大管棚施工工艺.docx
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大管棚施工工艺
隧道浅埋岩堆体
ø108大管棚超前支护施工工艺
编制:
审核:
彭酉项目经理部
二00三年十一月三十日
1.前言·····································2
2.工程概况·································2
2.1概述··································2
2.2大管棚变更情况························3
2.3大管棚超前支护方法····················4
3.施工工艺·································7
3.1测量放样······························7
3.2钻孔··································9
3.3配管·································11
3.4送管·································12
3.5下钢筋笼·····························13
3.6管口封闭·····························13
3.7注浆·································13
3.8沉降观测·····························18
3.9事故预防和处理·······················18
3.10机具设备和劳力······················19
4.安全措施································20
5.结论····································21
6.相关知识点······························21
7.主要参考书目····························24
1.前言
重庆市彭（水）酉（阳）二级公路A标段下南城隧道全长772m（K2+423~K3+195），但其进口处于破碎土岩堆地段长达182m（K2+423~K2+605）,且最浅埋深仅2m,同时围岩含水量大，工程力学性质差，开挖后易坍塌，成洞困难。
为确保开挖稳定，进口K2+433~K2+488段55m，隧道拱部120°范围采用ø108×8mm超前大管棚注浆支护辅助施工，共设两环，每环钢管总长度30m。
我公司施工类似大直径的长大管棚，并且达到两环以上（包括两环），这是第一次。
其施工工艺和方法尚无成熟的经验可以借鉴，需要进行摸索和研究。
因此有必要对ø108大管棚超前支护的施工方法、适用机械、劳动组织等进行研究和总结，以便更好地加以推广和应用。
将ø108大管棚超前支护的施工工艺，形成一整套操作性强、系统完整、详实准确、技术含量高、有推广价值的成果。
对于提高工程的科技含量，增强技术创新能力，全面贯彻“科技是第一生产力”，推动公司的科技进步和“科技兴企”战略的实施，都具有重大的意义。
2.工程概况
2.1概述
彭（水）酉（阳）二级公路A标段下南城隧道位于重庆市彭水县城南郊下南城，隧道穿越下南城山，进口里程K2+423，出口里程K3+195，全长772m，路线设计纵坡-3%、-0.094%。
进口30.632m及出口段192.75m分别位于半径为120m及200m的曲线上，其余地段位于直线上。
进口K2+433～+488段55m，为Ⅱ类围岩，隧道位于坡积碎石土层上，含水量大，埋深浅，工程力学性质差，围岩开挖后易坍塌，成洞困难。
于隧道拱部120°范围采用超前大管棚注浆支护辅助施工（大管棚共布置两环），边墙及仰拱采用超前小导管注浆支护辅助施工。
