隧道工程大管棚施工工艺方案

隧道浅埋岩堆体ø108大管棚超前支护施工工艺编制:邵美华审核:张子菁宝达二级公路一合同段项目经理部二00九年十二月五日27 目录1.编制依据·································12.工程概况·································22.1概述··································22.2大管棚变更情况························32.3大管棚超前支护方法····················43.施工工艺·································73.1测量放样······························727 3.2钻孔··································93.3配管·································113.4送管·································123.5下钢筋笼·····························133.6管口封闭·····························133.7注浆·································133.8沉降观测·····························1827 3.9事故预防和处理·······················183.10机具设备和劳力······················194.安全措施································205.结论····································216.相关知识点······························217.主要参考书目····························241.前言南京市宝剑至达川二级公路一标段下南城隧道全长900m(K5+100~K6+000)，但其进口处于破碎土岩堆地段长达182m,且最浅埋深仅2m,同时围岩含水量大，工程力学性质差，开挖后易坍塌，成洞困难。27 为确保开挖稳定，进口段55m，隧道拱部120°范围采用ø108×8mm超前大管棚注浆支护辅助施工，共设两环，每环钢管总长度30m。我公司施工类似大直径的长大管棚，并且达到两环以上（包括两环），这是第一次。其施工工艺和方法尚无成熟的经验可以借鉴，需要进行摸索和研究。因此有必要对ø108大管棚超前支护的施工方法、适用机械、劳动组织等进行研究和总结，以便更好地加以推广和应用。将ø108大管棚超前支护的施工工艺，形成一整套操作性强、系统完整、详实准确、技术含量高、有推广价值的成果。对于提高工程的科技含量，增强技术创新能力，全面贯彻“科技是第一生产力”，推动公司的科技进步和“科技兴企”战略的实施，都具有重大的意义。2.工程概况2.1概述宝剑至达川二级公路一标段下南城隧道位于宝剑县城南郊下南城，隧道穿越下南城山，进口里程K5+100，出口里程K6+000，全长900m，路线设计纵坡-3%、-0.094%。进口30.632m及出口段192.75m分别位于半径为120m及200m的曲线上，其余地段位于直线上。进口K5+100段55m，为Ⅱ27 类围岩，隧道位于坡积碎石土层上，含水量大，埋深浅，工程力学性质差，围岩开挖后易坍塌，成洞困难。于隧道拱部120°范围采用超前大管棚注浆支护辅助施工（大管棚共布置两环），边墙及仰拱采用超前小导管注浆支护辅助施工。且设2榀/m拱、墙、仰拱格栅钢架加强支护。隧道开挖最大尺寸为宽×高=13.24m×9.86m。隧道衬砌内净空宽度为9+2×1.0米。限界净宽:10.5m，限界净高:5.0m。