超长大管棚的施工技术

周文章

（中铁十五局集团第五工程有限公司，河南 洛阳 471002）

1、前言

太原西南环线晋祠隧道穿越大运高速公路，隧道表覆第四系全新统人工堆积层，以杂填土、素填土为主，且有地下水，隧道覆土厚度为15米，由于隧道为浅埋段且地质条件差，隧道施工时，为减少高速公路地表沉降，设置了双层超长大管棚，管棚长140米，为国内罕见。

2、工程概况

太原枢纽西南环线晋祠隧道起讫里程为DK12+425～DK21+265，全长 8840m，设计为双线隧道，在DK17+630下穿太运高速，在隧道拱部160?范围内采用φ159mm（壁厚8mm）双层大管棚超前支护，超长管棚长140米，每层管棚环向间距0.4m，层间距0.3m，梅花型布置。管棚内填充水泥浆，管棚之间架设小导管，采用φ42、t=3.5mm热轧钢管，环向3根/m，长度4m，搭接2m，施工外插角10?。隧道上半断面均采用玻纤锚杆稳定掌子面，玻纤锚杆垂直掌子面打入，锚杆长度为12m，锚杆每列间距60cm，行间距80cm，HW175型钢间距0.5m/榀。在管棚工作面设置管棚工作井，在对面DK17+552.5-DK17+560段设置接受竖井，满足超长管棚的施工及安装要求。地下水位位于仰拱上部，且部分穿越砂层，该处在施工上半断面时采用旋喷桩止水帷幕进行堵水预处理，开挖至仰拱应及时封闭成环。为减少地表沉降采用CRD法开挖施工。

3、施工方案及方法

3.1 机具选择

管棚长度140m，采用型号：FDP-28B水平定向管棚钻机，一次性打设。

3.2 管棚参数

（1）钢管布设在圆心角为140°的隧道拱部；

（2）钢管环向间距为40cm；层间距30cm；

（3）第一层管心与衬砌设计外廓线间距为50cm；

（4）倾角：水平位置仰角0.8°(包括路线纵坡)；

（5）钢管施工误差：径向不大于20cm；

（6）管棚长度为140 m，热轧无缝钢管Φ 159mm，壁厚8mm，节长3m、6m。

3.3 精度要求

管棚垂直位置精度<0.5%，管棚左右位置精度<0.25%。

3.4 施工工艺流程：

工作井基底基础打造→三通一平→人员设备进场→铺设"H"钢轨道→钻机平台搭设→设备组装调试→（埋设孔口管→安装密封装置钻透砼残留层）→调试钻机（方位、仰角）→钻具组装进孔→棚管位置、角度检测→如有偏斜进行纠偏→检测冲洗液循环→钻进→回次加尺、接口补焊→孔斜测量（校正）→钻进→至设计深度终孔→管内、外注浆→如有需要二次压浆→移至下一孔位。

3.5 施工方法

根据本工程的工程地质，水文地质条件，施工场区环境等，为控制施工精度成功单次打设超长管棚，必须选择"有线仪器导向、一次性跟管钻进法"，成孔和埋设管棚管一次完成。该工法开孔前根据设计钻进轨迹，对垂向和水平方向分别给于不同的纠偏角（值）；有线导向仪器监控，楔形板钻头纠偏。保证实际钻进轨迹以较小的偏差向设计轨迹回归。为了选定工程技术参数，探索钻进偏斜规律，在正式施工前，须进行工艺试验。即先打1-2个试孔，搜集获取地层对钻进质量、进度的影响规律，孔内涌水、涌砂规律等，为了选定技术参数提供依据。试验孔孔位由甲、乙方协商确定，一般选择隧道中部为宜。

