管棚施工工艺工法.docx
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管棚施工工艺工法
管棚施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-SD-0302-2011
第五工程有限公司陶赞旭
1前言
1.1工艺工法概况
管棚超前支护法是近年发展起来的一种在软弱围岩中进行隧道掘进的新技术。
管棚法作为隧道施工的一种辅助方法，在软岩隧道施工中穿越破碎带、松散带、软弱地层，涌水、涌砂层发挥了重要作用。
管棚是利用钢管作为纵向支撑，钢拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体，不仅沿隧道纵向具有梁结构的作用，在横断方向还具有拱形结构支护效果。
由于其刚度较大，因此能够很好的阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力。
目前，管棚在隧道工程中较常采用，尤其是洞口位置处，围岩多风化破碎，岩质较差，为保证其进洞安全，常采用管棚作为超前支护。
对于一些松散破碎的软弱围岩，采取常规的管棚施工工艺，成孔困难，套管推进不到位，管棚施工质量无法保证，可采取跟管钻机对于软弱围岩管棚施工。
管棚的成孔方式主要有两种：
一是管棚引孔顶入法，当钻进地层易成孔时，一般采用先钻孔、后插管得方法，即钻孔完成经查合格后，将管棚连续接长，由钻机旋转顶进将其装入孔内；二是管棚跟管钻进法，当地质状况复杂，遇有砂卵石、岩堆、漂石或破碎带不易成孔时，可采用跟管钻进工艺，即将套管及钻杆同时钻入，成孔后取出钻杆，顶入管棚，拔出外套管。
1.2工艺原理
管棚支护结构，一般按松弛荷载理论进行设计。
根据围岩地质条件和施工条件进行力学计算。
钢管直径多选用80～180mm，钢管中心距离一般为30～50cm。
钢管长度视软弱破碎围岩的厚度而定，一般为10～45m。
钢管以较小的仰角沿岩面打入，形成了一个梁结构来承担围岩的压力。
钢管采用内注水泥浆、化学浆液或细石混凝土、劲性骨架来增加钢管刚度。
2工艺工法特点
2.1在管棚超前预支护的作用下开挖，可以防止地表下沉和围岩坍塌，以保证施工过程中的安全。
2.2管棚一次超前量较大，支护过程中搭接较少，节省材料。
亦可减少安装钢管次数，并减少与开挖作业之间的干扰。
2.3施工速度快，支护效果好。
3适用范围
管棚适用于特殊困难地段，如在极破碎岩体、断层破碎岩体、塌方体、岩锥地段、砂土质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育岩体、浅埋大偏压等围岩的隧道施工中。
4主要引用标准
4.1《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）、《铁路隧道施工规范》（TB10204）、《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417）、《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753）。
4.2相关设计图纸、合同文件。
图1管棚棚管构造示意图
图2管棚封口示意图
图3内放置钢筋骨架示意图
5施工方法
管棚施工方法主要有：
管棚引孔顶入法、管棚跟管钻进法。
每循环管棚施工前，应开挖管棚工作室，工作室大小根据钻机要求确定。
管棚施工前，在长管棚设计位置安放至少三榀用工字钢组拼的管棚导向架，导向拱架设置孔口管作为长管棚的导向墙，要求在钻机过程中导向拱架不变形、不移位。
管棚节间采用焊接或丝扣连接，管棚单序孔第一节长6（9）m，双序孔第一节长3（4.5）m、，其余管节长度均为6（9）m，管棚安装后，管口用麻丝和锚固剂封堵钢管与孔壁间空隙，连接压浆管及三通接头；管棚注浆前，应向开挖工作面、拱圈及孔口管周围岩面喷射10cm厚的C25混凝土，以防钢管注浆时岩面缝隙跑浆。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
图4管棚引孔顶入法施工工艺流程图
施工准备
测量定位
导向管定位、套拱施工
钻机就位
跟管钻进作业
注水清洗内杆
退内杆
棚管制备下棚管
退套管
安装止浆塞原材料进场检验
喷混凝土封闭工作面初选浆液配合比
