偏心鉆具擴(kuò)孔全鋼套管跟進(jìn)長管棚法施工

楊枝會(huì)

引言：偏心鉆具擴(kuò)孔鋼套管跟進(jìn)長管棚法適用于隧洞大塌方、土夾石、軟弱破碎等一切成孔難的巖體隧道施工時(shí)采用。本文以四川平武縣水電站引水隧洞施工為例，介紹了鉆孔機(jī)設(shè)備及工具原理,總結(jié)了進(jìn)行跟管施工的技術(shù)要點(diǎn)和施工注意事項(xiàng)。

一、工程概況

四川省綿陽市平武縣古城水電站引水隧洞CIII標(biāo)全長4905.38m。隧洞過水?dāng)嗝鏋閳A形，直徑9.5m。因3#洞上游k2+746-k2+785段巖石處于富水區(qū)滲水嚴(yán)重段，且持續(xù)降雨，下斷面已施工未襯砌段拱架橫向無法受力，巖石長期受滲水影響，已經(jīng)形成泥化狀，導(dǎo)致巖石膨脹使拱架自底腳向上鼓出巖石面，造成巖石不穩(wěn)定，出現(xiàn)了垮塌現(xiàn)象。塌方后立即組織人員對(duì)塌方段及影響段進(jìn)行了處理，在塌方段施工處理至樁號(hào)K2+768.5后，塌方段堆積碴體已經(jīng)將整個(gè)斷面封閉，為防止繼續(xù)出碴造成塌方空腔擴(kuò)大及影響已支護(hù)處理塌方段，確保施工安全，根據(jù)此狀況，采用全鋼套管跟進(jìn)長管棚法施工的方式進(jìn)行塌方處理。

二、偏心鉆具擴(kuò)孔全鋼套管跟進(jìn)長管棚法施工特點(diǎn)

1、施工所用機(jī)械設(shè)備相對(duì)較小，且均有履帶式或步履式，移動(dòng)靈活，工藝簡(jiǎn)單，操作方便。

2、施工過程中廢水、廢液產(chǎn)生較少，產(chǎn)生污染小，符合環(huán)保、水保要求。

3、施工速度快，對(duì)整個(gè)工程工期影響較小。

4、超前支護(hù)效果明顯，安全可靠，且經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

三、工藝原理

1、采用的鉆孔機(jī)具設(shè)備

采用YXZ70型錨固鉆機(jī)擴(kuò)孔及單偏心DP108低風(fēng)壓型潛孔錘跟管鉆具作為鉆孔、擴(kuò)孔的主要配套機(jī)具；YXZ50型錨固鉆機(jī)為電動(dòng)機(jī)械式潛孔沖擊式鉆機(jī)。

鉆機(jī)由主機(jī)、液壓鉆、操作臺(tái)三大部分組成，用高壓膠管相互連接為一整體。主機(jī)放在鉆機(jī)平臺(tái)上，液壓站和操作臺(tái)可放在平臺(tái)下部(見圖1)。

圖1大管棚縱剖圖

DP102型潛孔錘跟管鉆具與YXZ50型錨固鉆機(jī)的鉆桿和管棚鋼套管相連接，由潛孔沖擊器、導(dǎo)正器、偏心擴(kuò)孔鉆頭、套管靴等組成(見圖2)

圖2潛孔錘跟管鉆具組合圖

2、鉆進(jìn)系統(tǒng)工藝原理

鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，鉆桿將回轉(zhuǎn)扭矩傳給潛孔鉆沖擊器，當(dāng)壓縮空氣從鉆桿送入潛孔沖擊器使之工作后，由潛孔沖擊器通過花鍵帶動(dòng)沖擊導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng)。沖擊導(dǎo)正器上有偏心軸，上面安裝著偏心鉆頭，由于偏心軸上的磨擦力小于孔底圍巖對(duì)偏心鉆頭的磨擦力，沖擊導(dǎo)正器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心鉆頭張開，并在開啟到設(shè)計(jì)位置后被限位鍵限住，隨著導(dǎo)正器回轉(zhuǎn)，沖擊器活塞沖擊導(dǎo)正器，導(dǎo)正器將沖擊波和鉆壓傳遞給偏心鉆頭，對(duì)孔底巖石進(jìn)行破碎。由于偏心鉆頭鉆出的孔徑大于鋼套管的外徑，當(dāng)導(dǎo)正器上的臺(tái)肩與套管靴上臺(tái)肩接觸時(shí)，導(dǎo)正器將鉆壓和沖擊波部分施加給套管靴，再加上鉆壓的作用，迫使套管靴帶動(dòng)整個(gè)鋼套管與鉆具同步跟進(jìn)，保護(hù)已鉆孔段的孔壁。

四、施工工藝流程及操作要點(diǎn)

1、施工工藝流程（見圖3）：

圖3施工工藝流程圖

2、施工方法

(1)管棚制作及孔位布置

根據(jù)該塌方段圍巖情況，采用D108*6熱軋無縫鋼花管作管棚，即直徑×壁厚=108×6mm。每環(huán)孔從拱頂開始布設(shè)，除拱頂布設(shè)1個(gè)，兩側(cè)分別按30cm間距布設(shè)。布置范圍為拱頂120°，共計(jì)40孔，每孔管棚長度為21m，累計(jì)840延m(見圖4)，鋼套管分節(jié)長度為1．5m，兩節(jié)套管問采用內(nèi)車絲扣方式設(shè)連接。

(2)管棚長度及花管、實(shí)管設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，管棚長度L=21m (14根×1.5m／根)，兩節(jié)管棚間采用內(nèi)車絲扣方式設(shè)連接，在保證孔口段1.5m為實(shí)管的條件下，其他段為花管，出漿孔直徑為15mm，梅花型布置，間距15cm×15cm。(見圖5)。

