工法管棚修改02.docx
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工法管棚修改02
2002年工法开发项目之一
编制：
蒋德海杨青斌
审稿：
李屏王光明
成都铁路工程（集团）公司第二工程分公司
二OO二年五月
目录
一、前言…………………………………………………………………………2
二、工法特点……………………………………………………………………2
三、适用范围……………………………………………………………………3
四、管棚施工工艺………………………………………………………………3
五、主要机械设备……………………………………………………………..19
六、劳动组织…………………………………………………………………..20
七、质量控制及标准…………………………………………………………..20
八、安全保证措施……………………………………………………………..21
九、效益分析…………………………………………………………………..22
十、工程实例……………………………………………………………………..25
一、前言
由德国生产的科赖姆KR80412管棚钻机是一种隧道施工中围岩加固的理想设备。
我司于2001年初购进这种设备一台，目前已在渝怀铁路重庆枢纽Ⅰ标段的黑石子隧道进口洞门、出口洞门和贵阳枢纽G标段后巢隧道出口洞门三个工程中运用，效果良好。
本工法是针对在这三个工程当中的运用总结出来的。
由于采用管棚钻机超前钻孔，注浆固结隧道洞门围岩，使得较为破碎、软弱的围岩得到预加固，使得洞门段得以顺利掘进并提高了安全性。
二、工法特点
1、先进性
较多的施工单位面对洞门覆盖层浅、围岩破碎、软弱等情况，利用超前锚杆、小导管注浆，格栅钢架支护、仰坡喷锚等手段实现短距离预加固。
本工法则能实现一次性的超长跟管钻进、注浆，使围岩预加固，大大提高了围岩的自稳能力，减化了作业程序，根据情况可不设格栅、挂网、喷射等设施和作业程序，当围岩“天幕”形成后即可掘进。
2、快速性
当浅埋段较长，且洞顶地面有建筑物和道路等情况时，使用本工法，隧道掘进可较快通过。
3、安全性
使用本工法加固围岩后，围岩的坍落可能性大大降低，作业人员可在较安全的环境中施工。
4、经济性
虽然本工法中注浆管不能取出，但与常规作法相比节省了格栅、喷锚等工序，因此正常情况下成本可以持平或者可以节省。
三、适用范围
1、本工法适用于铁路、公路、地铁、水利、城市过街隧道等洞门施工。
2、当隧道掘进设计采用长管棚通过以及隧道掘进出现大坍方时可采用本工法。
四、管棚施工工艺
（一）、工艺原理
1、科赖姆管棚钻机施工要点
（1）、钻机特点
套管与钻杆同时跟进冲击回转钻进，回转扭矩在4000～10000N.m范围，提高了孔向精度及钻深能力。
钻架配置两组液压夹头，方便夹紧及卸拧钻具丝扣，减少劳动强度及提高操作安全，还可利用两组液动夹头和钻架上的液动锤，在高水平位置进行退出钻杆的工作。
钻机整机布置见图1：
图1：
科赖姆管棚钻机整机结构简图
（2）、钻孔范围
钻架侧向横置后，可驱动主臂的360度回转盘，变换钻进侧壁孔位置。
钻架可作全方位调定位置，以满足隧道周边的外偏角.钻孔范围见图2。
图2：
钻孔范围
2、科赖姆管棚钻机的具体参数
科赖姆管棚钻机配有06012A液动锤，其钻机基本参数及06012A液动锤的基本参数分别见表一、表二：
序号
钻机基本参数
1.
发动机
卡特3056DI—T柴油发动机，额定功率114千瓦（2460转）.
2.
底盘
底盘上下摆动角度：
±15度；底盘宽度：
2300mm。
3.
行走马达
牵引力：
98千牛；行走速度：
4.0公里/小时
4.
液压系统
系统压力250巴；液压油箱容积500升；液压泵2×140升/分；双齿轮泵1×27升/分及1×13升/分
5.
柴油箱容积
240升
6.
电气系统
24伏
7.
重量
配220v型钻架约14.2吨
8.
接地比压
7.0牛顿/平方厘米
9.
钻架
型号220v配推进液压缸；最大推进力40千牛，最大提拔力78千牛
10.
运输尺寸
高2800毫米；宽2300毫米；长约9800毫米
表一科赖姆管棚钻机基本参数
表二06012A液动锤基本参数
序号
06012A液动锤基本参数
1.
自重
600kg
2.
单次冲击力
610N.m
3.