安装、调试注浆管路初配浆液实验注浆
压水实验确定浆液配合比
注浆作业浆液制备
注浆效果分析调整注浆参数
不
管尾与钢架焊接符
合
结束
图5管棚跟管钻进工艺流程图
6.2管棚施工序操作要点
6.2.1开挖管棚工作室
1工作室确定
工作室应选择设置在围岩稳定地段，尽量接近加固地段，以缩短管棚长度；在软弱围岩中开挖工作室，要加强支护，必要时进行混凝士衬砌。
2工作室尺寸
为便于架设钻机，安设钢管，工作室断面应挖至隧道开挖线以外1～1.5m，最低钻孔以下1m。
工作室长度应满足设备施工需要。
6.2.2钻孔施工工艺
1准备工作
首先，在开挖轮廓线以外施作混凝土套拱作为长管棚导向墙。
浇注前，应在套拱内按设计仰角安设孔口管起导向、固定作用。
孔口管的直径应大于长管棚直径。
导向管由定位筋焊接固定在钢拱架上。
2钻机就位
钻机就位处的土层应进行夯实，确保在钻进过程中，钻机不发生倾斜或滑动。
钻机的底坐应用水平尺或水准仪将其调平。
钻臂的仰角与设计仰角相同。
3钻进
1）施钻时，钻机大臂必须顶紧在掌子面上，以防止过大颤动，提高施钻精度。
2）钻机开孔时钻速宜低，钻深20cm后转入正常钻速。
3）换钻杆时，要注意检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通等，不符合要求的应更换以确保正常作业。
4）由于软弱围岩的厚度，无法准确的判定，有时达到了设计深度，可岩质仍然比较差。
因此，在钻进过程中应注意对石粉的收集分析，根据钻进深度对石粉取样，作好记录。
6.2.3顶管施工工艺
1准备工作
顶管前，应根据管棚长度，对钢管进行下料，保证钢管接入后接头不在同一断面上。
为接管施工方便，应搭设施工台架。
根据设计的要求，管内填充水泥浆液、化学浆液或细石混凝土时应在探入围岩内部的钢管周围钻成梅花式的小孔，浆液以一定的压力压入管内，并沿梅花孔溢出，渗入破碎岩隙中，这样在浆液凝结硬化后，将钢管周围的岩层与钢管固结成整体，使开挖面上方形成了具有一定强度的薄壳结构。
2顶入施工
钢管顶入时，一般采用人工，也可借助于挖掘机、手动液压千斤顶、凿岩机、液压钻的冲击力等机具辅助进行顶入施工。
采用机具顶入时，应缓慢，稳妥，并随时掌握好方向，防止硬顶，将管顶弯，至使施工中断。
3连接
采用焊接连管时，应将第二根管固定在施工台架上，并保证两根管中心在同一直线上，接口处应严密，并检查钢管仰角与设计是否相同。
管棚节间采用丝扣连接时，管棚单、双序孔的连接丝扣错开半个节长。
接管完毕后，外露钢管口应用钢板焊接封堵。
钢板中间焊接注浆用的八分管，并安装球形止水阀门或其它形式的阀门。
6.2.4注浆施工工艺
1注浆顺序
管棚注浆顺序遵循“先两侧后中间、由稀到浓”的原则。
注浆施工由两端开始施工，向隧道拱顶方向推进，开始时注浆的浆液浓度要低一些，逐渐加浓至设计浓度。
2浆液拌制
浆液的拌制要均匀，具有良好的流动性和粘稠度。
如要求掺入水玻璃时，应先浆水泥浆拌制好，按配比称量出水玻璃的质量，徐徐加入，并随加入随搅拌，搅拌工作不能停止，一直至注浆完毕为止。
3注浆压力与注浆量控制
有设计要求时应按设计压力施工，无说明时应根据现场试验来确定。
实际注浆量应大于理论计算的注浆量。
为防止注浆时跑浆，在掌子面应喷射20cm厚混凝土，孔口管与钢管端部应用较粘的素水泥浆封堵严密，待其凝结硬化后方可开始注浆。
注浆时应徐徐加压，达到压力后，表示已注满，注满后，浆液有时会从封口处均匀溢出，有时也会从周围的岩隙裂缝处溢出。
注浆完毕后，应把注浆量与理论数值相比较，当注浆量小于理论数值时，说明管内未注满，此时应停止注浆查明原因后再进行压注。
4注浆结束标准
1）单孔注浆结束标准:
注浆过程中只要满足以下三个条件之一，即可认为单孔注浆达到设计的要求并可结束注浆。
第一，注浆压力逐步升高，达到设计终压（一般为1.0～2.0MPa）稳定10min；第二，注浆量不小于设计注浆量的80%；第三，进浆速度为开始进浆速度的1/4。
根据新建铁路云桂线参考图《云桂隧参08-02》
注浆量的公式计算如下：
Q=A×β=π×R×L×β
式中：
Q—总注浆量，m3；
A—注浆范围岩层体积，m3；
β—填充率，根据图纸及围岩情况而定；
R—注浆半径，m；
L—注浆长度，m；
2）全段结束条件：
所有注浆孔均以符合单孔注浆结束条件、无漏注浆的情况。
