管棚自進式鉆孔安裝技術(shù)

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如何保質(zhì)保量高效地完成管棚的施工一直是傳統(tǒng)工藝的一大難題。常用的隧道管棚超前支護法，是在擬開挖的地下隧道或結(jié)構(gòu)工程的襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先鉆孔并安設(shè)慣性力矩較大的厚壁鋼管，起到臨時超前支護作用，防止土層坍塌和地表下沉，以保證掘進與后續(xù)支護工藝安全運作。

一、工程概況

E763高速公路是歐洲11號走廊塞爾維亞段，連接塞爾維亞至黑山出海口巴爾港，是塞爾維亞最高效便捷、最安全穩(wěn)定的出海通道，也是連接巴爾干地區(qū)與周邊國家的運輸大動脈。管棚自進式鉆孔安裝技術(shù)創(chuàng)新背景來自于塞爾維亞E763高速公路普瑞利納至波熱加段項目。該項目位于塞爾維亞南部，為雙向四車道高速公路，線路全長30.2公里，設(shè)計時速為120公里/小時。包含的Laz隧道和MunjinoBrdo隧道單洞總長分別為5504.89米和5495.89米，建成后將成為塞爾維亞目前第一、第二長高速公路隧道。地處內(nèi)陸的塞爾維亞地勢相對平坦，水系較為發(fā)達，項目所在地區(qū)為丘陵地帶，地質(zhì)情況較差，兩條隧道的8個口均設(shè)計有3循環(huán)12米長管棚。此外，隧道穿越斷層破碎帶處亦設(shè)計有管棚，項目隧道共設(shè)計有管棚21861米，總工期為36個月。若采用傳統(tǒng)工藝，僅管棚施工就占據(jù)合同工期的40%，顯然難以滿足工期的要求，因此，尋求新的技術(shù)解決該問題顯得尤為重要。結(jié)合國內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗和鑿巖臺車等大型新設(shè)備在項目上的應(yīng)用，參考自進式錨桿工作原理，提出并成功應(yīng)用了管棚自進式鉆孔安裝技術(shù)。該技術(shù)可利用鑿巖臺車將管棚一次性鉆孔安裝完成，避免傳統(tǒng)工藝中鉆孔與安裝鋼管的時間差導(dǎo)致孔壁坍塌以及管身難以接長的情況發(fā)生，無需像傳統(tǒng)安裝工藝修筑作業(yè)平臺、安裝導(dǎo)向管、頂進管棚尾部完成安裝等工序，較好保證了隧道內(nèi)有限作業(yè)空間的安全、安裝質(zhì)量和安裝效率。

二、技術(shù)方案的提出與設(shè)計

前期經(jīng)過調(diào)研，市場已有技術(shù)采用與自進式錨桿相同的工藝，將鉆頭焊接在管棚上，實現(xiàn)管棚的鉆進安裝，并將鉆頭與管棚共同棄置在鉆孔內(nèi)。考慮到單個鉆頭的成本較高，為進一步節(jié)約成本，提出采用內(nèi)嵌外套式的鉆頭，將鉆頭分為兩個部分：第一部分為中空鉆頭，用于與管棚焊接連接，焊接部分為不可旋轉(zhuǎn)的固定部分，頂端鑲嵌連接一個可活動的帶合金鉆齒的鉆頭，其主要用于牽引管身跟隨主鉆頭共同前進，并起到擴孔作用。除鉆齒外，其余部分可采用普通鋼材加工，能夠降低部分成本，第二部分為專用合金鉆頭，其前端與第一部分鑲嵌連接，后端與鉆機的鉆桿通過絲扣連接，在管棚鉆進安裝完成后，與第一部分鉆頭分離退出并重復(fù)使用。鉆頭的兩個部分均在鉆頭供應(yīng)商處定制，將第一部分中空鉆頭與管棚焊接連接即構(gòu)成自進式管棚（如圖2所示）。管棚前端與中空鉆頭連接，后端用絲扣接長管身至設(shè)計長度。管棚鉆頭與錨桿機鉆頭鑲嵌連接，通過隨鉆機的鉆桿同步旋轉(zhuǎn)，管身隨鉆頭跟進成孔并完成自動安裝，快接鉆桿之間通過套筒連接接長。該新技術(shù)與自進式錨桿的主要區(qū)別在于自進式錨桿為鉆頭、鉆桿為一次性的鉆進安裝，并全部留在巖體內(nèi)作為支護體系。而自進式管棚采用的專用合金鉆頭和普通鉆桿穿過管棚內(nèi)部，與管棚的中空式普通鉆頭鑲嵌連接，通過鉆桿、鉆頭的旋轉(zhuǎn)帶動管棚的鉆頭同步鉆進安裝，完成后專用鉆頭和鉆桿可從管棚內(nèi)退出并重復(fù)利用。