且设2榀/m拱、墙、仰拱格栅钢架加强支护。
隧道开挖最大尺寸为宽×高=13.24m×9.86m。
隧道衬砌内净空宽度为9+2×1.0米。
限界净宽:
10.5m，限界净高:
5.0m。
2.2大管棚变更情况
原设计管棚里程段为K2+438~K2+488（50m），管棚长度60m，分两环布置。
变更一：
管棚里程段由K2+438~K2+488（50m）变更为K2+433~K2+488（55m），形成两个方案：
①按两环布置，管棚长度为65m（里程段+一个接头+超前量=55+5+5=65m）；②按三环布置，管棚长度为70m（里程段+二个接头+超前量=55+5×2+5=70m）。
考虑到按①施工，每环管棚长度都超过了30m，很难达到规范和质量要求。
故采用②，每环长度分别定为24m、24m、22m。
实际施工时，钻孔记录显示，第二环管棚已有2m伸入岩层，这样，第三环管棚已无必要，将其取消。
变更二：
钢管接头原设计为管子两头车公螺纹，对接后，外套厚壁管箍，将丝扣上紧。
考虑到加工螺纹，费用很高，故变更为两种接头方法：
外套管和丝扣法。
其中，外套管法用于第一环大管棚，丝扣法用于第二环大管棚。
2.3大管棚超前支护方法
2.3.1管棚构造
管棚由钢管和钢格栅拱架组成。
管棚是利用钢格栅拱架，沿着开挖轮廓线，以较小的外插角，向开挖面前方打入钢管，形成对开挖面前方围岩的预支护。
见下图
2.3.2管棚的性能特点及适用条件
管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。
管棚适用于特殊困难地段（如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩）的隧道施工中采用。
长管棚与短管棚相比，其一次超前量较大，可减少安装钢管次数，并减少与开挖作业之间的干扰，适用于大中型机械进行大断面开挖。
2.3.3管棚支护结构要点
⑴大管棚钻孔孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm布置，环向中心间距40cm，外插角约，每环35根。
⑵钢管采用外径ø108、壁厚8mm的无缝钢管，每环钢管总长度为30m。
钢管分段安装。
第一段按奇、偶数分别编号，奇、偶数不同的管长相差2m（若奇数管长为4m，则偶数管长为6m），其后各分段管长可取相等长度（6m）。
两段之间用丝扣连接，丝扣螺纹段长度不小于15cm。
钢管上钻注浆孔，孔径为ø10mm，孔间距50cm，呈梅花型布置。
钢管尾部2m不钻孔作为止浆段。
为提高钢管的刚度和强度，钢管内增设由4根φ20mm螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼，固定环采用外径ø42mm、壁厚8mm，长4cm的短管环，环向间距1m。
市政施工视频备考13年一二级建造师市政必备参考资料
十一月主讲
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十一月 收集整理 2013年5月5日
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⑶纵向两组管棚间，应有不小于3.0m的水平搭接长度。
钢拱架采用钢格栅钢架。
（4）在钢管内放置钢筋笼并灌注水泥浆单液浆或水泥-水玻璃双液浆，可增加钢管刚度。
（5）注浆浆夜采用水泥浆，水灰比为：
W：
C=0.5：
1。
当地下水较发肓或浆液扩散范围较大时，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。
注浆压力采用0.5～1Mpa。
2.3.4大管棚施工工艺流程图
3.施工工艺
3.1测量放样
1第一环大管棚（K2+432~K2+456）
a.根据隧道进口布设的三角导线网，用坐标法测设管棚的起始中心里程（K2+433），落点。
