大西客運(yùn)專線忻州隧道自進(jìn)式管棚施工技術(shù)

郭 峰，劉 安，郭寶海

(河南省地礦局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州450000)

1 自進(jìn)式管棚簡(jiǎn)介

自進(jìn)式管棚是將管棚鋼管加工成鉆桿，通過水平鉆機(jī)直接鉆入地層后進(jìn)行注漿填充形成的超前支護(hù)剛性體。自進(jìn)式管棚的鋼管不設(shè)溢漿孔，鉆頭直接利用管棚鋼管加工成敞口、楔形或三翼等形狀，后端通過變徑同鉆機(jī)連接;其鉆頭內(nèi)可安設(shè)專用導(dǎo)向儀進(jìn)行精度控制，同時(shí)作為鉆具的鋼管通過絲扣同軸連接，使自進(jìn)式管棚具備了超長(zhǎng)性(超100 m)的前提;自進(jìn)式管棚注漿時(shí)漿液先填充管棚內(nèi)部，內(nèi)部充滿后沿安設(shè)在孔口的溢漿管溢出，關(guān)閉溢漿管后漿液開始填充管棚外部，整體剛度更具優(yōu)越性。

2 工程概況

大(同)西(安)客運(yùn)專線忻州隧道DK206+700～820段斜穿大(同)運(yùn)(城)高速公路，公路與隧道洞身夾角48°11'37″，隧道穿越段位于R=8000 m的圓曲線上，拱頂至路面高度約26 m。隧道地層表覆新黃土，下伏老黃土。老黃土淺棕紅色，堅(jiān)硬～硬塑，土體緊密，含鈣質(zhì)結(jié)核層和洪積碎石類土和砂土;新黃土分布廣泛，部分具濕陷性，局部為Ⅳ、Ⅴ級(jí)濕陷性，系數(shù)δs=0.017～0.080。為確保大運(yùn)高速正常運(yùn)營(yíng)及隧道安全開挖，采取自進(jìn)式長(zhǎng)管棚進(jìn)行一次性超前預(yù)支護(hù)。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 管棚孔位布設(shè)

在隧道DK206+700～820拱部150°范圍沿開挖輪廓線外偏30 cm布設(shè)一環(huán)159 mm自進(jìn)式管棚，一次性打設(shè)長(zhǎng)度120 m，共設(shè)自進(jìn)式管棚52根，具體詳見圖1。

圖1 自進(jìn)式管棚孔位布設(shè)圖

3.2 管棚各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定

鋼管壁厚6～8 mm，支護(hù)范圍150°，管棚間距400 mm，設(shè)計(jì)偏角0.5°～1.0°，管棚外偏300 mm，打設(shè)精度±5‰。

3.3 自進(jìn)式管棚連接

3.4 注漿

單根自進(jìn)式管棚完成后直接封孔注漿，漿液選用水灰比0.8～1的水泥漿，注漿壓力0.8～1 MPa，注漿速度20～100 L/min，注漿方式為一次注漿。

4 工藝流程及主要施工工藝

4.1 施工工藝流程(見圖2)

圖2 自進(jìn)式管棚施工工藝流程圖

4.2 施工工法

結(jié)合該項(xiàng)目情況及以往施工經(jīng)驗(yàn)，采取水平導(dǎo)向自進(jìn)式管棚鉆進(jìn)，采用楔子板導(dǎo)向鉆頭、SE－1型導(dǎo)向儀。

4.3 主要施工工藝

4.3.1 管棚工作室施做

管棚施做前應(yīng)沿開挖輪廓線外擴(kuò)挖1 m，擴(kuò)挖長(zhǎng)度≮6 m，以保證鉆機(jī)作業(yè)空間。工作室開挖面應(yīng)保證平直、圓順，以保證管棚施做過程中的安全性及角度的可控性。

4.3.2 止?jié){墻施做

止?jié){墻施做首先應(yīng)保證密閉性，對(duì)出現(xiàn)的局部裂隙應(yīng)進(jìn)行噴漿處理;其次，止?jié){墻應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度，以能抵御來自注漿的壓力，厚度≮1.0 m，砼強(qiáng)度≮C20級(jí)為宜，以保證管棚注漿效果。

