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隧道大型管棚施工技术


概况

　　渝黔高速公路E1合同段的真武山隧道位于重庆南岸4 km立后老爷沟，其右洞洞 口地质体为大量的滑坡堆积物。该隧道在拱部施工开挖进洞至8 m后，由于下暴雨、山洪爆 发 造成山体继续下滑、开挖的隧道被摧毁淹埋，滑坡堆积体地层十分松软、破碎，一旦开挖，极易发生塌方，有的根本无自稳时空。采用常规方法，要重新开挖，进洞十分困难。为了 保证隧道开挖的顺利进行，经过勘察设计，对开挖隧道实行管棚预支护，预先处理围岩 ，提高其整体性，增加稳定性，能承受开挖后的围岩应力和抑止围岩变形。
1.1　管棚施工的特点
　　(1)套管直径大，采用I127 mm、厚4.5 mm的无缝钢花管作套管，且管内下入I90 mm的钢筋笼。
　　(2)管棚长，最深孔深达40多m。
　　(3)钻孔施工难度大，成孔十分困难，而且钻孔施工中不能用清水和泥浆钻进，否则会导致 山体的继续滑动，造成危险。
　　(4)钻孔较密，孔间距60 cm，其外插角仅1°。一旦施工控制不严，将造成钻孔互相交错串通，管棚侵入隧道开挖轮廓线内，造成钢管桩报废。
　　为了防止钻孔互相交叉，不侵入浇注体，钻进到设计孔深进入完整基岩3 m后，我们采 用了特殊的同步跟管施工工艺，以保证管棚施工质量，达到设计要求。
1.2　施工地质情况
　　钻孔0～30 m为灰黄色、结构松散的碎石土或中密碎石土，土石比3∶5。
　　30 m以下为灰白色砂岩或深灰黑色页岩，其中页岩单轴饱和抗压强度值为2.5～3.4 MPa。
　　为了保证管棚具有足够的预支护强度，I95 mm气动潜孔锤钻孔同步跟入I127 mm的无缝 钢花管进入完整基岩。