2.2大管棚变更情况原设计管棚里程段为K2+438~K2+488（50m），管棚长度60m，分两环布置。变更一：管棚里程段由K2+438~K2+488（50m）变更为K2+433~K2+488（55m），形成两个方案：①按两环布置，管棚长度为65m（里程段+一个接头+超前量=55+5+5=65m）；②按三环布置，管棚长度为70m（里程段+二个接头+超前量=55+5×2+5=70m）。考虑到按①施工，每环管棚长度都超过了30m，很难达到规范和质量要求。故采用②，每环长度分别定为24m、24m、22m。实际施工时，钻孔记录显示，第二环管棚已有2m伸入岩层，这样，第三环管棚已无必要，将其取消。27 变更二：钢管接头原设计为管子两头车公螺纹，对接后，外套厚壁管箍，将丝扣上紧。考虑到加工螺纹，费用很高，故变更为两种接头方法：外套管和丝扣法。其中，外套管法用于第一环大管棚，丝扣法用于第二环大管棚。2.3大管棚超前支护方法2.3.1管棚构造管棚由钢管和钢格栅拱架组成。管棚是利用钢格栅拱架，沿着开挖轮廓线，以较小的外插角，向开挖面前方打入钢管，形成对开挖面前方围岩的预支护。见下图2.3.2管棚的性能特点及适用条件27 管棚是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑，构成纵、横向整体刚度较大，能阻止和限制围岩变形，并能提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。管棚适用于特殊困难地段（如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等围岩）的隧道施工中采用。长管棚与短管棚相比，其一次超前量较大，可减少安装钢管次数，并减少与开挖作业之间的干扰，适用于大中型机械进行大断面开挖。2.3.3管棚支护结构要点⑴大管棚钻孔孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外10cm布置，环向中心间距40cm，外插角约，每环35根。⑵钢管采用外径ø108、壁厚8mm的无缝钢管，每环钢管总长度为30m。钢管分段安装。第一段按奇、偶数分别编号，奇、偶数不同的管长相差2m（若奇数管长为4m，则偶数管长为6m），其后各分段管长可取相等长度（6m）。两段之间用丝扣连接，丝扣螺纹段长度不小于15cm。钢管上钻注浆孔，孔径为ø10mm，孔间距50cm，呈梅花型布置。钢管尾部2m不钻孔作为止浆段。为提高钢管的刚度和强度，钢管内增设由4根φ20mm螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼，固定环采用外径ø42mm、壁厚8mm，长4cm的短管环，环向间距1m。⑶纵向两组管棚间，应有不小于3.0m27 的水平搭接长度。钢拱架采用钢格栅钢架。（4）在钢管内放置钢筋笼并灌注水泥浆单液浆或水泥-水玻璃双液浆，可增加钢管刚度。(5)注浆浆夜采用水泥浆，水灰比为：W：C=0.5：1。当地下水较发肓或浆液扩散范围较大时，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。注浆压力采用0.5～1Mpa。2.3.4大管棚施工工艺流程图备料施工准备机具设备检修钢管原材检验加工钢管钻机就位钢管与钻杆连接地质钻机钻孔27 钻机移位至设计深度管棚施钻完毕安设注浆管路配浆管路压水试验注浆结束3.施工工艺3.1测量放样①第一环大管棚（K2+432~K2+456）a.根据隧道进口布设的三角导线网，用坐标法测设管棚的起始中心里程（K2+433），落点。然后置镜中心点，测设中心线的垂线方向，在该方向上测设控制桩，每边各2个，以便随时恢复并检查方向的正确性。b.然后,在该方向上安设一钢格栅(其半径与大管棚半径相对应)，以作定位用。