4.3.3 孔位布設(shè)

孔位布設(shè)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)孔向間距、外偏距采取電腦模擬辦法確定出各孔位位置，然后采取全站儀定位。如現(xiàn)場(chǎng)條件限制，可先測(cè)定出隧道中心線及開挖輪廓線，然后根據(jù)孔向間距現(xiàn)場(chǎng)采用5 m鋼尺進(jìn)行噴漆定位。對(duì)預(yù)先計(jì)劃實(shí)施管棚的項(xiàng)目，亦可提前安設(shè)管棚導(dǎo)向架。

4.3.4 鉆機(jī)工作臺(tái)組裝

鉆機(jī)安裝前首先進(jìn)行工作臺(tái)組裝，鉆機(jī)工作臺(tái)主要用來支撐鉆機(jī)作業(yè)，控制鉆機(jī)移動(dòng)設(shè)置，因此必須具有一定剛度、穩(wěn)定性。工作臺(tái)采用H型鋼高強(qiáng)螺栓連接而成，四周采用鋼管斜拉穩(wěn)定，型鋼規(guī)格250 mm×250 mm，螺栓16 mm，鋼管采用48 mm腳手架管。

工作臺(tái)組裝前首先平整鋪設(shè)場(chǎng)地，并進(jìn)行夯實(shí)、硬化處理，以避免作業(yè)過程中出現(xiàn)沉降。選用2根H型鋼做底軌，底軌鋪設(shè)要求水平誤差＜3 mm(水平尺控制)，兩軌平行誤差±3 mm(對(duì)角找方控制)，底軌長(zhǎng)度依據(jù)管棚施做范圍外擴(kuò)1.0 m設(shè)置。立架采取4根H型鋼，并采用高強(qiáng)螺栓通過墊板與底軌連接，擱置鉆機(jī)的橫擔(dān)采用2根H型鋼與立柱連接，連接亦采用高強(qiáng)螺栓通過墊板固定。鉆機(jī)通過手動(dòng)葫蘆可在底軌上左右移位，在立柱上下移動(dòng)。

4.3.5 導(dǎo)向鉆頭制作、安裝

自進(jìn)式管棚采用楔子板鉆頭，鉆頭采用厚度為10 mm鋼板作為導(dǎo)向板，導(dǎo)向板旋轉(zhuǎn)直徑略大于管棚直徑5～10 mm，導(dǎo)向板與管棚或鉆具夾角20°為宜，導(dǎo)向板與管棚間隙部分用鋼板封堵，中間設(shè)置8～12 mm的射水孔。

導(dǎo)向儀前端的探棒固定在楔子板鉆頭內(nèi)，固定既要保證探棒在鉆進(jìn)過程中的穩(wěn)定性，又要保證在鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)便于取出。通常采取彎鉤鋼絲焊接方法固定，鋼絲繩牽引連接，信號(hào)線路依附鋼絲繩設(shè)置。具體如圖3所示。

圖3 楔子板導(dǎo)向鉆頭

4.3.6 鉆機(jī)安裝定位

鉆機(jī)安裝就位主要是將各路油管、動(dòng)力管等正確可靠連接，并接通電源后調(diào)試鉆機(jī)，對(duì)出現(xiàn)的破損管路及時(shí)更換。

鉆機(jī)定位是開鉆前的主要工作，也是確保鉆進(jìn)角度精確的關(guān)鍵一環(huán)。鉆機(jī)安裝后首先將鉆桿對(duì)準(zhǔn)開孔孔位，隨后采取中線偏量法控制外插角度，通過左右移動(dòng)鉆機(jī)方式或底軌將鉆機(jī)移動(dòng)到位，角度誤差控制在5‰后將鉆機(jī)焊定在鉆機(jī)臺(tái)架上。中線偏量法控制外插角是測(cè)量中線距鉆桿前后段距離Δ1、Δ2，測(cè)量鉆桿前后距離L(L≮3 m)，則外插角δ=(Δ1－Δ2)/L×100%。

