富水流砂地层长管棚施工工法.docx
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富水流砂地层长管棚施工工法
富水流砂地层长管棚施工工法
中铁隧道集团有限公司:
康永胜陈根
一、前言
在我国华东地区地下水位较高，第四系地层以淤泥质土、粉土及粉细砂为主，渗透系数较小，易液化。
在这种特殊地层进行开挖时，小导管法、锚杆法等很难保证工程施工安全及质量。
因此，急需采取一种长超前、安全可靠的支护措施。
而长管棚支护技术作为一种新的支护手段，对大跨度、超浅埋，工程地质条件复杂的工程都有很好的支护效果。
但是，饱和淤泥质土、粉土及粉细砂地层含水无法成孔，管棚施工必须采取适合该地层特殊技术措施和施工工艺。
杭州解放路延伸工程位于上述地层，由道路和隧道两部分组成。
隧道穿越越解放路、环城东路交叉口三角地、环城东路、沪杭铁路、贴沙河、杭州清泰自来水厂、凯旋路及众多地下管线，暗挖段隧道最小覆土厚度仅有2.6m。
暗挖隧道全部采用长大管棚超前支护与注浆加固。
针对工程的重点和难点，我们开展了相应的科研攻关，研发了特殊的钻具，在工程实践中开发应用了适合该地层特殊跟管施工工艺，保证了整个工程安全顺利建成，在此基础上总结出《富水流砂地层长管棚施工工法》。
二、工法特点
（一）超前支护长
长管棚支护长度根据地层，钻进技术，钻进设备等有所不同，一般为20~40m。
如遇较长区间时，需分割成几段进行支护。
它具有以下优点：
1、可跨越松弛区，伸入原状土部位，使地层不至沉陷或流塌，稳妥可靠，能保证施工安全。
2、开挖段增长，可减少超前支护施工施作次数，缩短施工时间。
（二）大管棚直径大，管壁厚，刚度较高，受力均匀，支护效果可靠。
（三）技术新颖、难度大
1、需采用特殊的钻具和跟管钻进技术。
2、安装导向管时，须根据设计角度逐根认真测量，精确定位。
3、施工过程中，对钻速、给进压力的选择十分严格，否则会引起偏斜量加大。
4、要求注浆达到钢管内充填密实，浆液在地层中的渗透加固良好。
三、使用范围
本工法适用于埋深浅、覆盖薄、跨度大、结构受力复杂的饱和粉土及粉细砂地层中的各类工程进行开挖支护和地层加固的长大管棚施工。
四、工艺原理
在地下洞室掌子面后部，以一定的间隔钻设一排或两排水平的环向钻孔，然后布设长大管棚，对地层进行注浆加固。
通过钻孔，下设钢管，注浆等一系列工序施作，使钢管超越前方地层松弛区后，远远伸入到未受到施工影响的部位，保障开挖时掌子面和周围土体的稳定，起到骨架、格栅作用。
通过注浆使浆液从钢花管孔眼中压出，以一定的压力注入到钢管周围松散、软弱的地层中，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，产生由钢管和注浆加固体在开挖体上方及周围形成的“棚式”防护结构。
若需加固的地层较长，则随着向前掘进，每隔一定距离重复上述作业。
五、工艺流程及操作要点
（一）管棚施工工艺流程
管棚施工工艺流程参见图1。
图1管棚施工工艺流程图
搅拌砂浆
钢管加工
拆除平台
注浆
成孔及钢管跟进
搭平台
钻机定位
套拱施工
（二）操作要点
1、套拱施工
套拱为包裹管棚后端的一层混凝土或钢筋混凝土，起保护前方地层、便于开钻作业、精确定位管棚和增强管棚口部结合强度的作用。
套拱一般厚0.3m～0.5m，长1.5～2.5m，混凝土标号多为C20，前端和底部均嵌入地层。
施工时，在每根管棚位置预埋一节内径比管棚外径略大的钢管（导向管），以精确定位每根管棚的口部位置。
当套拱混凝土强度达到要求后，按一定的间隔和顺序沿导向管引导的方向往地层中进行钻孔，并进行管棚布设的全程作业。
（1）开挖与核心土
为了便于施工、节省方木、保持工作面的安全和稳定，开挖时，视场地情况预留一定的核心土。
同时，挖够套拱嵌入岩层的深度。
当地层稳定性差时，对两侧和前方暴露的地层进行喷锚封闭。