然后置镜中心点，测设中心线的垂线方向，在该方向上测设控制桩，每边各2个，以便随时恢复并检查方向的正确性。
b.然后,在该方向上安设一钢格栅（其半径与大管棚半径相对应），以作定位用。
测设每根导管的中心线方向，并测设控制桩2个，同时在钢格栅上落点，于点位两端焊接Ф20的的短钢筋头（长20cm），以作导向用。
同时在钢格栅下边用Ⅰ18工字钢布设五道支撑加固，确保钢格栅稳固。
c．钻孔的方向和倾斜度控制
方向控制：
在每个导管中心线方向上，均钉设两个方向桩，以控制钻孔的方向。
倾斜度控制：
孔外，通过测设大导管孔口及钻机中心的高程进行控制。
孔内，用精密水平陀螺仪控制倾斜度，分别在距孔口2m处、1/2孔深处、终孔处三处进行测量，不符合钻孔精度和要求的钻孔，必须封孔重钻。
②第二环大管棚（K2+452~K2+476）
一般测设同第一环大管棚。
不同之处如下：
a．第二环大管棚增设工作室（K2+445~K2+453），长为8m（每节ø108×8mm大导管长6.0m,加钻机机身及主动钻杆必需的2.0m）。
围岩开挖后，立即初喷混凝土，架设钢格栅支撑和打设锚杆，挂网并喷混凝土覆盖。
该工作室尺寸比设计轮廓线相应的增大,工作室纵断面示意图如下:
b.由于第二环大管棚在洞内施做，工作空间狭小，且不能影响后续工序，所以不能象第一环管棚那样，将控制方向护桩钉设在地面上，而是在钻机机身中心上面的初期支护拱部设点，并用红油漆标记。
同时,通过这些拱部点位的标高来反算钻机中心的高度,通过孔口及钻机中心两点的高程便于控制钻孔时的倾斜度（孔外）。
3.2钻孔
①检查开挖的断面中线及高程，确保开挖轮廓线符合设计要求。
在开挖工作面处安设受力拱架，并在其上正确标明管棚位置；
②钢架安装垂直度允许误差为±20，中线及高程允许误差为±5cm。
在钢架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔，其外插角以不侵入隧道开挖轮廓线越小越好。
钻孔顺序见下图：
两台钻机钻孔顺序示意图
说明：
Ⅰ部和Ⅱ部同时开孔，同时结束；Ⅲ部和Ⅳ部同时开孔，同时结束。
方向前进如上图所示。
原则为：
任何时候都必须保证有两台钻机同时工作。
因为上导坑需人工开挖掘进，工效很低，是控制整个隧道工期的关键因素，所以必须千方百计地加快管棚施工进度，为人工开挖掘进，赢得一定的时间。
③按照布好的孔位及钻孔的方向和倾斜度开始钻孔。
孔口位置与设计位置的允许偏差为±5cm；孔底位置偏差小于孔深的10‰。
④刚开孔时，要低压、慢转，以便于控制方向，然后逐渐地提高钻速，保持正常压力。
如遇到大孤石时，则需高压、低速进行。
总之，要随着地质的不断变化，相应地调整钻进参数。
⑤钻进时，用清水护壁，中间定期将取芯管取出，取出岩芯。
当快成孔时，用水将孔内的悬浮物或泥浆、石碴等清洗出来，做到孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、岩粉清洗干净。
⑥当出现严重卡钻、孔口不出水时停止钻孔,立即注浆。
⑦钻孔结束后，掏孔检查，在确认无塌孔和探头石时，才可安设钢管。
⑧钻头采用φ130的合金钻头，遇孤石时，则采用金刚石钻头。
⑨大管棚施工完成后，成伞形辐射状。
详见下图：
3.3配管
为了使大管棚的整体受力效果更好，在接长管棚钢管时，钢管接头在隧道纵断面上错开2m。
下管时，由于φ108×8mm的大导管从4~6m不等，故必须将管子相互连接起来，才能达到设计长度。
管子连接采用两种方法：
第一环管棚使用外套管法；第二环管棚使用丝扣法。
①丝扣法：
即在一根管子的两端，分别车出一个公螺纹，一个母螺纹，螺纹长度不小于15cm，螺纹深度不大于1/2壁厚（4mm）。
连接时，前一根管的母螺纹与后一根管的公螺纹套在一起，用力拧紧，以防止松动，引起质量事故。
②外套管法：
即管子两端不车螺纹，只在两根管子的接头外边套一φ127×4mm的外套管，长40cm，然后用电弧焊将缝隙焊满、焊牢。