外插角調(diào)整后采用電子水平尺測(cè)量鉆機(jī)仰角，仰角通過提升吊鏈升降鉆機(jī)底軌進(jìn)行調(diào)整，誤差控制在5‰。角度調(diào)整后將鉆機(jī)穩(wěn)固，并將加工好的鉆頭人工送入已開好的孔位內(nèi)，開動(dòng)鉆機(jī)將鉆桿與鉆頭連接一體，并進(jìn)行首次導(dǎo)向測(cè)角，導(dǎo)向測(cè)角與事先測(cè)量的外插角、仰角應(yīng)對(duì)照一致，并做好記錄。

4.3.7 管棚鉆進(jìn)

管朋鉆進(jìn)前應(yīng)先調(diào)整循環(huán)液，循環(huán)液主要起到護(hù)壁及潤(rùn)滑作用。本次采用鈉基膨潤(rùn)土循環(huán)液，循環(huán)液配比1∶0.4，循環(huán)液經(jīng)沉淀過濾后可重復(fù)利用，但要保證配比濃度符合要求。鉆進(jìn)時(shí)，循環(huán)液泵壓應(yīng)控制在0.6～1.0 MPa，泵量為10～30 L/min為宜。鉆進(jìn)應(yīng)保持中低壓力，勻速中速鉆進(jìn)。

自進(jìn)式管棚通過鉆機(jī)采取絲扣連接方式逐節(jié)打設(shè)完成，每節(jié)長(zhǎng)度根據(jù)施做空間而定，本次采用4～5 m，并保證同一斷面接頭數(shù)≯50%。每節(jié)打設(shè)完成后通過采用導(dǎo)向儀進(jìn)行打設(shè)角度測(cè)量，并在下一節(jié)管棚打設(shè)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保每節(jié)管棚角度符合設(shè)計(jì)要求。每根管棚加尺后，須先空鉆2圈穩(wěn)固后再進(jìn)行絲扣接縫密閉焊接，并根據(jù)鉆進(jìn)中扭矩大小加設(shè)幫片(3片或4片)，以增加扭矩，防止在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)斷管現(xiàn)象。管棚進(jìn)尺通過鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)完成，鉆渣通過循環(huán)液排出。

每根管在安裝前必須進(jìn)行質(zhì)量檢查。管材不得有彎曲，絲扣四周壁厚均勻，絲扣完好合格。管材內(nèi)的鐵屑、贓物等必須清除干凈。安裝時(shí)避免與硬物相碰，以免損傷管扣。

導(dǎo)向儀連接線應(yīng)選用導(dǎo)電性能好，外殼絕緣性能好且耐磨的電線。接頭處要用2層熱縮套管套好，并注意不得將異物遺留或掉入打設(shè)管棚內(nèi)。

鉆進(jìn)時(shí)，導(dǎo)向人員隨著進(jìn)尺，須時(shí)刻觀察探頭角度變化情況，當(dāng)角度偏差＞0.2°時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾偏。當(dāng)糾偏無效、偏差＞0.6°時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，并及時(shí)報(bào)告項(xiàng)目經(jīng)理，研究對(duì)策后再施工?，F(xiàn)場(chǎng)須及時(shí)記錄每次導(dǎo)向數(shù)據(jù)及每次加管長(zhǎng)度，并在辦公室實(shí)施三維模擬，以保證鉆進(jìn)質(zhì)量。

4.3.8 封孔注漿

4.3.8.1 自進(jìn)式管棚注漿優(yōu)點(diǎn)