（2）套拱混凝土施工
利用核心土搭设必要的工作平台，进行放样、钢筋绑扎、预埋件安装、立模、预埋件准确定位、混凝土一次灌注成型和养护，当混凝土强度达到要求后拆除模板，完成全部套拱作业。
2、搭设平台
沿核心土环向用方木搭设施工平台，如无留核心土，则用钢管搭门型架后，再用方木搭设施工平台。
管棚施工人员多，机械重，顶管推力大平台受力大。
要求平台搭设一定稳固，方能保证施工安全和工程质量。
3、钻机定位
由于管棚钻孔质量要求高，施工中的各工序都非常关键。
钻孔设备也是其中一项。
因此，开钻前，必须对钻机进行校正，精确定位，然后固定在稳定的平台上。
钻进期间，应经常检查钻机是否移动，若移动必须及时纠正，否则会引起钻孔偏斜。
4、开孔
如每段暗挖的开口需先穿过钢筋混凝土围护结构时，用金刚石钻头钻孔破桩。
为保证开孔精度，要求岩芯管长度大于2.5m，以保证有良好的导向性。
5、钢管加工
钢管采用管螺纹车床加工，长度按设计要求切割或根据材料长度情况而定，钢管丝扣采用地质通用的方丝，丝长5~6cm，每根钢管一头加工为公丝，一头加工为母丝，要求公母丝配合紧密。
花管孔加工用钻床或氧气切割，采用梅花型布置，间距以30cm左右为好。
6、成孔及钢管跟进
管棚施工通过地层为砂质粉土层，含水量大，施工难度大，加之管棚施工对钻孔精度要求非常高，如何选择钻具、作业人员钻孔技术的高低都是管棚施工的关键，对钻孔质量起决定性作用。
另外，管棚施作前要在洞口实施降水，把洞口水位降止管棚位置以下，以避免水土自涌。
（1）钻具的选择
由于地层为砂质粉土层，自身承重能力差，易液化，没有自稳能力，无法成孔，不能采取传统的先成孔后顶进钢管施工方法，应采用扭矩较大、导向较好的钻机，配备跟管钻具进行跟管施作。
跟管采用自行研制的钻具，钻杆与钢管配合，使钢管随钻杆一次安置，岩芯从钢管内排出。
要求钢管联结紧密，必要时在丝扣加销、加焊，以防钢管扣滑丝。
此外，相临钢管丝扣错开至少1米。
（2）钻进参数
施工中对钻进参数的选择非常关键，主要控制两个方面：
一是转速宜为25~35rad/min左右，转速过大易引起钻具在孔内摆动幅度大，对地层的影响加大，加大偏斜量。
二是钻机的压力控制应根据钢管顶进情况随时调整，以进尺最快为宜，一般为1Mpa。
（3）参数配合
钻进中对转速及压力的要求不是一成不变的，要视具体情况和地层特点合理选配，需要一支有经验、技术好的施工队伍，需要熟练的技术工人来适时掌握，而不是单纯的靠一台好的设备来完成。
7、注浆
管棚注浆是管棚施工的关键环节之一，注浆效果的优劣同样影响着整个管棚的施工质量。
因此，在设计给出浆液种类、预期注浆效果等条件下，为保证施工质量，在实际注浆施工前进行现场原位注入试验，确定科学的注浆方法和最优的注浆参数，以保证注浆效果。
（1）管棚钢管孔口安装
注浆前，为防止浆液从导向管和钢管间的间隙内外流，要把此间隙密封。
为保证注浆效果，孔口宜设排气孔。
如果管棚下倾，在特制封头上设一排气孔加上排气阀即可。
如果管棚上仰，则需在钢管内设一根排气管至孔底，其孔口装置同前。
注浆时，把排气阀打开排气，等浆液从排气阀流出时，再把排气阀关掉。
（2）注浆顺序
采用钻一注一的方法。
（3）管棚注浆
注浆浆液必须搅拌均匀，经滤网放入储浆桶，再由注浆泵经管路注入到钢花管中。
注浆时，控制好注浆压力和速度，在注浆泵及钢管孔口处要设专人操作，认真观察压力表和孔口有无异常现象。
每注完一桶，或注浆工作暂时间隙时，要把孔口注浆阀关闭，以防注浆液倒流。
按要求注完浆液后，管内再注入砂浆进行充填。
对无孔实管只注砂浆进行充填，要求充填要饱满密实。
（4）注浆结束标准
钢花管注浆一般按单孔注浆量达到设计浆量作为注浆标准。
当注浆压力达到设计终压不小于20分钟，进浆量仍达不到设计注浆量时，也可结束注浆。
另外，当注浆压力达到终压的80﹪时，出现较大的跑浆，经间歇注浆后，也可结束注浆。