优缺点：
①法，省时、省力、方便，但加工费用较高。
②法，费时、费力、不方便，但加工费用较低。
3.4送管：
只要具备足够的场地或空间，就可充分利用大型机械送管，以提高效率，并减少工人的劳动强度。
第一环大管棚，利用CAT320挖掘机挖斗向前送管。
但第二环大管棚由于在洞内，场地狭窄，大型机械无法操作，只能用钻机送管。
成孔后，通过异型接头，用主动钻杆带动φ108×8mm的大导管，边旋转（克服磨擦阻力）边向前推进，直至将全部管子送到位。
两环大管棚纵断面布置如下图：
这样，每一环大管棚都正好搭在两环衬砌头上，相当于过梁。
可以更好地起到预支护的作用。
3.5下钢筋笼
钢筋笼由4根φ20的螺纹钢筋组成，中间内衬一φ42×8的导管环，间距1m。
钢筋笼主要是为了增强大导管的整体刚度和强度。
3．6管口封闭
3．6.1在管子端部焊一带眼的钢板，然后将φ32×4mm（长50cm）的注浆管与该钢板相焊，就可以了。
3．6.2注浆管构造
注浆管须是三通构造：
一通接φ108×8的大导管。
一通接塑胶管，一通为冲洗用（冲洗口主要是为防止水泥浆或水玻璃凝固，造成堵管，可以及时地将管道用水冲洗干净）。
3．7注浆
3．7.1大导管注浆施工参数
①先在ø108×8mm钢管上钻ø10mm的出浆孔，孔距50cm，呈梅花型布置。
钢管尾部2m不钻花孔作为止浆段。
②钢管沿隧道开挖轮廓线布置，外倾角10，间距0.4m,纵向前后两排钢管水平搭接长度不小于3m。
③单液注浆：
水泥浆水灰比（W:
C）为0.5:
1。
④双液注浆（当地下水较发育或浆液扩散范围大时，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。
）：
水泥浆水灰比（W:
C）为0.5:
1；水玻璃模数2.6-2.9，浓度35波美度；水泥浆、水玻璃体积比1：
0.3。
注浆压力采用0.5-1.0Mpa。
试配水泥浆如下：
水泥浆配合比
水灰比
材料名称
水泥
水
0.5:
1
1m3用量（Kg）
1123
562
采用双液浆时，商品水玻璃玻美度为45°be，实际要求为35°be。
这样，需要将水玻璃加水稀释，采用公式如下：
水玻璃稀释计算公式
｛
V1ρ1+VWρW=V2ρ2
V1+VW=V2
V1、V2——稀释前后水玻璃体积；
ρ1、ρ2——稀释前后水玻璃密度；ρ=145/（145-Be′）
ρW、VW——水的密度和体积；
3．7.2大导管注浆量计算：
按下式计算
Q=πr2Hηа
其中：
r——浆液扩散半径；
H——大导管长度，取24m；
η——岩体孔隙率，取0.6。
а——充填率系数，取0.3。
大管棚注浆量计算表
0．1
0.2
0.3
0.4
0.5
24
543
1221
2171
3393
钢管净空容量
160
说明：
1.r、H单位以米计；Q单位以升计。
2．注浆量必须大于钢管的净空容量。
注浆时，每根钢管的注浆量一般达到300升左右，估计扩散半径小于0.2m。
开挖以后,发现一般在0.1m左右。
3．7.3浆液的调制步骤：
①水泥浆液搅拌在拌合机内进行，根据拌合机容量大小，严格按要求投料；
②搅拌投料的顺序为：
在放水的同时，将外加剂（如有）一并加入搅拌，待水量加足后，继续搅拌1min，并将水泥投入，搅拌时间不小于3min，并在注浆过程中不停搅拌浆液；
③采用水玻璃浆液时，其浓度宜为25~400Be（取350Be）。
为稀释水玻璃，采取边加水，边搅拌，边用波美计量测的办法进行；
④配制水泥浆或稀释水玻璃浆液时，严防水泥包装纸及其他杂物混入。
拌好的浆液在进入贮浆槽及注浆泵之前均应对浆液进行过滤，未经过滤网过滤的浆液不允许进入泵内。
1配制的浆液在规定时间内注完。
3．7.4注浆方式及顺序
3．7.4.1注浆方式
根据围岩类别、地质条件、机械设备及注浆孔的深度选用全孔式。
即钻孔直至孔底，然后一次注浆完毕。