测设每根导管的中心线方向，并测设控制桩2个，同时在钢格栅上落点，于点位两端焊接Ф27 20的的短钢筋头（长20cm），以作导向用。同时在钢格栅下边用Ⅰ18工字钢布设五道支撑加固，确保钢格栅稳固。c．钻孔的方向和倾斜度控制方向控制：在每个导管中心线方向上，均钉设两个方向桩，以控制钻孔的方向。倾斜度控制：孔外，通过测设大导管孔口及钻机中心的高程进行控制。孔内，用精密水平陀螺仪控制倾斜度，分别在距孔口2m处、1/2孔深处、终孔处三处进行测量，不符合钻孔精度和要求的钻孔，必须封孔重钻。②第二环大管棚（K2+452~K2+476）一般测设同第一环大管棚。不同之处如下：a．第二环大管棚增设工作室（K2+445~K2+453），长为8m（每节ø108×8mm大导管长6.0m,加钻机机身及主动钻杆必需的2.0m）。围岩开挖后，立即初喷混凝土，架设钢格栅支撑和打设锚杆，挂网并喷混凝土覆盖。该工作室尺寸比设计轮廓线相应的增大,工作室纵断面示意图如下:27 b.由于第二环大管棚在洞内施做，工作空间狭小，且不能影响后续工序，所以不能象第一环管棚那样，将控制方向护桩钉设在地面上，而是在钻机机身中心上面的初期支护拱部设点，并用红油漆标记。同时,通过这些拱部点位的标高来反算钻机中心的高度,通过孔口及钻机中心两点的高程便于控制钻孔时的倾斜度(孔外)。3.2钻孔①检查开挖的断面中线及高程，确保开挖轮廓线符合设计要求。在开挖工作面处安设受力拱架，并在其上正确标明管棚位置；②钢架安装垂直度允许误差为±20，中线及高程允许误差为±5cm。在钢架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔，其外插角以不侵入隧道开挖轮廓线越小越好。钻孔顺序见下图：27 两台钻机钻孔顺序示意图说明：Ⅰ部和Ⅱ部同时开孔，同时结束；Ⅲ部和Ⅳ部同时开孔，同时结束。方向前进如上图所示。原则为：任何时候都必须保证有两台钻机同时工作。因为上导坑需人工开挖掘进，工效很低，是控制整个隧道工期的关键因素，所以必须千方百计地加快管棚施工进度，为人工开挖掘进，赢得一定的时间。③按照布好的孔位及钻孔的方向和倾斜度开始钻孔。孔口位置与设计位置的允许偏差为±5cm；孔底位置偏差小于孔深的10‰。④刚开孔时，要低压、慢转，以便于控制方向，然后逐渐地提高钻速，保持正常压力。如遇到大孤石时，则需高压、低速进行。总之，要随着地质的不断变化，相应地调整钻进参数。27 ⑤钻进时，用清水护壁，中间定期将取芯管取出，取出岩芯。当快成孔时，用水将孔内的悬浮物或泥浆、石碴等清洗出来，做到孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、岩粉清洗干净。⑥当出现严重卡钻、孔口不出水时停止钻孔,立即注浆。⑦钻孔结束后，掏孔检查，在确认无塌孔和探头石时，才可安设钢管。⑧钻头采用φ130的合金钻头，遇孤石时，则采用金刚石钻头。⑨大管棚施工完成后，成伞形辐射状。详见下图：3.3配管为了使大管棚的整体受力效果更好，在接长管棚钢管时，钢管接头在隧道纵断面上错开2m。下管时，由于φ108×8mm的大导管从4~6m27 不等，故必须将管子相互连接起来，才能达到设计长度。管子连接采用两种方法：第一环管棚使用外套管法；第二环管棚使用丝扣法。①丝扣法：即在一根管子的两端，分别车出一个公螺纹，一个母螺纹，螺纹长度不小于15cm，螺纹深度不大于1/2壁厚（4mm）。连接时，前一根管的母螺纹与后一根管的公螺纹套在一起，用力拧紧，以防止松动，引起质量事故。②外套管法：即管子两端不车螺纹，只在两根管子的接头外边套一φ127×4mm的外套管，长40cm，然后用电弧焊将缝隙焊满、焊牢。优缺点：①法，省时、省力、方便，但加工费用较高。②法，费时、费力、不方便，但加工费用较低。3.4送管：只要具备足够的场地或空间，就可充分利用大型机械送管，以提高效率，并减少工人的劳动强度。第一环大管棚，利用CAT320挖掘机挖斗向前送管。