三、管棚自進式鉆孔安裝施工

1.施工工藝流程管棚自進式鉆孔安裝技術(shù)施工工藝流程

2.施工準(zhǔn)備

（1）設(shè)備準(zhǔn)備。由于施工管棚的需要，將鑿巖臺車鉆臂上的導(dǎo)向孔、托架等更換為與管棚直徑匹配的配件，并在鉆臂前端加裝錨固定位裝置，確保鉆臂在管棚鉆進過程中不會發(fā)生位移。該技術(shù)施工以Atalas雙臂鑿巖臺車作為主要施工設(shè)備，但并非該技術(shù)專用設(shè)備，其他多臂、單臂鑿巖臺車或經(jīng)過一定改裝的濕式鉆孔設(shè)備亦可應(yīng)用該技術(shù)，具有較好的普適性。管棚鉆進采用的是3.5米圓形鉆桿，管棚各節(jié)段按設(shè)計打設(shè)注漿孔，在管棚各節(jié)段連接時，用離心鉗卡住已入巖的管棚管身，并利用專用離心鉗和普通管鉗輔助完成各節(jié)段的相互接長連接。

（2）場地準(zhǔn)備。場地整平并壓實，為鑿巖臺車等機械設(shè)備提供堅實的能夠支立穩(wěn)固的場地。平整完成后的作業(yè)場地做好臨時排水，及時將鉆孔作業(yè)排水或雨水引流至場地外，鉆孔排出的水經(jīng)沉淀池沉淀后排放。

（3）材料準(zhǔn)備。該施工技術(shù)涉及的主要材料可涵蓋各種型號的中、大管棚，在保證各節(jié)段接頭錯開的前提下，節(jié)段長度可根據(jù)設(shè)計的管棚長度進行合理分段；注漿材料為水泥凈漿或水泥砂漿。該項目主要材料為114毫米和89毫米管棚，管棚從內(nèi)到外共計4節(jié)段，每節(jié)段3米，其中，一根3米節(jié)段為2米+1米組合，用以確保搭接接頭位置錯開，首節(jié)段焊接連接中空式鉆頭，注漿液采用水泥凈漿。材料到場后，需采用方木進行支墊，避免損壞或銹蝕。對于生銹的管棚絲扣，在使用前用角磨機打磨去除銹跡，涂抹黃油并堆放整齊。使用前，各節(jié)段在平整地面上試連接，防止因絲扣加工深淺不一或其他原因而導(dǎo)致無法正確連接，連接前將管棚內(nèi)殘留的鋼渣清理干凈。

（4）其他準(zhǔn)備。社會用電或發(fā)電機供電，以供應(yīng)鑿巖臺車及其他機具所需的電、水，過程中定時檢查連接情況。測量人員負(fù)責(zé)在鉆孔面上標(biāo)注出每根管棚的入巖點并編號，在鉆孔安裝前調(diào)整好管棚鉆進角度，鉆進過程中不斷監(jiān)測管棚鉆機角度，確保符合設(shè)計要求。