6.2.5钻进中遇到的问题及解决措施
1排碴困难
由于岩层比较松散潮湿，所钻钻孔排出的岩碴多为泥团,当钻孔较深时,泥团容易堵塞管孔,排碴十分困难,当钻进至设计孔深,开始退出钻头时,发现管内岩碴严重卡钻。
因此在钻进过程中,须严格控制进尺,勤吹孔,必要时从钻杆内向钻杆与套管的环状间隙内送水洗孔,然后退钻。
2钻头脱落
在钻进过程中经常发生偏心钻头脱落事故,经分析主要原因是偏心钻头横销材质较差,易断。
当事故发生后,先拔出套管,然后用筒状岩芯管取芯钻进取出钻头。
重新钻进时再重新选用轴承钢加工横销。
3管靴脱落
在跟管过程中,主要是通过跟管钻头在钻进的同时,利用管靴与钻头上的台阶拖着套管同步跟进。
因此套管靴是主要受冲击振动的部位。
当钻孔加深后,套管增长,摩擦力增大或后部套管被岩碴卡死后,套管管靴便很容易被打。
当管靴被打掉时,在拔出套管后,立即采用公锥取出管靴,更换管靴后再继续跟管钻进。
防止管靴脱落有如下两种方法：
一是在管靴与套管之间实行铆焊、点焊连接牢固；二是在动力头与套管之间另外增加一个同步给进装置。
4跟管钻进蹩钻
在跟管钻进过程中，当钻头遇地下隐埋物,如硬质石英砂岩或土石软硬不均时，钻进过程会发生严重蹩钻,导致钻具无法正反转，遇到此种情况需及时拔出套管，取芯钻进后再跟管钻进。
6.3跟管钻机管棚施工
6.3.1跟管钻机管棚施工与常规钻机管棚施工区别
1施工原理区别:
常规钻机管棚施工为先用钻机钻进成孔后,再将钢管推进形成管棚;跟管钻机管棚施工为钻头推进时套管直接跟进,管棚一次成型。
2钻头区别:
常规钻机钻头直接用常规冲击钻头,跟管钻机选用单偏心跟管钻头。
3套管区别:
常规钻机套管采用普通无缝钢管,每节5m～6m长度成孔后推进;跟管钻机套管采用DZ40高频淬火的无缝钢管,每节长度1.5m随孔跟进。
6.3.2钻机型号及配套设备
双帆YG-80型锚固工程钻机,钻头采用φ110mm单偏心跟管钻头和φ115mm潜孔锤单偏心扩底钻头,潜孔锤用J100B型。
跟管套管采用DZ40高频淬火的无缝钢管,壁厚4.5mm,反丝套管用接箍连接,丝扣长60mm,牙型采用标准地质套管螺纹。
7劳力组织
管棚施工的人员可视作业面情况而定，一般一台管棚钻机应为一个作业工班。
施工的质量和进度很大程度上取决于钻孔的质量和进度。
所以，必须有几个技术熟练的钻工和机长作为钻孔作业的骨干。
钻孔人员分成两班，24小时进行施工。
表1管棚作业人员配备表（供参考）
序号
工种
数量
工作内容
1
施工负责人
1
全面负责管棚作业工作
2
技术员
2
施工组织与质量控制
3
安全员
2
观察施工作业附近围岩变化情况
4
试验员
1
浆液配置
5
空压机司机
2
负责给管棚钻机供高压风
6
管棚钻机司机
2
每台管棚钻机配备2名操作手
7
压浆机司机
1
负责管棚注浆，记录
8
普工
6
负责钢管运输，浆液拌制
8主要机具设备
主要机具设备需求表
表2施工机具配备表
序号
设备名称
型号（参考）
单位
数量
备注
适用范围
1
管棚钻机
Z-GP150
台
1
备用1台QZ100K
主要用于石质地层
2
水平钻机
YG-80
台
1
主要用于土质地层
3
高压空压机
台
1
4
注浆机
台
1
5
电焊机
台
2
9质量控制
9.1钻孔质量控制
9.1.1保证钻机就位及施工过程中，地面沉降量不大于10mm。
9.1.2钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。
9.1.3钻杆晃动时，应适当降低钻速，防止因扩孔而改变仰角。
9.1.4钻进结束后应对孔深进行量测。
9.1.5孔口距偏差不超过±30mm，孔深偏差不超过±50mm。
9.2顶、接管质量控制
9.2.1隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50％，相邻钢管的接头至少需错开1.5m。
9.2.2接管时，两钢管断面应相吻合，并保证中心线在同一轴线上。
9.2.3钢管接头采用焊接时，应确保焊接质量，焊缝饱满，无露洞。
丝扣连接钢管单、双序孔的连接丝扣宜错开半个节长，丝扣连接钢管必须做到各丝扣连接必须拧死。
9.2.4钢管插入孔内的长度不得短于设计长度的95％。
9.2.5钢管型号、质量和规格等应符合设计和规范要求。
9.2.6钢管插入后，应外露孔口管0.1m。
9.3注浆质量控制