自進(jìn)式管棚注漿時(shí)漿液首先填充管棚內(nèi)部，內(nèi)部充滿后通過端口填充管棚外部空間。漿液充滿管棚體內(nèi)時(shí)孔口處的溢漿管開始溢漿(溢漿時(shí)證明管棚體內(nèi)壓漿已飽滿，漿液開始填充管棚外部空間)。漿液從溢漿管連續(xù)溢出后關(guān)閉閘閥，漿液開始填充管棚外部空間，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(一般0.8～1.0 MPa)，證明整個(gè)管棚及其外部空間均已填充密實(shí)，此時(shí)持續(xù)3～5 min即可終止，待漿液稍有沉淀失水后(一般30～60 min)打開溢漿管閘閥排出漿液中泌出的清水，通溢漿管可進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，以確保整個(gè)管棚體及周圍空間密實(shí)度達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)。由此，自進(jìn)式管棚注漿既規(guī)避了傳統(tǒng)長(zhǎng)管棚或空洞體地層管棚注漿不飽滿的缺陷，又可通過溢漿孔進(jìn)行多次注漿填充多空洞地層。

4.3.8.2 自進(jìn)式管棚封堵

管棚打設(shè)至設(shè)計(jì)深度后取回安裝在楔子板鉆頭的導(dǎo)向儀探棒，采取錨固劑或速凝水泥對(duì)管棚周圍空隙進(jìn)行錨固封堵，封堵時(shí)應(yīng)事先將帶有閘閥的溢漿管埋入，以利注漿過程中空氣、水的排出及二次注漿使用?？卓诜舛峦瓿珊髮ё{管節(jié)的鋼板作為孔口板焊接在管棚上，以便于注漿，孔口板要求焊接牢固、密閉。

4.3.8.3 自進(jìn)式管棚注漿

用BW－250型泵把拌制好的漿液通過高壓注漿管路輸送到孔口，注漿管與孔口事先焊接的管節(jié)通過閘閥連接。漿液按照設(shè)定的水灰比(0.8～1)進(jìn)行配置，拌制時(shí)間≮2 min，并經(jīng)過濾網(wǎng)至儲(chǔ)漿桶。

當(dāng)準(zhǔn)備啟動(dòng)注漿泵時(shí)應(yīng)事先征得孔口注漿人員同意后方可開泵注漿，以免誤傷前方施工人員。注漿時(shí)打開溢漿管閘閥，以利管棚內(nèi)空氣溢出，待漿液自溢漿管持續(xù)溢出后關(guān)閉溢漿管閘閥，此時(shí)持續(xù)注漿應(yīng)密切注意注漿壓力的變化及掌子面及隧道上方地面的變化，防止?jié){液外泄及地面起鼓現(xiàn)象。

注漿達(dá)到設(shè)計(jì)要求并停待30～60 min后打開溢漿管閘閥，持續(xù)注漿，此時(shí)注漿量一般很小，應(yīng)根據(jù)壓力變化情況及時(shí)停注。注漿應(yīng)逐孔做好記錄，待整個(gè)斷面完成后進(jìn)行總結(jié)分析。

5 自進(jìn)式管棚施工難點(diǎn)及解決措施

5.1 施工難點(diǎn)

(1)一次性施做120 m長(zhǎng)管棚在國內(nèi)實(shí)屬罕見，如何確保管棚自身在較大扭矩作用下能以同軸鉆進(jìn)而不出現(xiàn)斷管報(bào)廢是施工中控制的難點(diǎn)。

(2)超長(zhǎng)管棚如何能將打設(shè)精度控制在1%而規(guī)避傾斜超標(biāo)是施工中的難點(diǎn)和要點(diǎn)。

(3)在上穿高速公路情況下，如何控制高速公路路基沉降及正常安全運(yùn)營(yíng)是施工中的要點(diǎn)。

(4)對(duì)于超長(zhǎng)管棚，如何確保管棚體及周圍空隙注漿飽滿度是施工的難點(diǎn)和要點(diǎn)。

5.2 解決措施

(1)自進(jìn)式管棚采取公母扣內(nèi)接頭連接確保了管棚同軸鉆進(jìn)，同時(shí)管棚鋼管在連接時(shí)通過加設(shè)3～4片鋼板來增大扭矩，有效的規(guī)避了斷管的發(fā)生。