3.管棚鉆孔安裝

（1）鑿巖臺車定位。鉆機定位前，將鑿巖臺車支立穩(wěn)固，并將首節(jié)鉆桿及管棚安裝到鉆機上，通過旋轉(zhuǎn)鉆頭使鉆桿上的鉆頭穿過管棚上的鉆頭，與管棚鑲嵌連接，并將其外露在鉆臂最前端。根據(jù)設(shè)計鉆孔角度計算出每根管棚首節(jié)段前、后端中心高程差和偏距差，用以控制鉆孔角度。由于該型號鑿巖臺車不具備自動定位裝置，因此，在鑿巖臺車附近架設(shè)全站儀控制角度。根據(jù)設(shè)計，管棚為錐形發(fā)散布置，角度采用標(biāo)高和偏距控制。首先，根據(jù)設(shè)計角度和縱坡，計算出每根管棚首節(jié)段3米的前、后端高程差和偏距差，通過鉆臂前端定位裝置將管棚前端準(zhǔn)確地放置在已標(biāo)記的入巖點位置；其次，根據(jù)前端管棚中心線測量數(shù)據(jù)反算出后端中心線坐標(biāo)數(shù)據(jù)，調(diào)整鉆機大臂和小臂，直至后端管棚中心線位置實測數(shù)據(jù)與所計算的數(shù)據(jù)相符，即可判定鉆進角度符合設(shè)計要求；最后，將定位裝置進一步頂入巖體，并確保鉆進過程中鑿巖臺車可能影響鉆進方向的部位不發(fā)生任何位移。

（2）鉆孔安裝。鑿巖臺車準(zhǔn)備就緒后，即可按照自下而上的順序逐孔開始管棚的自進式鉆孔安裝施工。首節(jié)段鉆進至管身最后一環(huán)注漿孔剛好穿過導(dǎo)向管后停止鉆進，利用鉆機內(nèi)高壓水將鉆渣充分沖洗30～60秒。鉆渣沖洗干凈后，利用管鉗卡住鉆桿尾部，通過旋轉(zhuǎn)鉆機將鉆桿與鉆機分離，分離過程確保已鉆進的鉆桿不發(fā)生向后的位移。在鉆進過程中，負(fù)責(zé)管棚連接的工人將接長鉆桿穿入第二節(jié)段管棚。待首節(jié)鉆桿卸落完成后，將接長鉆桿及管棚通過鑿巖臺車自帶的作業(yè)平臺運送至作業(yè)鉆臂位置，并放置在管棚托架上，先將接長鉆桿與鉆機連接，再利用鉆機前后推動和轉(zhuǎn)動將接長鉆桿與首節(jié)鉆桿連接。管棚連接時，首先，利用離心鉗將已鉆進的首節(jié)管棚卡住；然后，用離心鉗將管棚接長，并確保絲扣全部連接到位，依次重復(fù)上述步驟完成單根管棚鉆進安裝。

（3）管棚安裝完成。單根管棚施工完成后，同樣利用鉆機高壓水將管棚內(nèi)鉆渣沖洗30～60秒。沖洗干凈后，通過鉆機小幅度反鉆將鉆頭與管棚鉆頭脫離，必要時可通過振沖將其連接處松除。鉆機后退帶著鉆頭和鉆桿退出管棚內(nèi)，鉆入的管棚則留在了巖體內(nèi)，鉆桿之間同樣通過振沖輔以管鉗進行脫扣，直至所有鉆桿均退出后，方可移動鉆臂，進行下一根管棚的施工。

4.管棚注漿

待管棚施工到一定數(shù)量，且具備足夠作業(yè)空間后，即可按照自下而上的順序開始管棚注漿工作。注漿前，按照批復(fù)的配合比添加水泥和外加劑，調(diào)整水量至設(shè)計配合比中相應(yīng)的數(shù)量，將注漿管放置在地面指定位置，開啟注漿機，直至注漿管內(nèi)漿液均勻流出后，關(guān)閉注漿機。將注漿管與注漿閥連接，再次開啟注漿機，向管棚內(nèi)注漿，直至漿液從排氣孔內(nèi)流出，且注漿壓力0.5兆帕持壓3分鐘以上時，可關(guān)閉閥門停止注漿。按照同樣的方法依次從下往上完成所有管棚的注漿。