根据实际情况，遵循以尽量减少地层扰动，便于施工、互不干扰等原则，建议施工顺序为：先上后下，先易后难。

其主要工序为：

（1）工作井设置

在拟设管棚两端位置，先开挖管棚施工工作井，利用工作井，提前进行管棚顶进和注浆工序，使管棚施工不占用掘进时间，在保证质量和安全的前提下，得到节约工期的目的。前端的工作井安置卷扬机及定向轮，负责钢管的定向拉进；后端的工作井除安置水平导向钻机外，预先浇筑用于钢管顶进作业的千斤顶后背及顶进操作台。

（2）采用FDP-28B水平定向管棚钻机，钻杆前端安装导向专用钻头（内装有导向探头）。采用美国月食导向仪，随导向钻进加尺（当方位角、倾角、深度偏离设计导向轨迹时，随时纠偏）将钻杆依次打入，直至达到预定位置。根据地貌情况，棚管直接用Φ159×8mm棚管做钻杆，形成满眼钻进，有效的约束钻头，减小或防止钻具偏斜。随钻进加尺将棚管一次打入，成孔与棚管埋设一次完成。

（3）管棚施工

精确测量定位后，首先在拱顶上部中间位置利用水平导向钻机打设φ73的水平孔。要求此类导向孔的导向精度控制在20cm以内。导向孔完成后，根据水平孔的精度，分析是否进行扩孔作业，扩孔作业要采用挤扩的方法，不能采用通常水循环大扩孔方法，避免引起地层扰动，导致地表沉降。扩孔完成后采用前拉后顶的方法，在前部用卷扬机通过安放在前面的定向轮拉住φ159管棚钢管，以前端拉力为主，将φ159钢管拉入，在拉入时，可能会遇到回填不均匀的硬地层引起卡管现象，这时用后部千斤顶，在钢管后部施以顶力使钢管顺利通过，直至将钢管拉出对面掌子面。第一根钢管施工完成后，进行第二根施工，直至全部钢管铺设完成。

封闭钢管尾部：先用麻布条封堵管棚钻孔空隙，后用环形楔环顶紧，最后用电焊将楔形环焊接在管棚上。

（4）"有线仪器导向、一次性跟管钻进"工法管棚施工示意图

a用水平导向仪及钻具前端的探头可以监控钻头位置的水平角度，如有偏差采用不旋转顶进方式纠正钻头角度，从而达到调整钻进轨迹（垂向），保证棚管打设满足设计要求。

b导向仪的选择：导向的精度直接影响管棚打设精度，导向仪精度高打设精度就高。超出70米打设长度一般采用进口导向仪才能保证打设精度，通过多年施工验证，美国生产的月蚀导向仪更适合长大管棚的打设。

c直接用φ159×8mm棚管做钻杆，形成满眼钻进，有效地约束钻头，减小或防止钻具偏斜。随钻进加尺将棚管依次打入，成孔与棚管埋设一次完成。

d打设水平钢管的机械，可架设在我司自行研制的可升降行走的平台上，该工作台可水平行走和垂直升降,并能调节水平方位角和垂直方向的仰俯角，工人操作安全可靠。

e高速公路地层，采用优质泥浆护壁工艺和循环系统的设施，采用小泵量泥浆循环，通过钻头后部的单向阀与孔口密封装置(密封盒)的控制，保证孔内（环状间隙）泥浆饱满起到护壁防塌等作用（保压）。泥浆采用定向钻进专用高质量膨润土及外掺剂配制而成。

（5）管棚接长

管棚接长时先将前一根钢管顶入钻好的引导孔后再行连接。联接器螺纹长度不小于15cm。将联接器预先焊接在每节钢管尾端，便于连接。第一根钢管前段加工成尖锥状，以利钢管推进孔内。相邻孔内管的接头位置至少错开3m，避免接头在同一个断面受力。基础节管棚长度控制在10m左右（以便于搬移操作为准），接长部分每节控制在6～7m，每顶进一节接长一节，直至到设计长度。