冲频
2000次/分
4.
回转扭矩
最大16000N..m
5.
液压回转马达数量
2个
6.
驱动轴浮动行程
20mm
7.
自动冲程调节功能为标准配置
8.
岩土层双钻管穿孔功能
孔径100mm穿孔110m
孔径150mm穿孔70m
孔径200mm穿孔50m
3、工艺原理
使用科赖姆钻机在隧道洞门衬砌外轮廓外300～500mm的周边上，使用套管跟进内钻杆，以1～1.5°的外偏角同时同步冲击回转钻进进入岩土层内，钻深至设计要求的长度（最大钻深可达50m）。
取出钻杆，插入注浆钢花管后取出套管，注入纯水泥浆液和水泥砂浆，固结周边围岩，产生较强的拱顶和周边支撑效果，形成“天幕”式的管棚结构，支护着拱部周围的破碎带、松散带，使其不易冒落或防止水流涌入。
之后在管棚的预支护下，实施掘进，掘进过程中可视具体情况增加其它支护。
（二）、管棚施工工艺流程
管棚施工工艺流程图（见下页）：
1、封闭初始掌子面
采用425普通硅酸盐水泥；中砂；洁净质硬，粒径为5～10mm的
碎石，要求级配良好和掺入速凝剂。
配合比为水泥:
砂:
碎石:
水=1:
2.47:
1.53:
0.4，速凝剂的掺量按其说明书加入。
混凝土喷射机安装调试好后，在料斗上安装振动筛，避免超粒径骨料进入喷射机。
用高压水冲洗受喷面，而后立即开始喷射混凝土。
喷射时，送风之前先打开计量泵，以免高压混凝土堵塞喷射孔；送风后调整风压，使其控制在0.45～0.7MPa之间，如风压过大，快速的粗骨料遇到受喷面而反弹，导致回弹量增大。
根据喷射手反馈的信息及时调整风压和计量泵，控制好速凝剂的掺量。
喷嘴与受喷面应有适当的距离，否则会增加回弹量，喷射方向应与受喷面垂直。
喷射厚度为5～8cm。
2、修筑钻机平台
根据科赖姆管棚钻机的参数：
最高水平钻进高度为4.5m，最低水平钻进高度为0.635m（相对钻机履带底面）；其最宽水平钻进跨度为6.8m；运输长度为9.8m。
可以确定钻机平台的最小长度为12m，平台顶面与管棚孔眼布置最高点的垂距≤4.5m，以满足管棚钻机的最高水平钻进高度。
钻机平台布置如图3。
图3：
钻机平台布置图
3、测定钻孔孔位
喷射支护完毕后，用经纬仪准确放出隧道的中线。
根据管棚所设
计的位置采用五寸台阶法描出管棚钻孔的轮廓线，由最高点开始，分别向左、右按管棚设计尺寸描出各钻孔的位置。
4、钻机就位安装
因钻机为履带式，故在维修保养之后，可沿施工坡道自行进入工作场地。
再根据钻孔的布置位置，将钻机调整至设计标高，并连接好高压水管。
5、钻进方向的控制
钻进方向的控制是管棚钻孔施工的关键，采用一般的测量仪器直接控制钻孔方向，十分困难。
为此，特建立了图4、图5的数学模型：
图4管棚钻孔方向图
图5x1y1坐标平面图
上图是其中一个注浆孔的钻进方向。
在钻架后端取一点A，以A点为圆心建立X、Y、Z三维坐标，在钻架的前端取一点B，再建立一个新的三维坐标X1、Y1、Z1，使B点位于X1Y1平面内，且Z与Z1同轴。
由LAB与管棚的外偏角1.5°（设计值）可求得LAB在X1Y1平面内的投影长度LOB，再根据管棚孔所在圆弧的半径R及该管棚孔眼所在位置的相应弧长L求得X1Y1平面内LOB与X1轴的夹角θ（θ=L/R），由此求得理论值LX1，LY1，再通过水平面和竖直面内的控制测量进行控制。
（1）、水平方向的控制
管棚钻机在钻进过程中，行走履带的前沿与掌子面的距离约为2.50m，而卸管器的长度为0.50m（其上不便悬挂线锤），故能够吊放线锤的钻架长度约为2.0m，为此将LAB定为2.0m。
由投影关系求出钻孔方向上A、B两点在X1Y1平面的投影LOB=LABsin1.5°，LX1=LABsin1.5°cosθ。
将两线锤分别固定于A、B两点，呈悬空状态。
以平行隧道中线两侧的测量桩（4个测量桩构成一个矩形）为测量基准，进行水平方向的控制。
测量示意图如图6。
隧道中线同侧前后两组读数的差值，即为水平方向的投影LX1。
图6水平方向控制示意图
（2）、竖直方向的控制
根据钻孔方向控制的数学模型，于钻架上的A、B两位置处分别悬挂1个钢卷尺，再利用水准仪分别测量A、B两点的高程HA、HB，则hAB=HB-HA，即为LAB于X1Y1平面内的竖直投影LY1。
从而达到了竖直方向的控制。
测量示意图如图7。