（5）注浆施工注意事项
①、注浆前认真检修机具，对管路系统如混合器、接头、阀门等，如有破损应予更换。
②、所有注浆材料应无杂物，水泥应无结块。
③、在注双液浆时，为防止管路堵塞，先开水泥浆泵，后开水玻璃泵。
结束注浆时，先关水玻璃泵，后关水泥浆泵。
④、注浆作业要前后配合，统一指挥。
否则，不能保证注浆计划的实现，不能达到预期的目的和效果。
⑤、认真作好注浆记录，包括每孔注浆量、注浆压力、有无跑浆、窜浆情况等都要及时填写清楚。
8、注浆效果检测
管棚注浆施工完毕后，为探明注浆加固效果，需采取一定的检测手段对注浆结果加于评定，从中找出不足，加以改进，不断提高注浆技术水平。
①、钻探取芯法
从取出的岩芯可以直观地观察并判断浆液扩散半径以及通过对岩芯做室内三轴强度试验、剪切试验等，准确评价是否满足设计要求，从而判定注浆效果的好坏。
②、根据开挖后实际情况进行判断
此方法为钻探取芯法的补充，虽为推迟检测法，不能及时对已施工完成的管棚所存在的缺陷加以补救，但可以此来进行下一步调整完善下一循环的管棚施工，改进注浆参数。
六、机具设备
（一）长大管棚作业主要机具设备（参见表1）
长大管棚作业主要机具设备配备表表1
序号
机具名称
型号及规格
单位
数量
用途
1
坑道钻机
MK-5
台
2
钻进成孔
2
泥浆泵
BW-150
台
2
注浆
3
泥浆搅拌桶
各种型号
台
1
拌制浆液
4
电焊机
各种型号
套
1
焊接导向管
（二）主要设备技术参数
1、MK-5坑道钻机的技术参数（参见表2）
MK-5坑道钻机主要技术参数表表2
技术参数
指标
技术参数
指标
钻孔深度（m）
500
输出扭矩（N.m）
2000
钻杆直径（mm）
50
主轴通孔直径（mm）
75
开孔直径（mm）
150
给进压力（KN）
50
终孔直径（mm）
911
起拔能力（KN）
50
主轴转速（r/min）
10~375
电机功率（KW）
30
此钻机广泛应用于坑道地质勘探，锚固、旋喷注浆等工程施工作业。
钻机采用全液压动力头结构，由主机、泵站、操作台三部分组成。
管棚施工时，为减轻重量，泵站可放置地面上，搬迁升降方便。
此钻机稳定性好，给进压力大，顶管或跟管方便。
2、BW-150泥浆泵的技术参数（见表3）
BW-150泥浆泵主要技术参数表表3
技术参数
指标
技术参数
指标
缸径（mm）
70
流程（L/min）
150，90，58，38，
125，72，47，32
行程（mm）
70
活塞冲次（次/分）
222，130，86，57，
183，107，71，47
额定排出压力（Mpa）
1.8，3.2，4.8，7.0，
2.3，4.0，6.0，7.0
重量（kg）
配电机516
七、劳动组织
（一）人员组织
1、根据管棚施工生产及各工序需要，对施工人员的组织参见表4。
管棚施工生产人员配备表表4
工种
人数
工种
人数
技术人员
2名
车工
2名
组长
1名
电工
1名
注浆人员
12名
机修工
2名
八级钻工
24名
材料
1名
合计
45人
2、人员要合理组织与分配，定岗定员，责任到人，逐级管理。
为此，根据各生产环节需要，现场设立若干职能组，其职能组织形式如图2。
3、对各个职能组织其岗位责任要求如下：
现场指挥组：
负责整个工程的指挥协调及安全质量。
技术组：
负责技术交接、技术把关、施工工艺研究及资料整理等工程质量全过程，全程严格控制、监督。
施钻组：
负责管棚钻孔作业及下设钢管，严格按技术要求进行操作，作好施工记录。
下管注浆组：
负责管棚注浆并协助下管，按技术人员要求进行操作，使浆液饱满密实。
机修组：
负责钻孔及注浆机械的维修，保养以及钢管的现场加工，保证机械设备运行良好。
后勤组：
负责施工材料进场，对材
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