（6）环状及管内注浆

施工前做注浆试验，以确定合理的注浆参数；对富水地段，管棚注浆采用水泥、水玻璃双液注浆；对于非富水段，采用注单液水泥浆，具体在施工中可根据实际地质情况、裂隙水发育情况决定注浆类型。注浆压力2.5Mpa。

a彻底冲洗钻孔，保持孔内均匀充满泥浆液；尽量减少孔内残余钻渣。

b注浆要求：稳定、流畅、不得中断、连续注浆，孔口出水泥浆后，封住孔口，然后再加压注浆1－3次；（加压不得超过0.6Mpa）。

c注浆时，可根据孔内情况，来回旋转或拉动钻具，一边注浆一边放气，以保证管外"环状间隙"注浆饱满。

d预先计算出注浆量，注浆时不得小于计算的注浆量。

e注浆浆液拟采用水泥浆，其具有可灌性好、沉淀析水缓慢、渗透性较好，与一般土层有较好的亲合力。易与周围土层、棚管形成整体结构性能。

4、施工注意事项

(1)台支撑要着实地，连接要牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。

(2)钻机定位：钻机要求必须精确核定钻机位置。用经纬仪、挂线、钻杆导向相结合的方法，反复调整，确保钻机钻杆轴线与管轴线相吻合。c钻进过程中全程用导向仪测定位置，并根据钻机钻进的现象及时判断成孔质量，并及时处理钻进过程中出现的事故。

(3)钻进过程中确保动力器，扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

(4)认真作好钻进过程的原始记录 (包括导向记录)，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述。作为开挖洞身的地质预探预报，作为指导洞身开挖的依据。

(5)严格控制钻进速度，采用低速钻进。必要时用拉管机将钻管拉回注浆，待固结后重打，要24h观察地面情况，发现问题立即处理：

(6)水平定向钻进时，每打设一根钻杆检测1～2次是否偏斜，如有偏斜及时校正；

(7)如果出现回填物使钻杆不按预设路径钻进，可反复旋转进退，将回填物破除。如仍不能清除，可撤回钻杆，用气动潜孔锤清除，然后继续钻进。

(8)为避免引起地面沉降，要保证实际出土不能大于理论出土值，尽量减少对地层的扰动。因此扩孔直径不能大于159mm，尽量控制出土量和用水量，同时，尽量减少对地层的扰动。

5、应急处理预案：

5.1 施工前详细了解地下障碍物（市政管线、军用通信、人防工程等）分布情况、最大埋深。根据调查结果做出相应防范措施。

5.2 钻孔涌水涌泥砂（应急预备方案）：通过钻进过程中对涌水涌砂的严重性进行评估。如有必要及时上报有关领导与设计部门，商讨采取有效预防涌沙措施。为预防钻进过程中出现涌水涌泥沙事故：

（1）孔口管的安装必须严格按要求进行，麻片缠绕要认真，松紧度、均匀度、厚度都要控制好。与砼内衬墙连接固定要牢固、有效。

（2）孔口球阀，密封盒质量要合格，安装前认真检查。

5.3 钻进中出现地下水泥沙涌出时：

（1）压紧密封装置的压兰；适当改小泵送水量；

（2）如发现地下水压力太大，可迅速加固孔口管；增加涨管螺栓和爪片数量，以便加固孔口管，防止孔口管外移。

5.4 孔内事故的处理：

钻进中发现孔斜明显超标（限）：查明原因，采取有效纠偏措施，例如：调整钻机角度或补打棚管等。为预防缩孔，抱钻等：

（1）严格控制泵压、泵量，泵工时刻观察冲洗液消耗量及循环状况，避免出现"干钻"。

（2）钻进中途应避免随意停钻（例如用餐、交接班等），必须停钻时尽量压缩停钻时间。

（3）断钻杆事故：备有必要的打捞工具。

6、实施效果

通过对高速公路设置路面沉降点观测，路面最大沉降量为80mm，控制了地表沉降，隧道顺利地穿越了高速公路，取得了很好的效果。

[1]王晓兴.水工隧洞超长大管棚支护施工技术.深圳市东江水源工程管理处.广东深圳 [期刊]广东水利水电，2006-10-30.