图7竖直方向控制示意图
（3）、理论计算与实际测量误差分析
根据上述数学模型求出钻架上A、B两点在X1Y1平面内的水平和竖直投影LX1、LY1，即水平、竖直方向控制的理论值，与实际测量的水平和竖直方向的测量值一并填入方向控制的理论和实际测量对比表,分别见黑石子隧道进口洞门表三、黑石子出口洞门表四、后巢隧道出口表五：
表三黑石子隧道进口洞门（管棚长13.5m）方向控制理论和实际测量对比表
孔号
外插角（与隧道中线）
理论计算（mm）
实际测量（mm）
偏差（mm）
水平
竖直
水平
竖直
水平
竖直
1
1.5°
51.35
10.12
50
10
1.35
0.12
2
1.5°
49.87
15.91
50
16
-0.13
-0.19
3
1.5°
47.73
21.50
46
20
1.73
1.50
4
1.5°
44.97
26.80
44
26
0.93
-0.80
5
1.5°
41.62
31.75
40
30
1.62
1.75
6
1.5°
37.72
36.29
38
36
-0.28
0.29
7
1.5°
32.66
40.91
34
40
-1.34
-0.91
8
1.5°
26.87
44.93
28
46
-1.13
-1.54
9
1.5°
20.59
48.13
22
48
-1.41
-0.13
10
1.5°
13.94
50.46
14
50
-0.06
-0.46
11
1.5°
7.03
51.87
8
53
-1.03
1.13
12
1.5°
0
52.35
0
52
0
0.35
13
1.5°
7.03
51.87
6
52
1.03
-0.13
14
1.5°
13.94
50.46
14
50
-0.06
0.46
15
1.5°
20.59
48.13
22
48
-1.41
0.13
16
1.5°
26.87
44.93
28
44
-1.13
0.93
17
1.5°
32.66
40.91
34
40
1.34
0.91
18
1.5°
37.72
36.29
36
36
1.72
0.29
19
1.5°
41.62
31.75
40
30
1.62
1.75
20
1.5°
44.97
26.80
46
26
-1.03
0.8
21
1.5°
47.73
21.50
48
20
-0.27
1.50
22
1.5°
49.87
15.91
50
16
-0.13
0.09
23
1.5°
51.35
10.12
50
10
1.35
0.12
表四黑石子隧道出口洞门（管棚长19.5m）方向控制理论和实际测量对比表
孔号
外插角（与隧道中线）
理论计算（mm）
实际测量（mm）
偏差（mm）
水平
竖直
水平
竖直
水平
竖直
1
1.5°
52.35
10.12
54
10
-1.65
0.12
2
1.5°
49.45
17.18
50
16
0.55
1.18
3
1.5°
46.58
23.89
45
24
1.58
-0.11
4
1.5°
42.80
30.14
44
30
-1.20
0.14
5
1.5°
38.19
35.81
38
36
0.19
-0.19
6
1.5°
32.04
41.10
32
40
0.04
1.10
7
1.5°
24.82
46.09
26
46
-1.28
0.09
8
1.5°
16.93
49.54
18
48
-1.07
1.54
9
1.5°
8.58
51.64
10
50
-1.42
1.64
10
1.5°
0
52.35
0
52
0
0.35
11
1.5°
8.58
51.64
8
50
0.58
1.64
12
1.5°
16.93
49.54
18
50
-1.07
-0.45
13
1.5°
24.82
46.09
24
46
0.82
0.09
14
1.5°
32.04
41.10
32
42
0.04
0.90
15
1.5°
38.19
35.81
38
36
0.19
-0.19
16
1.5°
42.80
30.14
42
30
0.80
0.14
17
1.5°
46.58
23.89
48
24
1.42
-1.11
18
1.5°
49.45
17.18
48
16
1.45
-1.18
19