四、應(yīng)用效果

項目采用管棚自進式安裝技術(shù)已成功完成了89毫米中管棚4752米和114毫米大管棚4872米的安全、高效、高質(zhì)量的安裝。施工過程避免了大量的導(dǎo)向墻、導(dǎo)向管等配套工程措施，減少了大量洞內(nèi)支架的搭設(shè)工作，大幅降低了施工安全風(fēng)險和管控難度。該技術(shù)在增加部分一次性投入成本的情況下，時間可節(jié)省約67%，具有明顯的施工效率優(yōu)勢。考慮用于該新技術(shù)的設(shè)備還可用于隧道內(nèi)炮眼鉆孔、錨桿鉆孔、超前鉆探等工序，結(jié)合時間成本，其綜合成本相比傳統(tǒng)工藝可減少約14%，對于管棚工程量較大的隧道施工具有明顯的經(jīng)濟效益。在整個過程中，能夠很好地與大型機械設(shè)備相協(xié)調(diào)，將管棚的安裝工藝大大簡化，具有安裝效率高、管棚綜合成本低及工期提前帶來的時間成本大幅下降等優(yōu)勢。

五、結(jié)論

隨著大型電力驅(qū)動的鑿巖設(shè)備在隧道施工過程中的普及和應(yīng)用，逐步實現(xiàn)從“人海戰(zhàn)術(shù)”向“機械化換人、自動化減人”重大轉(zhuǎn)變，能夠適應(yīng)大型設(shè)備的新管棚施工技術(shù)顯得迫在眉睫。管棚自進式鉆孔安裝技術(shù)可有效地填補這一空缺，并能夠很好地兼容部分傳統(tǒng)設(shè)備，不僅能保證管棚的施工質(zhì)量，還有效地提高了施工效率，是隧道機械化施工過程中的重要環(huán)節(jié)。

（1）新技術(shù)中采用管棚+鉆桿形成的組合式鉆桿，具有較大的剛度，克服了傳統(tǒng)工藝中鉆桿遇軟下沉、遇硬上飄的缺點，能夠較好地保證鉆進按照預(yù)定角度進行，確保鉆進角度偏差小且可控，從而滿足設(shè)計要求，解決了隧道管棚安裝角度無法控制的難題。

（2）傳統(tǒng)工藝往往采用潛孔鉆機干式鉆孔，在軟弱圍巖中鉆孔時經(jīng)常存在鉆頭堵塞、塌孔等問題，嚴(yán)重制約著鉆進效率。管棚采用先成孔后錘擊的方式安裝，常常難以確保安裝長度能夠滿足設(shè)計要求，并且無法控制安裝質(zhì)量。新技術(shù)中采用的一次性自進式鉆孔安裝，無需擔(dān)憂鉆頭堵塞、塌孔等問題，實現(xiàn)了質(zhì)量完全可控，有效地解決了管棚安裝質(zhì)量難以控制的難題。

（3）新技術(shù)無需施工現(xiàn)澆混凝土導(dǎo)向墻、安裝導(dǎo)向管、搭設(shè)施工平臺，實現(xiàn)管棚的一次性自進式鉆孔安裝成型，大幅優(yōu)化了施工工藝過程。

（4）該新技術(shù)可利用鑿巖臺車自帶的作業(yè)平臺作為管棚安裝的安全作業(yè)平臺，其可通過懸臂調(diào)整位置和方向，在隧道狹小的空間中仍然能夠靈活的操作，相比傳統(tǒng)的搭設(shè)支架法具有更高的安全性，解決了狹小空間中的高處作業(yè)的安全問題。

作者：任裕廷 張博昊 李良策 單位：中交二公局國際公司 中國路橋工程有限責(zé)任公司