9.3.1孔内灌入细石混凝土时，钢管可不加工成花管。
9.3.2严格按照设计配合比配制浆液。
9.3.3如需加入水玻璃时，应调整好各工序，尽量缩短注浆的时间。
并在灌入前，进行孔外的凝结时间试验。
9.3.4搅拌浆液应随施工不间断进行。
9.3.5严格保证持压时间。
9.3.6注浆应连进行，中途不得间断，如被迫中止时，应用清水将孔内浆液冲净。
9.3.7卸管后应立即进行封堵，并在注浆过程中随时观察岩隙或其它外露部位有无溢浆现象，待浆液均均流出时，再进行封堵。
8.3.8施工前对各孔位进行编号，认真作好注浆记录。
10安全措施
10.1总体控制
10.1.1加强对作业人员安全教育，并经培训后才能上岗。
10.1.2进入现场施工必须正确佩戴安全帽，高空作业必须系好安全带，并保证附着物的牢固。
10.1.3钻孔及注浆作业时，施工人员佩載好防尘口罩。
10.2钻孔施工安全控制
10.2.1钻进过程中，应随时观察钻进对周围岩层的扰动，如发生少量局部坍方、涌水等情况必须停止施工，汇同监理、设计单位对围岩重新进行分析。
10.2.2施工平台应满足施工要求，高空作业时，应考虑施工人员系安全带的位置。
10.2.3钻机维修保养应在停机后进行。
10.3顶、接管施工安全控制
10.3.1搬抬、安装、焊接钢管时其端部禁止站人。
10.3.2机械配合顶管时，应由专业人员指挥。
10.3.3切割钢管、钢板时应戴好护目镜。
10.3.4电焊工按要求穿好劳动保护。
10.4注浆施工安全控制
10.4.1注浆过程中，需观察注浆施工对周围岩层的扰动，发生险情时，立即暂停施工，组织人员撤离。
10.4.2机械制浆时，在制浆机钻动过程中，作业人员不得将工具放入搅拌容器中。
10.4.3注浆施工中管口不得对着人员。
10.4.4注浆完毕后，卸管及封堵人员应侧身进行操作。
10.4.5掺入化学浆液时，应避免溅入眼内或与皮肤接触。
11环保和节能
11.1环保防范措施
11.1.1钻孔过程中将产生大量的粉尘，钻进时，随钻进随注水防尘，保证钻杆及钻头的注水孔通畅。
11.1.2注浆时，在施工场地下方铺设彩条布，防止化学浆液或混凝土污染土地。
11.1.3搅拌、钻孔、机具清洗等污水排入沉淀池，经沉淀后排出。
11.1.4浆满时，溢出的浆液应盛入容器中。
11.1.5产生的施工废弃物应按规定放入指定存放点。
11.2节能
11.2.1根据设计钢管长度合理下料，减少接头数量。
11.2.2在施工前应作好各机具、设备的检修、调试工作，确保在施工中不发生因故障造成施工中断，保证施工的连续性，减少运转空压机电能的损耗。
12应用实例
12.1应用工程概况
由中铁一局集团第五工程有限公司承建的云桂铁路石林隧道全长18.208Km，施工里程为DK651+225～DK669+433，设计为单洞双线隧道，最大埋深约250m。
隧道进、出口段处于岩溶高原向盆地过渡的岩溶斜坡地段，全风化层较厚，局部存在顺层，稳定性差，岩石破碎，力学性质差。
为保证隧道顺利安全进洞，进出口段采用钢管棚作为超前支护。
12.2施工情况
12.2.1本工程长管棚设计参数
1钢管规格：
热扎无缝钢管直径φ108mm，壁厚6mm;
2管距：
环向间距40mm;
3倾角：
外插角1°～3°（不包括路线纵坡），方向与路线方向平行;
4管棚内注入水泥、水与水玻璃的混合浆液，配合比为：
水泥：
水：
水玻璃＝1：
1：
0.5;
5套拱导向墙砼设计强度C20，套拱在明洞外轮廓线以外施作，套拱内埋设4榀18号工字钢，工字钢与管棚孔口管焊成整体;
6管棚长度：
共设置39根，35m/根，钢管总长度为1365m。
7钻机：
管棚钻机采用Z-GP150一台。
12.2.2长管棚施工示意图
图6长管棚正面布置图
图7长管棚断面图
12.3使用效果及施工图片
石林隧道进出、口通过采用长管棚对洞口进行加固，保证了进洞安全，起到了很好的超前支护作用。
通过对爆后的加固段效果观察，管内浆液能够渗入到破碎风化的岩隙中，使其成为薄壳结构，虽然围岩的强度很差，但爆破后未发生大量的剥落，拱部最大超挖量基本控制在0.3m以内，使洞口破碎带的爆破达到了理想的效果。
图8安装导向管图9管棚钻机钻孔
图10安装管管图11机械配合顶管
图12管棚注浆图13注浆压力测试
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