3．7.4.2注浆顺序
先注无水孔，后注有水孔；从拱顶顺序对称向下进行。
如遇窜浆或跑浆，则间隔一孔或数孔灌注。
注浆结束后，利用止浆阀保持孔内压力，直至浆液完全凝固。
注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求能扩散到管周0.5~1.0m的半径范围内。
但应控制注浆量，每根大导管内已达到规定注入量时就可结束，若孔口压力已达到规定压力值而注入量仍不足时，亦应停止注浆，以防压裂开挖面。
3.7.5注浆作业要求
1浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求，不得任意变更；
②经常检查泵口及孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理；
③采用双液注浆时，经常测试混合浆液的胶凝时间，发现不符，立即调整。
3.7.6注浆结束条件
单孔结束条件：
注浆压力达到设计终压，浆液注入量已达到计算值80%以上。
全地段结束条件：
所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注浆情况。
3.7.7注浆效果检查
采用以下两法进行检查
①分析法：
即分析注浆记录，看每个孔的注浆压力、注浆量是否达到设计要求；在注浆过程中，漏浆、跑浆是否严重；以浆液注入量估算浆液扩散半径，分析是否与设计相符。
②检查孔法：
用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔，取岩芯进行鉴定。
3.7.8注浆后至开挖前的时间间隔
单液水泥浆开挖时间为注浆后8h左右,水泥—水玻璃浆为4h左右。
3.7.9注浆异常现象处理
①发生串浆现象，即液浆从其他孔中流出时，采用方法：
堵塞串浆隔孔注浆；
②单液注浆水泥浆压力突然升高，可能发生了堵管，停机检查；
③水泥与水玻璃双液浆压力突然升高，则关停水玻璃泵，进行单液浆或注清水，待泵压正常时，再进行双液注浆；
④水泥浆单液或水泥与水玻璃双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间，才能避免产生注浆不饱满。
3.8沉降观测
为了检测大管棚施工时对周围环境的影响及施工完毕后的效果，均须通过沉降观测进行。
在地面上设K2+441、K2+453断面，每断面设5个观测桩，当大管棚注浆时，经观测，无隆起、上鼓现象发生。
当开挖大管棚范围段时，经观测有一定的沉降（10cm），如遇山体整体下沉，则可达到20cm，这样考虑一些其它因素，在预留25~30cm的沉降量后，完全可以满足隧道施工和安全的要求。
3.9事故预防和处理
3.9.1孔的倾斜度
开孔时，在土质地层中，要低速低压，以保证孔位的正确。
同时在距孔口2m处、开孔1/2处、终孔处用精密水平陀螺仪检测倾斜度，不合格的，封孔重钻。
3.9.2塌孔
若地层中含水量大，或地质较差时，易坍孔，可采用两种方法进行预防。
①泥浆护壁法
对于地层中含水量不是特别大，地质属于碎石土层时，可用泥浆护壁。
②套管护壁法
对于地层中含水量特别大，地质属于碎石层或地下暗河的地段，可采用套管护壁。
此时采用φ127×4套管，一般的不良地段均可通过。
3.10机具设备和劳力组织
3.10.1需要的机具设备
大管棚作业机具设备表
序号
设备名称及规格
单位
数量
备注
一
机电设备
1
钻机
台
2
XY-1、XY-1B
2
汽车
台
1
3
交流电焊机
台
1
4
注浆机
台
1
序号
设备名称及规格
单位
数量
备注
5
挖掘机
台
1
CAT-320
二
工具
每台钻机
1
链钳
把
2
2
管钳
把
2
3
大号扳手
把
2
4
大锤
把
1
3.10.2劳力组织
分2个工班进行作业，每个工班12人，其中：