圖4大管棚橫剖圖

圖5管棚導(dǎo)管布孔圖

3、技術(shù)操作要點(diǎn)

(1)操作平臺(tái)及鉆機(jī)安裝牢固，洞邊墻支撐固定，保證施工中鉆機(jī)及平臺(tái)的穩(wěn)定性。同時(shí)平臺(tái)和鉆機(jī)安裝平整，用水平尺校正，確保其水平度。

(2)鉆具及跟管開孔保證孔位點(diǎn)、導(dǎo)向器及動(dòng)頭三點(diǎn)一線，并加長導(dǎo)管，隨時(shí)用導(dǎo)向器導(dǎo)向以保證鉛直度，確保管棚的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傾向。

(3)鉆孔跟管開孔先采用低風(fēng)量、低壓力純沖擊，先造引導(dǎo)孔，待孔基本成型后，開動(dòng)正轉(zhuǎn)讓偏心鉆具工作帶動(dòng)導(dǎo)管跟管，但轉(zhuǎn)速要限制，以確保孔口巖體不被大面積擾動(dòng)破壞。

(4)鉆孔跟管過程中，控制進(jìn)尺速度不能過快，注意間歇空鉆排渣，以保證導(dǎo)管與鉆桿間通道暢通，避免卡鉆并控制風(fēng)量及鉆壓(風(fēng)量、風(fēng)壓以保證沖擊器正常工作為準(zhǔn))。

(5)操作過程中特別注意，風(fēng)是偏心鉆具在導(dǎo)管內(nèi)，只能反轉(zhuǎn)，不能正轉(zhuǎn)，只有偏心鉆具出管靴后才正轉(zhuǎn)。

4、灌漿方法

灌漿前首先要素噴l5cm厚砼將塌方渣體封閉，防止漏漿。采用純壓式灌漿方法進(jìn)行灌漿。本灌漿工程為臨時(shí)加固工程，灌漿目的是使洞挖時(shí)水泥漿膠體能在洞周圍一定范圍內(nèi)起到粘結(jié)松散渣體的作用。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)灌漿數(shù)作如下設(shè)置：

(1)灌漿壓力：灌漿孔口壓力視其具體情況控制在0．1-0．3MP為宜(目的是控制擴(kuò)散半徑)。

(2)漿液水灰比：采用l：l和0．5：1兩級(jí)水灰比(以濃漿灌注為主，以使能盡快起到膠凝粘結(jié)作用)。

注漿分兩次進(jìn)行，即第一次是編號(hào)為單號(hào)的孔位進(jìn)行注漿，第二次是編號(hào)為雙號(hào)的孔位進(jìn)行注漿。大管棚在注漿前要在將鋼花管與預(yù)埋導(dǎo)向管間空隙用水泥砂漿封堵，避免露漿。在后來的開挖過程中，證明灌漿充填鋼管及周圍空間，相鄰的管孔能夠滲透連接，形成天幕式的管棚結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了管棚的剛度和強(qiáng)度。

(3)通過焊接在鋼花管上的止?jié){閥對(duì)大管棚注漿，注漿壓力為2.0～2.5MPa，在壓力達(dá)到2.0以上后持續(xù)15min，注漿量一般為鉆孔圓柱體的1.5倍，若注漿量超限，未達(dá)到壓力要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，直至符合注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙均為漿液充填，方可終止注漿。

(4)注漿時(shí)要關(guān)注注漿機(jī)壓力表的變化，若出現(xiàn)壓力表指示持續(xù)在1.0MPa以下，則要停止注漿進(jìn)行檢查，長見的原因?yàn)樽{機(jī)出現(xiàn)故障、漿液從地表竄出、與地表徑流相通，可依實(shí)際情況采取稍停注漿或調(diào)整漿液的方法處理。

五、質(zhì)量控制

1、鉆孔前，精確測(cè)定孔的平面位置、傾角、外插角，并對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào)，檢查鉆孔、打管質(zhì)量時(shí)，應(yīng)畫出草圖，對(duì)孔位編號(hào)、逐孔、逐根檢查并認(rèn)真填寫記錄。

2、鉆孔仰角的確定應(yīng)視鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度而定，一般控制在5°～8°（角度用地質(zhì)羅盤儀檢查），鉆機(jī)最大下沉量及左右偏移量為鋼管長度的1%左右，并控制在20 cm～30 cm。

3、嚴(yán)格控制鉆孔平面位置，管棚不得侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不得相撞和立交。

4、經(jīng)常量測(cè)孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時(shí)糾正，至終孔仍超限者應(yīng)封孔，原位重鉆。

5、單孔注漿量不得少于平均每孔注漿量的80％。

6、檢查注漿范圍，固結(jié)不良或厚度不夠時(shí)，要補(bǔ)管注漿。

六、結(jié)語

在施工過程中，應(yīng)以安全為重，禁止無關(guān)人員進(jìn)入洞內(nèi)，安全員應(yīng)隨時(shí)注意觀察圍巖變化。若有突變，所有人員必須立即撤離。施工過程中遵循監(jiān)理人的環(huán)保意見，以“防止污染，降耗節(jié)能，堅(jiān)持文明施工”為方針，施工現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)對(duì)噪聲、粉塵、廢氣、廢水的控制和治理，采取有效措施降低噪聲，控制粉塵和廢氣濃度，以及做好廢水和廢油的治理和排放。揚(yáng)塵、噪聲、污水和廢棄物排放滿足當(dāng)?shù)卣?guī)定標(biāo)準(zhǔn)。