2　管棚施工工艺

　　该管棚施工的顺序为：钻孔并同步跟入无缝钢花管→洗孔→在钢管内安放钢筋笼→ 压力注入水泥浆。
2.1　钻孔
2.1.1　钻进方法
　　由于所钻地层为松散的滑坡碎石土地层，采用常规钻进方法容易造成钻孔坍塌埋 钻，探头石卡钻等复杂的孔内事故，而且滑坡体为松散堆积层，用泥浆钻进严重漏浆，由于 浆体大量流经松散体内，还将造成松散体继续下滑的可能，给现场施工带来极大的危险。为 保证钻孔质量，顺利成孔，采用空气潜孔锤跟管钻进和潜孔锤超前扩底，套管扩孔双回旋钻进技术。以压缩空气作为潜孔锤动力，同时冷却钻头，排除岩屑。当钻孔钻进到设计深度后 ，取出中心钻具，套管留在孔内，钻孔一径成孔。
2.1.2　跟管钻进的设备及配套机具
　　(1)钻机：由于全孔用空气潜孔锤跟管钻进，要求设备具有扭矩大、给进力大、转速慢的特点，为此，选用ZS-80A型全液压锚固钻机。该设备的具体性能如下：钻机给进力和起拔力大，处理事故能力强；钻机配有低速大扭矩动力头双回旋机构，具有双层滑动导轨，能实现孔口近距离钻进，加接钻杆方便； 具有液压升降机构，能方便地对正孔位。
　　(2) DP102跟管钻进的钻具结构：DP102单偏心钻具由偏心钻头、中心钻头、限位销及防脱销组成，钻具与钻杆柱套管、潜孔 锤冲击器等共同形成跟管钻进系统。
　　(3)跟管钻头：采用I127 mm单偏心跟管钻头和I127 mm同心式环状钻头以及I 135 mm潜孔锤单偏心扩底钻头，潜孔锤用J100B型。
　　(4)跟管套管：采用DZ40高频淬火的无缝钢管，壁厚4.5 mm，反丝套管用接箍连接，丝扣长60 mm，牙型 采用标准地质套管螺纹。
2.1.3　跟管钻进中遇到的问题及解决措施
　　(1)排屑困难：由于所钻钻孔基本上为水平孔，松散层的土比较潮湿，排出的岩屑多为泥团，当钻孔较深时，排屑十分困难，当钻进至设计孔深提钻时，发现严重岩粉卡钻。因此在钻进过程中，严格 控制进尺，勤吹孔，必要时从钻具内和钻具与套管的环状间隙送水洗孔提钻。
　　(2)偏心钻头脱落事故：在施钻过程中经常发生偏心钻头脱落事故，经分析主要原因是偏心横销材质较差，易断。当事故 发生时，先拔管，然后用筒状岩心管取心钻进取出。需改变偏心横销的材质，选用轴承钢加 工横销。
　　(3)管靴脱落事故：在跟管过程中，主要是通过跟管钻具在给进破岩的同时利用管靴与钻头上的台阶 拖着套管同步跟进。因此套管靴是主要受冲击振动的部位。当钻孔加深后，套管增长，摩擦力 大或后部套管被岩粉卡死后，套管管靴很容易被打脱。当管靴被打掉时，在拔出套管后，用公锥取出管靴，再继续跟管钻进。防止管靴脱落的主要措施如下：①在动力头与套管之间增加一个同步给进装置；②管靴与套管实行铆焊、点焊联接。
　　(4)跟管钻进蹩钻事故：在跟管钻进过程中，当钻遇地下隐埋物如钢筋、硬质石英砂岩或土石软硬不均时，会发生严重蹩钻，钻具无法正反转，遇到此种情况需拔出套管，取心钻进后再跟管钻进。
2.1.4　管棚施工跟管操作注意事项
　　(1)开孔：开孔前以孔口导管为准调正钻机，套管从导管中穿过，依导管的方位角 为准，尽量调正接近施工设计所需的方位角。套管穿过导管后一头放在需钻进的地表，用水平尺或连通管调平套 管，然后将套管调为上倾2°左右的角度，用钻机将套管压入土中10 cm左右，然后开风，不 回转钻具将管子打入土层1 m后回转钻具跟管，在开孔时发现套管偏斜等情况时应及时调整，保证以后的跟管精度。
　　(2)钻进：钻进时应以排屑顺畅为准。浅部时应控制进尺，以免岩屑太多，排除不及时产生 回转困难的状况。钻进中发现回转阻力大或外套管跟着旋转的情况时要轻提钻具吹孔，若遇排渣时泥团过多应往孔内注水，放喷排出泥团。
　　反转提钻：在必要反转提钻时可边冲击边反转2圈左右，然后在不停风的状态下提钻。
　　钻具检查：每打完一个钻孔要检查偏心钻头的收敛和张开状况，注意偏角过大时要及时更换 横销或补焊偏心槽。
　　套管及钻杆接头的检查：套管在连接时要上紧，当有接头露在外面时要防止接头松脱。钻杆 一定要上紧，防止在反转钻具时从钻杆接头处反脱。
2.2　洗孔
　　当钻孔结束时，应对钻孔洗孔，洗孔采用I15 mm的铁管用潜水泵抽水清洗，边清洗 边来回抽动，回转铁管，清洗以水清砂净为准。
2.3　下入钢筋笼
　　钻孔冲洗到位后即可下入钢筋笼，钢筋笼的固定环采用I50 mm的无缝钢管，钢筋为 I20 mm的二级螺纹钢，制作好后用人工分段送入钢管内，钢筋搭接长度15 cm。
2.4　注浆
　　钢筋笼放入钢管内后，即进行压力注浆。注浆主要在于增大管子 的抗弯强度，同时增加松散地层的粘结力，提高围岩开挖后自稳的强度。
　　注浆采用电动隔膜注浆机进行，施工配合比为1∶0.35。为便于注浆施工，在套管口设置一个孔口异径接头控制装置。在压力作用下，浆液沿着花管的小孔渗入到围岩内且达到 一定范围，并且充填围岩裂隙。水泥浆凝固后，各个钢管、钢筋笼、围岩固结在一起，形成一个承载圈，围岩得到加固。其注浆终压一般控制在2 MPa以内。

3　结语

　　在松散地层中应用空气潜孔锤跟管钻进技术建成管棚是非常经济可行的。其 纯钻进效 率8 m/h以上，而且孔内事故少，钻孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，但是单偏 心潜孔锤跟管钻进技术对于机具的配套，以及对于硬岩层和软硬不均的岩层适应性还有待进一步改进。