施工指挥1人；施工技术指导1人；钻机司机2人（负责钻孔、下管）；普通工人4人（负责装卸钻杆、装接钢管）；电工1人（负责供水供电工作）；电焊工1人；汽车司机1人（负责运料）；洞外调度1人。
4.安全措施
4.1加强全员安全意识教育;
4.2针对本隧道工程长大管棚施工特点和要求,参照有关规范制订规章制度；
4.3加强对围岩进行动态监控量测，实行信息化管理，科学地组织施工；
4.4拆卸钻杆时，要有统一指挥、明确联络信号，扳钳卡钻方向正确，防止管钳用扳手伤人；
4.5钢管内注浆时，操作人员应戴口罩、眼镜和胶手套。
4.6要有良好的照明条件。
5.结论
5.1可采用XY-1、XY-1B型的轻便钻机。
其最大开孔直径为130mm，最大钻孔深度为120m。
适宜在碎石土层中进行大管棚钻孔，同时由于重量轻、分解性强，便于搬迁，适合于平原或山区工作。
5.2管棚长度控制在25m以内（实际按24m施工）为好。
如按设计的30m长度进行施工，由于管棚过长，钻孔、下管等工序都费时费力，效率低下;同时管棚的倾斜度、掉钻量也很难控制。
5.3在粘土含量大的碎石土层中，压浆效果不理想。
因为粘土比较密实，浆液不易扩散，其扩散半径较小。
不能形成一个完整的具有一定厚度的砼加固圈。
5.4建议开挖工作室时，开挖轮廓线不进行扩大，而是在围岩开挖后，即初喷3~5cm厚的混凝土，作为支护，不设钢格栅支撑（在确保安全的前提下）。
待管棚施工完毕后，再进行安设。
这样可以减少施工投入。
5.5大管棚应伸入岩石层不少于3m。
这样，在山体滑动时，管棚可以分担一部分荷载，从而避免全部荷载都压在初期支护上，造成大的下沉和严重变形。
5.6大管棚的接头必须在纵向上错开。
否则，接头设在同一断面上，极易出现安全隐患。
6．相关知识点
6.1采用长度小于10m的小钢管称为短管棚;采用长度为10m~45m且较粗钢管的称为长管棚。
6.2注浆方式有前进式、后退式及全孔式等。
前进式注浆：
当钻孔遇有较大涌水时，应暂停钻孔，待压浆后，重复钻孔、注浆；
后退式注浆：
当钻孔中涌水量较小时，则钻孔可一直钻到设计深度，然后从孔底向孔口进行分段注浆；
全孔式注浆：
当钻孔直至孔底，然后一次注浆完毕。
6.3水玻璃:
商品名,又名泡花碱。
学名硅酸钠，分子式Na2OnSiO2，分子量122.06,系透明,无色或淡蓝色、青灰色的粘稠液体。
其参数如下：
一
二
三
四
五
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
比重（200C）be
350-370
390-410
440-460
390-410
500-520
模数（M）
3.5-3.7
3.1-3.4
2.6-2.9
2.2-2.5
2.2-2.5
说明：
1.表内一、二、四类产品主要用于包装材料的胶粘剂、制皂业和化工厂原料等；三类产品主要用于耐火材料、建筑业；五类产品主要用于铸造、铸钢工业等。
2.本产品为四川南川市兴明化工厂生产。
6.4注浆机具设备选择
根据注浆目的、范围、注浆液类型和数量等，选用性能好、操作简易的注浆机具设备。
常用的注浆机、搅拌机，分别见表1~2
常用注浆泵表1
序号
名称
规格型号
主要技术指标
产地（厂家）
P（Mpa）
Q（l/min）
1
液压调速注浆泵
YSB-250/120
12
250
2
双液调速注浆泵
2TGZ-60/210
21
60
锦西注浆泵厂
3
双液调速注浆泵
2TGZ-120/105
10.5
120
锦西注浆泵厂
4
液压注浆泵
YZB-50/70
7
50
石家庄煤矿机械厂
5
隔膜计量泵
2MJ-3/40
4
50
6
泥浆泵
BW-250/50
5
250
衡阳探矿机械厂
序号
名称
规格型号
主要技术指标
产地（厂家）
P（Mpa）
Q（l/min）
7
泥浆泵
TBW-200
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