管棚结合局部帷幕注浆穿越隧道破碎带施工技术

涂富强



管棚结合局部帷幕注浆穿越隧道破碎带施工技术

涂富强

中铁二十五局集团第一工程有限公司

摘 要：本文介绍了某隧道施工在通过某断层松散块状破碎带时，采用管棚为主，超前局部帷幕注浆为辅，两者结合的施工工艺成功穿越了该地质断层带。该施工方法减少了注浆量，并利用了跟管管棚一次成孔的优点，降低了作业成本，减少了施工工序，加快了施工进度，得到了很好的技术效益、经济效益和社会效益。

关键词：隧道；帷幕注浆；管棚；钻孔；注浆

1.工程简介

新建赣龙铁路复线工程观音山隧道全长4778m，位于赣县江口镇、吉埠镇范围内，观音山隧道进口洞口里程为DK31+470，地处赣县江口镇，在里程DK31+769～DK31+812段围岩为原设计F1断层影响带，处于沟谷，埋深62m，上台阶掌子面开挖至DK31+797时，开挖揭示岩层为松散块状破碎带，岩石破碎，岩块间隙大，类似由碎岩块堆积而成，涌水较大，岩性为寒武系中统（∈2）变质砂岩夹板岩，青灰色，弱风化，厚层状构造。采用TSP-203对掌子面前方地质进行长距离超前预测预报，再结合超前地质钻和地表探孔进行钻探取芯验证，破碎带长度43m，开挖施工时易塌方、突水突泥，施工难度极大。

2.施工方案的选择

在穿越隧道不良地质断层带时最合理的施工方法有地表预注浆加固法、超前帷幕注浆法和长管棚法。因该段隧道埋深较大，如采用地表预注浆加固法，无疑效率底，成本高。超前帷幕注浆具有可靠、高效的优点，但要保证施工效果，至少要施工105个孔，绝大部分孔要采用前进式注浆，施工时各种工序投入量大 ，循环时间长。洞身管棚具有施工快、安全性高、工期短等优点，但在堆积岩块内钻进容易卡钻，难以成孔，并且采用双液注浆时容易堵管，注浆效果难以保证。为了能安全、顺利、快速的穿过DK31+769～DK31+815断层影响带，将超前帷幕注浆和管棚法优化结合使用，并分3个循环进行施工，每个循环长度20m。

2.1超前帷幕注浆方案优化

全断面帷幕注浆钻孔多，每个孔的外插角不一样，而且要求注浆孔有效扩散半径2.5m，施工难度大。根据掌子面地质分析，只要保证隧道拱部的围岩稳定，把拱部围岩加固加强，再采用合适的开挖方法就能成功穿越该断层影响带。在此采用超前帷幕注浆，只需将隧道拱部周边围岩进行预加固，并在管棚施工的下方形成半封闭截水圈，为管棚施工创造条件即可。施工中项目部对超前帷幕注浆进行优化，在开挖轮廓线以内水平钻孔，成孔后采用后退式注双液浆，快速对开挖轮廓线周边围岩加固并形成半封闭截水圈，以保障管棚钻孔的顺利实施和防止管棚浆液流失。

通过以上优化，采用超前局部帷幕注浆，避开了全断面帷幕注浆施工难度大，耗时长的缺点，降低了整个施工成本和工期。

2.2管棚施工工艺的优化

在破碎带中施工管棚，最常见的问题就是卡钻，虽然施工管棚前已采用超前局部帷幕注浆对开挖轮廓线附近的岩体进行了加固，但是在钻机钻头强大的冲击作用下，部分岩块容易产生松动，如采用先打孔，后送管的施工工艺，容易形成卡管现象。为了避免这个问题出现，施工中采用了根管施工工艺。跟管工艺采用两个钻头施工，内钻头冲击围岩钻进，外钻头连接管棚同步跟进，使用高压风和少量高压水将钻渣从管棚内部排出。成孔后将内钻头钻杆从管棚中间退出，无需再进行清空送管，即保证了管棚的成孔率，又节约了顶管的时间。

3.超前局部帷幕注浆施工方案

3.1孔位布置

在拱部150°距开挖轮廓线内50cm布置一圈注浆孔，孔距50cm，孔数41个，孔径Φ110，水平孔，孔深23m，每环搭接3米，施工3循环，如下图1和图2所示。

3.2钻孔

在满足注浆要求的前提下，帷幕注浆孔可选用较小的钻头，以节约钻孔时间，施工中使用Φ110钻头一次成孔。钻孔时作好钻孔记录，包括孔号、进尺、起止时间、岩石裂隙发育情况、出现涌水位置、涌水量和涌水压力。钻进时尽量使用球齿摩擦钻头旋转摩擦钻进，牢固岩石部分采用风动冲击钻进，避免出现卡钻现象。

3.3注浆

3.3.1注浆材料

帷幕注浆孔注浆的目的是快速对开挖轮廓线周边围岩加固并形成半封闭截水圈，以保障管棚钻孔的顺利实施和防止管棚浆液流失，因此注浆采用水泥-水玻璃浆液最适合，水泥-水玻璃浆液具有如下优点：凝结时间可控制在几秒到几分钟范围内；材料丰富，价格便宜；在动水条件下注浆，被水冲走、稀释的程度小，堵水效果明显；浆液结石率高达100%，结石体强度高，可达10～20Mpa；结石体的渗透系数为10-3cm/s，防渗性能较好；对地下水和环境无污染。

