于甘肃省陇南市枫相乡，为一座双线隧道，设计时速200km/h，全长2725m，进出口均与桥梁相接，地层主要由第四系全新统坡积，崩积碎石类土及下元古界砂质板岩夹砂质绢云母千枚岩组成。隧道DK433+166DK433

2、+266为浅埋段（设计为级围岩、支护级加强），穿越地表冲沟，冲沟地表呈波状起伏，岩堆发育，石块较大多呈长条状、圆形等。沟槽多为急坡谷，下切较深。地表覆土较浅，见基岩出露。自然横坡20°-40°，山坡植被发育，交通条件差。冲沟沟底距隧道拱部最小埋深16m，冲沟常年有水经过，实测过水断面3m2，流量6m3，雨季受气候季节降水影响较大。为了安全的穿越此浅埋段，设计采用了长管棚进行超前支护，管棚设计要求：管棚布设在隧道拱顶120°范围内，管棚采用895的无缝钢管，管棚长10m，外插角8°，下一环管棚与上一环管棚水平搭接3m，具体见图1、图2。图1 洞身大管棚正面

3、布置图图2 洞身大管棚纵向布置图3 管棚钻机的选型管棚机主要分为两种类型，一种为简易的水平钻机，一种为潜孔地质钻机。水平钻机自身无法调整钻杆外插角，无动力装置，无法自行行走，须搭设操作平台行走和控制钻杆外插角，钻孔动力系统靠高压风，一般用于洞口大管棚的施工。潜孔钻机配有履带，自身可行走（电力），自身通过液压系统可调钻杆的竖向角度和侧向角度，钻孔动力系统靠高压风，可用于洞口和洞身管棚施工。两种管棚钻机优缺点比较。水平钻机优点：钻机价格便宜，缺点：搭设钢平台耗时长施工效率低；管棚工作室较大。潜孔钻机优点：钻杆可调竖向角和侧向角，可以提高工作效率；不需要搭设钢平台，只需将洞碴扒平整，管棚准备时间短，

4、节约施工时间；管棚工作室较小，节约成本，提高功效；钻机机动性强，出现紧急情况，钻机可及时撤离，缺点：价格相对昂贵。钻机型号选定。考虑在尽量减小管棚工作室的情况下，满足设计管棚外插角8°的需要，考虑到施工功效，我们选择了小型号的潜孔钻机。潜孔钻机型号KQ90D，潜孔钻外形尺寸长 2.5m，宽 1.95m，高 1.6m，整机重 1640kg，潜孔钻机机械性能，可钻孔长30 m，孔径90mm130mm,竖向角上仰25°、 下俯 25°，侧向摆角左30°、右30° ，回转扭矩800N.m，推进轴压力10000N以上操作性能可以满足设计要求。4 机械、人

5、员配置情况表1. 主要机械配置表序 号设备名称规格型号单 位数 量备 注1管棚钻机KQ90D台1张家口市宣化2双液注浆机KYB-70/80SK台23砼搅拌车8m3辆14红岩金刚汽车10m3辆15交流电焊机BX1-500台26挖掘机小松台17侧翻装载机柳工台18凿岩机YT28台49湿喷机ZBSP-6C台1表2.主要管理及作业人员配备表序号工 种数量（人）具体分工备注1负责人1负责管棚施工的全部事宜2领工员2负责现场施工和安全工作3技术员1掌握施工技术、质量及各种异常情况的处理和汇报4测量员2钻机定位、监控量测等工作5试验员1注浆配合比的调试6安全员1负责施工过程的安全监控7电焊工2导向架、导向管

6、的安装及加固8钻工4管棚工作室的开挖钻眼9立架工4钢拱架安装及加固10喷砼工4喷射砼作业11压浆工2操作压浆机，做好注浆原始记录12司机4操作机械及车辆13普通工4协助各项工作5 洞身管棚施工工艺5.1洞身管棚施工工艺流程图（见图3）图3. 洞身管棚施工工艺流程图掌子面开挖浆液制备连接注浆管路、调试管棚工作室施做导向墙、导向管施做做喷射砼封闭工作面管棚加工清孔、验孔、安装管棚钻机就位及钻孔封孔、管棚与钢架焊接注浆5.2管棚的制作加工5.2.1大管棚用钢材的规格、型号、材质满足设计要求和国家有关现有技术标准的规定。我们选择的材料为：89的无缝钢管，壁厚5mm，单根管长6m，材质为Q235。5.2

7、.2管棚制作 管棚钢管设计采用钢花管。钢花管前端20cm做成锥形易于插入，后端1m范围内不开孔，尾部焊接16加劲箍，其余部位周身按梅花形布设1016mm的压浆孔。具体见图4图4 管棚加工示意图5.2.3钢管间的连接。每根钢管的一端都车15cm长的外丝扣，钢管间采用一根长30cm带全内丝扣的956的无缝钢管进行连接。为了错开接缝，每根管棚采用两根长6m和4m的钢管组成。5.3 管棚工作室洞身管棚施工前应预先施做管棚工作室，管棚工作室应综合考虑钢管外插角、管棚机型号、施做断面前后支护情况及施工可操作性。关子岭隧道设计管棚外插角为8°，经断面及实际现场分析（见图5）断面前方预留2.4m&#