(2)在施工前首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖逐孔計(jì)算偏角(仰角和外插角)，在開孔及鉆機(jī)就位時(shí)嚴(yán)格按照打設(shè)參數(shù)進(jìn)行角度調(diào)整，鉆進(jìn)中采取管棚專用導(dǎo)向儀對(duì)鋼管逐節(jié)進(jìn)行角度量測(cè)與修正，從而確保打設(shè)精度，規(guī)避管棚傾斜超標(biāo)。

(3)自進(jìn)式管棚采取鉆孔和下管一次完成，對(duì)地層擾動(dòng)控制到最小，加上自進(jìn)式管棚鉆頭與管棚體基本同徑的特點(diǎn)，在粘土質(zhì)地層鉆進(jìn)中排渣量幾乎為零，從而有效控制高速公路路基沉降及安全運(yùn)營(yíng)。

(4)由于自進(jìn)式管棚鋼管為實(shí)管，漿液進(jìn)入管棚體后先填充管棚體內(nèi)，只有管棚體內(nèi)填充飽滿后漿液才自溢漿管溢出，此時(shí)關(guān)閉溢漿管開始填充管棚體外。由此可通過溢漿管控制注漿飽滿度，同時(shí)還可通過排氣管進(jìn)行二次注漿。

6 管棚施工效果總結(jié)分析

(1)該項(xiàng)目采取2臺(tái)HTG－200型水平鉆機(jī)歷時(shí)39天完成，平均80 m/臺(tái)班，功效極高;

(2)施做長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度120 m的49孔(設(shè)計(jì)52孔)，施鉆成功率達(dá)94.2%，成功突破了長(zhǎng)管棚施工技術(shù)(地層中的鈣質(zhì)結(jié)核體是導(dǎo)致斷管的關(guān)鍵);

(3)高速公路在管棚施工及隧道開挖期間正常運(yùn)營(yíng)，整體沉降未超出設(shè)計(jì)值(－20 mm)，有效確保了沉降;

(4)據(jù)開挖揭示的現(xiàn)場(chǎng)情況來看，除左下角3號(hào)孔(隧道處于左偏的圓曲線上)在75 m位置后出現(xiàn)侵線外，其它精度均滿足設(shè)計(jì)要求;

(5)據(jù)單根管棚理論注漿量為Q=πR2Lη及注漿壓力為0.8～1.0 MPa的雙控指標(biāo)對(duì)自進(jìn)式管棚注漿飽滿度進(jìn)行評(píng)測(cè)，注漿飽滿度均符合要求。

7 結(jié)語

本工程的實(shí)踐表明，自進(jìn)式管棚具有以下特點(diǎn)。

(1)自進(jìn)式管棚對(duì)地層擾動(dòng)小。自進(jìn)式管棚施工采取成孔和下管一次完成，對(duì)地層的擾動(dòng)減少到最小，尤其對(duì)于自穩(wěn)性差的地層或土質(zhì)性地層更具優(yōu)越性。

(2)自進(jìn)式管棚打設(shè)距離長(zhǎng)、精度可控性強(qiáng)。自進(jìn)式管棚可通過楔子板鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向糾偏，能予確保一次性長(zhǎng)距離打設(shè)(超100 m)的高精度要求。

(3)自進(jìn)式管棚注漿飽滿度更有保證。自進(jìn)式管棚設(shè)有注漿排氣管，可通過注漿排氣管掌控管棚體注漿飽滿度，同時(shí)還可進(jìn)行二次注漿。

［1］王夢(mèng)恕，等.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術(shù)［M］.北京:地質(zhì)出版社，2008.

［3］龔曉南.地基處理技術(shù)發(fā)展與展望［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［4］葉觀寶.地基加固新技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］馮勁，林廷松，周紅升.超長(zhǎng)管棚施工技術(shù)在山嶺隧道軟弱圍巖中的應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(11).

［6］趙憲富，施澤龍，臺(tái)沐禮.長(zhǎng)春火車站南北地下通道管棚支護(hù)施工工藝［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(3).