但第二环大管棚由于在洞内，场地狭窄，大型机械无法操作，只能用钻机送管。成孔后，通过异型接头，用主动钻杆带动φ108×8mm的大导管，边旋转（克服磨擦阻力）边向前推进，直至将全部管子送到位。两环大管棚纵断面布置如下图：27 这样，每一环大管棚都正好搭在两环衬砌头上，相当于过梁。可以更好地起到预支护的作用。3.5下钢筋笼钢筋笼由4根φ20的螺纹钢筋组成，中间内衬一φ42×8的导管环，间距1m。钢筋笼主要是为了增强大导管的整体刚度和强度。3．6管口封闭3．6.1在管子端部焊一带眼的钢板，然后将φ32×4mm（长50cm）的注浆管与该钢板相焊，就可以了。3．6.2注浆管构造注浆管须是三通构造：一通接φ108×8的大导管。一通接塑胶管，一通为冲洗用（冲洗口主要是为防止水泥浆或水玻璃凝固，造成堵管，可以及时地将管道用水冲洗干净）。3．7注浆3．7.1大导管注浆施工参数27 ①先在ø108×8mm钢管上钻ø10mm的出浆孔，孔距50cm，呈梅花型布置。钢管尾部2m不钻花孔作为止浆段。②钢管沿隧道开挖轮廓线布置，外倾角10，间距0.4m,纵向前后两排钢管水平搭接长度不小于3m。③单液注浆：水泥浆水灰比(W:C)为0.5:1。④双液注浆（当地下水较发育或浆液扩散范围大时，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。）：水泥浆水灰比(W:C)为0.5:1；水玻璃模数2.6-2.9，浓度35波美度；水泥浆、水玻璃体积比1：0.3。注浆压力采用0.5-1.0Mpa。试配水泥浆如下：水泥浆配合比水灰比材料名称水泥水0.5:11m3用量（Kg）1123562采用双液浆时，商品水玻璃玻美度为45°be，实际要求为35°be。这样，需要将水玻璃加水稀释，采用公式如下：水玻璃稀释计算公式｛V1ρ1+VWρW=V2ρ2V1+VW=V2V1、V2——稀释前后水玻璃体积；ρ1、ρ2——稀释前后水玻璃密度；ρ=145/（145-Be′）ρW、VW——水的密度和体积；27 3．7.2大导管注浆量计算：按下式计算Q=πr2Hηа其中：r——浆液扩散半径；H——大导管长度，取24m；η——岩体孔隙率，取0.6。а——充填率系数，取0.3。大管棚注浆量计算表rQH0．10.20.30.40.524543122121713393钢管净空容量160说明：1.r、H单位以米计；Q单位以升计。2．注浆量必须大于钢管的净空容量。注浆时，每根钢管的注浆量一般达到300升左右，估计扩散半径小于0.2m。开挖以后,发现一般在0.1m左右。3．7.3浆液的调制步骤：①水泥浆液搅拌在拌合机内进行，根据拌合机容量大小，严格按要求投料；②27 搅拌投料的顺序为：在放水的同时，将外加剂（如有）一并加入搅拌，待水量加足后，继续搅拌1min，并将水泥投入，搅拌时间不小于3min，并在注浆过程中不停搅拌浆液；③采用水玻璃浆液时，其浓度宜为25~400Be（取350Be）。为稀释水玻璃，采取边加水，边搅拌，边用波美计量测的办法进行；④配制水泥浆或稀释水玻璃浆液时，严防水泥包装纸及其他杂物混入。拌好的浆液在进入贮浆槽及注浆泵之前均应对浆液进行过滤，未经过滤网过滤的浆液不允许进入泵内。①配制的浆液在规定时间内注完。3．7.4注浆方式及顺序3．7.4.1注浆方式根据围岩类别、地质条件、机械设备及注浆孔的深度选用全孔式。即钻孔直至孔底，然后一次注浆完毕。3．7.4.2注浆顺序先注无水孔，后注有水孔；从拱顶顺序对称向下进行。如遇窜浆或跑浆，则间隔一孔或数孔灌注。注浆结束后，利用止浆阀保持孔内压力，直至浆液完全凝固。注浆压力与地层条件及注浆范围要求有关，一般要求能扩散到管周0.5~1.0m的半径范围内。但应控制注浆量，每根大导管内已达到规定注入量时就可结束，若孔口压力已达到规定压力值而注入量仍不足时，亦应停止注浆，以防压裂开挖面。