1.5°
52.35
10.12
52
10
0.35
0.12
表五后巢隧道出口洞门（管棚长15.0m）方向控制理论和实际测量对比表
孔号
外插角（与隧道中线）
理论计算（mm）
实际测量（mm）
偏差（mm）
水平
竖直
水平
竖直
水平
竖直
1
1.5°
49.17
17.96
48
18
1.17
-0.04
2
1.5°
47.67
21.60
48
20
-0.33
1.60
3
1.5°
45.93
25.12
46
24
0.07
1.12
4
1.5°
43.92
28.49
44
30
-0.08
1.51
5
1.5°
41.66
31.70
40
30
1.66
1.70
6
1.5°
39.16
34.74
40
36
-0.85
-1.26
7
1.5°
36.45
37.58
36
38
0.45
-1.42
8
1.5°
33.53
40.20
34
40
-0.47
0.20
9
1.5°
30.42
42.60
30
44
0.42
1.4
10
1.5°
27.14
44.77
26
46
1.14
-1.23
11
1.5°
23.61
46.73
22
48
1.61
-1.27
12
1.5°
19.89
48.42
20
48
-0.11
0.42
13
1.5°
14.18
49.42
14
50
0.18
-0.58
14
1.5°
12.13
50.92
12
50
0.13
0.92
15
1.5°
8.13
51.71
8
52
0.13
-0.29
16
1.5°
4.08
52.19
4
52
0.08
0.19
17
1.5°
0
52.35
0
54
0
1.65
18
1.5°
4.08
52.19
4
52
0.08
0.19
19
1.5°
8.13
51.71
8
50
0.13
1.71
20
1.5°
12.13
50.92
12
52
0.13
1.18
21
1.5°
14.18
49.42
14
48
0.18
1.42
22
1.5°
19.89
48.42
20
50
-0.11
-1.50
23
1.5°
23.61
46.73
24
48
-0.39
-1.27
24
1.5°
27.14
44.77
26
44
-0.14
0.77
25
1.5°
30.42
42.60
32
42
-1.58
-0.60
26
1.5°
33.53
40.20
34
40
-0.47
0.20
27
1.5°
36.45
37.58
36
36
0.45
1.58
28
1.5°
39.16
34.74
38
34
1.16
0.74
29
1.5°
41.66
31.70
42
30
-1.34
1.70
30
1.5°
43.92
28.49
44
30
-0.08
-1.51
31
1.5°
45.93
25.12
46
24
-0.07
1.12
32
1.5°
47.67
21.60
48
20
-0.33
1.60
33
1.5°
49.17
17.96
48
18
1.17
-0.04
由上述数据分析可得：
表三δmin=-1.91mm，δmax=2.42mm；表四δmin=-1.65mm，δmax=2.17mm；表五δmin=-1.68mm，δmax=2.38mm（其中δ=（δ水平方向偏差2+δ竖直方向偏差2）1/2。
综上所述δmin=-1.91mm，δmax=2.42mm＜△δ允许=±2.6mm（注明：
△δ=±「sin1.5（1+5%）-sin1.5」×2000=±2.6mm）。
因此上述实测值均符合设计要求。
6、钻机试钻
钻机安装就位后先进行试钻，在试钻过程中以低转速、低推进力方式钻进，待钻进1.5m～2.0m再以高转速、强推进力的方式进行正式钻孔。
7、钻进管棚孔
钻孔由高位向低位依次钻进，使用套管与钻杆同时冲击回转钻入隧道顶板前端，通过加长钻杆钻至孔深。
在钻进过程中，应时时监测钻进方向，一旦发生偏差或卡钻，则应纠正，甚至重新钻孔，以使管棚孔的钻进得到有效的控制。
钻孔完结后，先向套管内注水清洗洁净后，才取出钻杆，套管仍保留在孔内供护孔之用。
8、钢花管的制作
注浆钢管口径随钻孔口径而变化，以注浆钢管的外径能轻易通过套管丝扣接轴的内径为选用基础。