3.3.2浆液配合比：水灰比为1∶1～0.8∶1；浆液比为1∶1；水玻璃浓度控制在30°Be′～35°Be′，模数2～3。

图1、止浆环和管棚孔位图

图2、止浆环和管棚纵断面图

3.3.3注浆方法

该地质围岩松散松动，如采用前进式注浆耗时较多，工序繁杂。现场采用钻杆后退式注浆，分段长度1-2m。施工时注浆孔一次性成孔，成1根注一根。

双液注浆最容易产生的问题是浆液容易在注浆管内凝结堵管，施工中采用的钻杆为双层钻杆，通过注浆管将水泥浆和水玻璃浆分别送到双层钻杆内，浆液通过内外层流至钻杆端头，从喷枪中喷出之后通过钻杆旋转立即在地层中混合，先充填钻杆和孔壁之间的空隙，然后再渗透到岩层中，如下图3和图4所示。

图3、双层管钻杆后退注浆法示意图 图4、钻杆端头喷枪大样图

3.3.4注浆参数

注浆压力：1～2MPa，；双液浆胶凝时间：经过现场试验，胶凝时间控制在60～90s，孔间距为50cm，只需保证浆液扩散半径37.5cm即可。施工顺序由两侧底部向拱部施工。

4.跟管管棚施工方案

4.1管棚施工参数

1）钢管规格：外径121mm，壁厚6mm；2）管距：环向间距40cm；3）倾角：外插角2～4°为宜，可根据实际情况作调整，尽量减小角度；④设置范围：拱部150°范围；⑤长度与根数：23m，根数49根，施工3循环。管棚布置图如图1和图2所示。

4.2无管棚工作室施工

1）常规洞身大管棚施工时需要为钻机设备预留操作空间50-80cm，使管棚打设在隧道开挖轮廓线外面，以防止管棚侵限。而开挖工作室在不良地质附近出现大变形等事故的风险几率非常高，有些掌子面突发事件必须要施工管棚时又没有条件开挖工作室。根据这种情况，既要保证管棚设备有操作空间不侵限又要保证不需要扩挖工作室增加风险，经过现场与一些老师傅研究和以往经验，使用开孔器钻孔充当导向管的方法就可解决这一问题。

导向孔开孔采用自制φ150金刚石钻头开孔器开孔，将掌子面的初支和止浆墙钻进2m左右，将钢架钻透，直至没有拱架位置，这样就为管棚钻机创造了良好施工环境，如下图5和图6所示。

图5、φ150金刚石取芯钻头

图6、导向孔施工

4.3 跟管管棚施工工艺

施工工艺见图7所示

图7、跟管管棚施工工艺流程图

管棚施工先施工奇数孔再施工偶数孔，施工顺序是由两边拱脚向中间。为了避免钢管同步搭接，Φ121*6无缝钢管分4.5米和3米两种规格， 4.5米的为主管，3米的用于错开相邻两条管的接头，每条管一端为外丝口，另一端为内丝口，采用矩形螺丝，丝扣长度≥50mm；管棚注浆段管壁四周钻φ10mm注浆孔，注浆孔间距15cm，每环一对，交错布置。

4.4 管棚注浆

管棚的注浆材料及注浆参数为：灌注浆液为水泥浆；水泥浆配合比为1：1（质量比）；注浆压力：初压0.5～1.0MP，终压1～1.5MP，压力逐渐由小加大。

注浆原则：奇数孔快，偶数孔慢，这样有利于浆液在有效区域内扩散；注浆量、压力控制原则是先控量，后控压，即奇数孔以定量为原则，偶数孔以压力控制为先决；隔孔跳孔施工，互为检查孔原则，即偶数孔施工时通过钻孔情况，判断奇数孔注浆效果。

管棚注浆结束后，再对每个孔进行补注浆一次，保证管棚注浆效果。

5.施工效果的检验

管棚注浆结束后，现场对注浆效果进行了检查，采用了钻孔取芯和压水试验的方法，结果都符合标准要求，下图8和图9为掌子面开挖后的照片。根据图片显示，管棚的数量、角度和注浆效果都非常理想，比各种注浆效果检查更有说服力。

图8

图9

6.结束语

在隧道松散块状破碎带地层中使用局部帷幕注浆封堵拱圈岩层空隙，再结合大管棚注浆施工来加固拱部地层的方法成功穿越了隧道松散块状破碎带，此方法利用了帷幕注浆的特点和大管棚的优点结合起来施工，是一次非常成功的案例，而且在施工中又使用了双层钻杆后退式注浆法和无管棚工作室导向孔施工法的新技术，使本次施工更加顺利，节约了大量的金钱和时间，产生了良好的社会效益，为今后类似的工程提供了非常宝贵的施工经验。

参考文献：

［1］崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术［M］.北京：中国建筑工业出版社.2011.05：24.

［2］王全胜， 肖红渠， 李治国.全风化花岗岩钻杆水平后退式注浆技术研究［J］.铁道工程学报， 2008， （7）：74-78.

［3］崔玖江，崔晓青.隧道与地下工程注浆技术［M］.北京：中国建筑工业出版社.2011.05：100.

［4］ 杨云.洞身长管棚施工工艺新技术［J］.筑路机械与施工机械化，2014， 31（8）：86-88.

作者简介：

涂富强，男，生于1982年，工程师。