27 3.7.5注浆作业要求①浆液的浓度、胶凝时间符合设计要求，不得任意变更；②经常检查泵口及孔口注浆压力的变化，发现问题及时处理；③采用双液注浆时，经常测试混合浆液的胶凝时间，发现不符，立即调整。3.7.6注浆结束条件单孔结束条件：注浆压力达到设计终压，浆液注入量已达到计算值80%以上。全地段结束条件：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注浆情况。3.7.7注浆效果检查采用以下两法进行检查①分析法：即分析注浆记录，看每个孔的注浆压力、注浆量是否达到设计要求；在注浆过程中，漏浆、跑浆是否严重；以浆液注入量估算浆液扩散半径，分析是否与设计相符。②检查孔法：用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔，取岩芯进行鉴定。3.7.8注浆后至开挖前的时间间隔单液水泥浆开挖时间为注浆后8h左右,水泥—水玻璃浆为4h左右。3.7.9注浆异常现象处理27 ①发生串浆现象，即液浆从其他孔中流出时，采用方法：堵塞串浆隔孔注浆；②单液注浆水泥浆压力突然升高，可能发生了堵管，停机检查；③水泥与水玻璃双液浆压力突然升高，则关停水玻璃泵，进行单液浆或注清水，待泵压正常时，再进行双液注浆；④水泥浆单液或水泥与水玻璃双液注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间，才能避免产生注浆不饱满。3.8沉降观测为了检测大管棚施工时对周围环境的影响及施工完毕后的效果，均须通过沉降观测进行。在地面上设K2+441、K2+453断面，每断面设5个观测桩，当大管棚注浆时，经观测，无隆起、上鼓现象发生。当开挖大管棚范围段时，经观测有一定的沉降（10cm），如遇山体整体下沉，则可达到20cm，这样考虑一些其它因素，在预留25~30cm的沉降量后，完全可以满足隧道施工和安全的要求。3.9事故预防和处理3.9.1孔的倾斜度27 开孔时，在土质地层中，要低速低压，以保证孔位的正确。同时在距孔口2m处、开孔1/2处、终孔处用精密水平陀螺仪检测倾斜度，不合格的，封孔重钻。3.9.2塌孔若地层中含水量大，或地质较差时，易坍孔，可采用两种方法进行预防。①泥浆护壁法对于地层中含水量不是特别大，地质属于碎石土层时，可用泥浆护壁。②套管护壁法对于地层中含水量特别大，地质属于碎石层或地下暗河的地段，可采用套管护壁。此时采用φ127×4套管，一般的不良地段均可通过。3.10机具设备和劳力组织3.10.1需要的机具设备大管棚作业机具设备表序号设备名称及规格单位数量备注一机电设备1钻机台2XY-1、XY-1B2汽车台13交流电焊机台127 4注浆机台1序号设备名称及规格单位数量备注5挖掘机台1CAT-320二工具每台钻机1链钳把22管钳把23大号扳手把24大锤把13.10.2劳力组织分2个工班进行作业，每个工班12人，其中：施工指挥1人；施工技术指导1人；钻机司机2人（负责钻孔、下管）；普通工人4人（负责装卸钻杆、装接钢管）；电工1人（负责供水供电工作）；电焊工1人；汽车司机1人（负责运料）；洞外调度1人。4.安全措施4.1加强全员安全意识教育;4.2针对本隧道工程长大管棚施工特点和要求,参照有关规范制订规章制度；4.3加强对围岩进行动态监控量测，实行信息化管理，科学地组织施工；4.4拆卸钻杆时，要有统一指挥、明确联络信号，扳钳卡钻方向正确，防止管钳用扳手伤人；27 4.5钢管内注浆时，操作人员应戴口罩、眼镜和胶手套。4.6要有良好的照明条件。5.结论5.1可采用XY-1、XY-1B型的轻便钻机。其最大开孔直径为130mm，最大钻孔深度为120m。适宜在碎石土层中进行大管棚钻孔，同时由于重量轻、分解性强，便于搬迁，适合于平原或山区工作。5.2管棚长度控制在25m以内（实际按24m施工）为好。如按设计的30m长度进行施工，由于管棚过长，钻孔、下管等工序都费时费力，效率低下;同时管棚的倾斜度、掉钻量也很难控制。