8、215;0.35m环向管棚操作室。图5 管棚工作室5.4 导向墙及导向管为缩短施工时间，导向墙采用C30喷射砼，厚度50cm。导向墙内设置两榀I20b工字钢，钢架间距设置为30cm，为了减少管棚的外插角，我们采取了在导向墙内两榀I20b工字钢腹板开孔的办法，导向管采用130钢管与钢架腹板焊接，纵向通过22螺纹钢与拱架加强连接。导向管设置角度为8°（通过调整钢架半径，间接调整导线管角度），长度设定为80cm，套拱内外均铺挂8钢筋网片，网片间距20×20cm，拱架纵向采用22连接相连，间距0.5m，每榀钢架径向打设锁脚及环向锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1m，与钢架焊接牢固。

9、5.5 钻机就位及钻孔钻孔是管棚施工的关键工艺环节,钻孔质量的优劣直接到管棚的整体质量。为较少围岩扰动，充分发挥围岩自稳能力，此段围岩采用三台阶七步开挖方法。钻孔主要采用翼片式硬质合金钻进工艺,对于难成孔的地层则采用跟管法。施工顺序由下向上由两边向中间依次进行。通过洞内弃砟整平施做平台。钻机角度调节采用全站仪高差定位，确定角度见图6。适当调节平台高度，确保钻头正确插入导向管。采用高压风站的高压风带动钻头，开空时，低速低压，待成孔1m后，适当加压，钻孔进入土质地层采用压力适当调小，以免引起塌孔。塌孔时可进行注浆加固待周边土质形成一定强度后再行钻孔，直至钻直设计长度，钻孔采用特制精密水平陀螺仪检测

10、偏斜。图6 管棚机角度调整5.6 清孔、验孔并安装管棚钻孔完成后钻杆退位，再次钻进进行清除孔内浮渣，确保孔径、孔深并防止堵孔。利用高压风清理钻渣，用测杆检测孔深，用测斜仪量测外插角。检测合格后立即安装89的钢管，钢管在同一截面内接头数量50%，每根钢花管由2根组成，相邻钢化管分别布置成6m、4m及4m、6m的组合形式。钢管之间通过套管丝扣连接。浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用钻头慢慢顶进，推进时采用测斜仪经常检查钢管的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。钢管安装完成后及时安装孔口止浆塞，并对每根钢管连续编号且做好标记。管棚安装后，用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙。5.7 喷砼封闭工作

11、面 一环38根管棚安装完毕后，对开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射10cm厚的C25混凝土，以防止钢管注浆时岩面裂隙跑浆。5.8 管棚注浆5.8.1 管路连接及调试。将双液注浆机的管路与管棚进浆孔连接，安装止浆阀，管路连接好后进行压水试验，以检查止浆效果和注浆管路是否有跑水、渗水现象。5.8.2 浆液配置。浆液采用1m3全自动拌和站进行拌制，水泥净浆水灰比为1:1，材料用量为：750kg水泥和750kg水，水泥采用p.o42.5水泥。5.8.3 注浆作业管棚注浆采用KYB-70/80SK 双液注浆机进行作业，注浆机最大工作压力可达7Mpa,注浆量70L/min,可以满足设计要求，钢

12、管注浆采用奇偶数钢管间隔注浆由下到上、由左到右，即先按顺序注奇数管，奇数管注浆完成后，再开始按偶数管顺序同上顺序。注浆过程控制，注浆压力确定初压为0.51.0MPa，终压为2.0MPa。注浆时密切监视压力变化，如压力达到2.0MPa并持续稳定恒压10min后结束注浆。单根注浆量按进行估算。注浆扩散半径，考虑注浆叠加效应，按=（0.60.7）计算，为相邻钢管之间的距离； 钢管长度；岩体孔隙率；注浆过程应认真做好记录，以便分析解决施工中出现的问题，注浆结束后及时清除管内浆液并用M20的水泥砂浆及时填充，以增强管棚的刚度及强度。第一环管棚注浆量为147m3。6 量测计划表3. 量 测 计 划 表量测

13、项目量测仪器量测断面间距量测频率洞内观测观察调查数码相机、现场观测原则上各开挖面和地质不变段每日1次周边位移收敛计,精度0.1mm毎5m布设2条基线位移速度(mm/d)观测频率52次/d151次/d拱顶下沉水准仪、铟钢尺毎5m布设1个观测点0.511次/23d0.20.51次/3d0.21次/7d洞外观测地表下沉水准仪、铟钢尺地表毎10m布设1个断面，断面与隧道中心线垂直，并与洞内布设在同一断面，每个断面布设11个观测点，此浅埋段共布设10个断面，110个观测点。地表监测频率与洞内一致。7 管棚施工效果及施工效率目前，我们仅做了第一环管棚，开挖并支护了三个循环。掌子面围岩揭示：围岩裂隙充满水泥浆，加固效果良好，掌子面不掉块，围岩有一定的自稳性，开挖轮廓线圆顺，施工安全。通过围岩监控量测显示该段初期支护完成后拱顶累积沉降量4.13cm，远远小于设计13cm的预留沉降量，表明管棚预支护取得了很好的效果。功效分析：第一环管棚布设在隧道拱顶120°范围内、共38根，管棚施工第一环管棚仅用了10天；而采用简易的水平钻机，根据已施工的洞口大管棚施工，用时均在15天以上。由此可见KQ90D潜孔钻机施工效率较高。8 结束语通过试验与摸索，洞身管棚在关子岭隧道级浅埋段施工中取得阶段性的成功，我们得出以下结论： 长管棚施工是一种处理特殊地质条件下的地下工程有效辅助措施