钢管上的孔眼为10mm，沿纵向的间距为30cm，同一断面上沿周边布置为2个孔眼，排与排之间成梅花型布置。
注浆钢管为管型钢结构，由多节钢管通过套管焊接而成。
注浆钢管的前端约200mm做成封闭锥型，方便下一步轻轻打进岩土层内，且避免在高压注浆时，浆液从管终端冒出及内压顶出钢管。
为了使封口密实，尾端留600mm不钻孔，以免注浆时，浆液易从孔口流出，达不到设计注浆的压力和效果。
为便于与高压注浆软管连接，保证注浆压力和质量，注浆管的尾端焊接一活接头。
为了防止沿隧道纵向同一断面内接头过多，特将相邻两钢花管的焊接接头至少错开1.0m。
钢花管加工示意图如图8、图9、图10。
图8管棚钢花管尾端加工示意图
图9管棚钢花管前端加工示意图
图10管棚钢花管中间加工示意图
9、插钢花管
取出内钻杆，把周边有孔眼的钢花管插进入套管内，人工推进大部分后再用钻机推至设计位置。
钢花管插进后，才取出套管。
管棚孔口用水泥砂浆密封，长度至少为60cm，以保证注浆的压力和质量。
插管、封口如图11：
10、注浆加固
（1）、注浆设备：
注浆采用本机配置的3SNS往复式单作用三柱塞泵，该泵压力达10MPa，流量为76～207l/min。
（2）、注浆顺序：
注浆时，对管棚钢花管编号，先灌注“单”号孔，待固结后再灌注“双”号孔,或同时多孔相连灌注。
套管
钢花管
水泥砂浆
60cm
图11插管、封口示意图
（3）、注浆：
注浆分两次，首先灌注配合比为0.5:
1～1：
1的纯水泥浆。
使水泥浆逐步渗入到钢花管周围30～40cm范围内的土体裂隙中，达到加固土体的目的。
通过注浆压力和流量共同控制注浆量。
注浆压力为0.5～1.0MPa。
管棚注浆量的计算如下：
Q=Anα（1+β）
式中Q——总注浆量（m3）；
A——注浆范围岩层体积（m3）；
n——围岩空隙率，取值为3%；
α——注浆充填系数，取值为0.8；
β——注浆材料消耗系数，取值为0.1。
此纯水泥浆液的初凝时间为10小时，故在纯水泥浆液注入8～9h开始灌注MU10水泥砂浆，充填管棚钢花管与土体间的空隙及管棚钢花管内空腔，以增强管棚的刚度和强度。
水泥砂浆的配合比为1：
1：
2.5，同时添加FDN—S早强剂（占水泥用量的0.8%）。
注浆压力为3.0～4.0MPa。
11、检查、分析与总结
（1）、检查浆液扩散范围
从现场检查情况来看，大部分管棚孔的注浆扩散半径在35～45cm之间，在层理、节理发育的地方，局部浆液扩散达到了2.0m，满足设计要求，使相邻孔在注浆后真正形成了“天幕”结构。
（2）、检查管棚方向控制的效果
①黑石子隧道进口洞门（管棚长13.5m）偏差δmin=-15.5mm，δmax=17.2mm（其中δ=（δ水平方向偏差2+δ竖直方向偏差2）1/2均小于δ=±「sin1.5（1+5%）-sin1.5」×13500=±17.67mm。
②黑石子隧道出口洞门（管棚长19.5m）偏差δmin=-20mm，δmax=23.6mm（其中δ=（δ水平方向偏差2+δ竖直方向偏差2）1/2均小于δ=±「sin1.5（1+5%）-sin1.5」×19500=±25.5mm。
③后巢隧道出口洞门（管棚长15.0m）偏差δmin=-18.9mm，δmax=17.8mm（其中δ=（δ水平方向偏差2+δ竖直方向偏差2）1/2均小于δ=±「sin1.5（1+5%）-sin1.5」×15000=±19.6mm。
由此可知管棚钻进方向得到了有效的控制。
（3）、分析与总结
1管棚孔在钻进过程中，应时时监测，以确保钻孔方向的准确性。
②若管棚孔位于裂隙发育地带，尽管注浆量大大超过设计计算值，但注浆压力还远远未达到设计值，因此在注浆过程中，应从注浆压力和注浆量两方面综合控制。
五、主要机械设备
管棚施工的主要机械设备配置如表六：
表六主要机械设备配置表
序号
名称
规格
单位
数量
1
管棚钻机
KR80412
台
1
2
注浆泵
3SNS
台
1
3
电焊机
BX6—160
台
2
4
湿喷机
TK—961
台
1
5
搅拌机
台
1
6
切割机
台
1
7
台钻
台
1
8
经纬仪
台
1
9
水准仪
台
1
六、劳动组织
管棚施工的劳
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