5.3在粘土含量大的碎石土层中，压浆效果不理想。因为粘土比较密实，浆液不易扩散，其扩散半径较小。不能形成一个完整的具有一定厚度的砼加固圈。5.4建议开挖工作室时，开挖轮廓线不进行扩大，而是在围岩开挖后，即初喷3~5cm厚的混凝土，作为支护，不设钢格栅支撑（在确保安全的前提下）。待管棚施工完毕后，再进行安设。这样可以减少施工投入。5.5大管棚应伸入岩石层不少于3m。这样，在山体滑动时，管棚可以分担一部分荷载，从而避免全部荷载都压在初期支护上，造成大的下沉和严重变形。27 5.6大管棚的接头必须在纵向上错开。否则，接头设在同一断面上，极易出现安全隐患。6．相关知识点6.1采用长度小于10m的小钢管称为短管棚;采用长度为10m~45m且较粗钢管的称为长管棚。6.2注浆方式有前进式、后退式及全孔式等。前进式注浆：当钻孔遇有较大涌水时，应暂停钻孔，待压浆后，重复钻孔、注浆；后退式注浆：当钻孔中涌水量较小时，则钻孔可一直钻到设计深度，然后从孔底向孔口进行分段注浆；全孔式注浆：当钻孔直至孔底，然后一次注浆完毕。6.3水玻璃:商品名,又名泡花碱。学名硅酸钠，分子式Na2OnSiO2，分子量122.06,系透明,无色或淡蓝色、青灰色的粘稠液体。其参数如下：级别指标项目一二三四五1212121212比重(200C)be350-370390-410440-460390-410500-520模数(M)3.5-3.73.1-3.42.6-2.92.2-2.52.2-2.5说明：1.表内一、二、四类产品主要用于包装材料的胶粘剂、制皂业和化工厂原料等；三类产品主要用于耐火材料、建筑业；五类产品主要用于铸造、铸钢工业等。27 2.本产品为四川南川市兴明化工厂生产。6.4注浆机具设备选择根据注浆目的、范围、注浆液类型和数量等，选用性能好、操作简易的注浆机具设备。常用的注浆机、搅拌机，分别见表1~2常用注浆泵表1序号名称规格型号主要技术指标产地（厂家）P（Mpa）Q（l/min）1液压调速注浆泵YSB-250/120122502双液调速注浆泵2TGZ-60/2102160锦西注浆泵厂3双液调速注浆泵2TGZ-120/10510.5120锦西注浆泵厂4液压注浆泵YZB-50/70750石家庄煤矿机械厂5隔膜计量泵2MJ-3/404506泥浆泵BW-250/505250衡阳探矿机械厂序号名称规格型号主要技术指标产地（厂家）P（Mpa）Q（l/min）7泥浆泵TBW-200/404200衡阳探矿机械厂8液压注浆泵HFV-C13200日本9液压注浆泵HFV-2D20100日本10双液液压注浆泵HFV-5D1070×2日本11双液液压注浆泵PF-40A15113×2日本27 12液压注浆泵ZBE1090瑞典常用进口搅拌机表2序号名称规格型号主要技术指标产地（厂家）1上下双筒搅拌机MVT-400有效搅拌400L日本2水平双筒搅拌机MS-400有效搅拌400L日本3叶片立式搅拌机CEMAG-400有效搅拌400L瑞典4立式搅拌机CEM-200有效搅拌200L瑞典注:国内搅拌机多为自制。6.5围岩孔隙率和注浆充填率围岩孔隙率和注浆充填率表3土质注浆目的数值项目粘土粉砂砂砂砾堵水加固堵水加固堵水孔隙率(%)范围值50~7040~6046~5040~4830~4046~5040~4840~6028~4022~40标准值60504844354844503431充填率α(%)约30约20约60约60约50约50约40约60约60约607.主要参考书目〔1〕公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)北京:人民交通出版社,199527 〔1〕公路隧道施工北京:人民交通出版社,2001〔2〕下南城隧道施工设计图2002〔3〕路桥施工计算手册北京:人民交通出版社,200127