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摘要：隧道工程进洞地段普遍为浅埋、软弱、破碎围岩地段，地下水较为丰富，进入暗洞施工较为困难，常会出现围岩及初期支护下沉的现象，甚至初期支护受到破坏。为此，在洞口不良地质地段，一般施作管棚进行预支护预注浆对围岩进行固结加固后，才进行暗洞施工。文章主要就长大管棚在软弱围岩施工中的应用进行分析。
关键词：长大管棚；软弱围岩；应用
中图分类号：U455 文献标识码：A
长大管棚在隧道软弱围岩，地质不良及浅埋的条件下，进行暗挖施工采用的一种超前预支护技术，做法是在拟开挖的隧道暗洞的轮廓线外，设置导向墙，在导向墙上预留管棚导向管，同时按一定的环向间距打设纵向钢花管的超前支护，利用钢管的强度和刚度，通过预注浆固结加固软弱围岩，防止洞顶围岩坍塌和下沉，以确保暗洞开挖和支护的施工安全。
1长大管棚支护原理
管棚法超前支护就是把一组钢管沿开挖轮廓外侧打入围岩层中，并通过钢管注浆孔加压向岩层中注浆，使开挖断面顶层形成一个固结棚体，以加固软弱破碎地层，支承上部荷载，从而提高围岩自稳性的能力。管棚法支护的原理有以下3种。
1.1梁拱效应。先行施作的管棚，以导向墙和初期支护为支点，形成一简支梁结构，阻止软弱围岩的崩塌和松弛。
1.2加固效应。注浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善软弱围岩的物理力学性质，提高了周边围岩的自稳性。
1.3环槽效应。掌子面爆破产生的冲击波遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收和绕射，大大降低了对周遭围岩的扰动。此外，管棚施工过程中可通过钻孔预知管棚范围内围岩的地质情况，为前方的注浆、开挖、支护施工提供了第一手地质资料。
2钢管接长焊接和影响钻孔精度的因素
2.1影响钻机精度的因素
2.1.1地层条件
如果是较硬地层或砾石含量 50%以上，最大砾石直径超过100mm的地层钻孔，由于钻碴在排出的过程中挤垫在钻具下易造成钻孔向上倾斜。只能采用风动的冲击回旋钻进的方法，力求增加钻具的刚度，以降低地层不利的影响。在软弱地层中采用水循环三翼刮刀钻头进行钻孔。
2.1.2开孔精度
在隧道暗洞开挖轮廓线外施做导向墙后，导向墙内预埋导向管，利用导向管对孔位对准、仰或俯角、水平方向进行固定，技术上无难度，只要操作仔细，普通水平仪测量精度可满足。操作人员的人为误差可控制在0.05%～0.1%以内。
2.1.3钻机导向精度及刚度也十分重要
采用潜孔钻机施工，其导向滑架具有类似机床导输的精度。拖板带动动力头在其上前后滑动，钻进导向器与动力头回转中心高度同心，支臂刚度大，整个给进机构极大地保证了钻机定位后开孔精度。因此，该项误差可忽略。
2.2长管棚打孔挠度控制
管棚施工一般长度为30m-50m，钻杆一般直径为φ75mm，在钻孔过程中形成一定挠度，一般管棚导向管控制外插角角度为3～5°，这样可以避免管棚施工中由于挠度影响而造成的误差。长管棚挠度控制保证图见图1所示。
图1 长管棚挠度控制保证图
2.3钢管接长及入孔
由于钻机头部导向器及后部动力头通过同心圆，可保证钢管接长平直，采用丝口连接，可减少孔道摩阻力。由钻机动力头直接将钢管推入钻孔内，随着钢管推入长度增加与孔壁之间摩擦力加大，可采取边回转边推进，将钢管推至设计深度。钢管接口及推入保证见图2所示。
3.3钻孔孔位测量放线
测量放出每个钻孔的孔位及轴线，分别在护拱上、仰坡上、砼护拱的边缘处及孔口外6~7m用钢筋挂线，三点连线标出管棚轴线方向。
3.4钻机定位，钻杆对准孔位依据管棚轴线，将走行式的管棚钻机大致定位，然后将钻头对准砼护拱上的孔位，再细调钻机位置，使孔位、钻杆与后视点处在一条直线上，然后用全站仪或水平仪对钻机的位置、钻杆、滑架的倾角及方位进行核对校正，再用各油缸的液压锁进行锁定，以保证钻机的稳定。
3.5钻孔与清孔
3.5.1钻孔
管棚布设在二衬初支外40cm的砼护拱上，根据岩土性质选择钻头类型。在钻孔的施工中，开始轻压慢钻，待钻入1~2m后，进入正常钻道，钻进压力控制在10~40kN直至设计孔深。钻进过程中，向钻孔内压入泥浆，这样可有效解决塌孔及缩孔的隐患，泥浆的压入量为100~200L/min。在钻进过程中若经常发生坍孔、掉块、卡钻的情况，一般采用前进式预注浆，若不能有效解决，可以采用在异常接头处镶焊硬质合金，再以拉拔回归后施钻；为保证管棚成孔效果，一般采用跳孔的形式进行钻孔作业。
3.5.2清孔
用小钻头来回扫孔至孔底，用压缩空气从孔底向外清理钻渣。
3.6钢管送入钻孔内
成孔后要立即清孔并下管，以免因塌孔造成孔内堵塞而无法顺利安装。管棚钢管采用108×6mm的无缝钢管，节长9m、6m。为便于推入钻孔内，第一节钢管的前端加工成锥形，人工推入（见图3所示），其尾部露出钻机导向器200～300mm，再从钻机动力头通孔的后端推入第二节钢管，钢管连接采用丝扣连接。用水平尺靠拢两根钢管进行检查，保证两根钢管处于同一直线。先用人工推进3～5根钢管后，再用钻机专用夹具将其余焊接接长的钢管推进至钻孔设计深度。
图3 管棚管示意图
3.7 管棚注浆
3.7.1注浆方式
长大管棚一次打入设计深度，注浆顺序为“先两侧后中间”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”、由低孔位向高孔位进行，有水时从无水孔向有水孔进行，一般采用逐孔注浆。注浆时先注单号孔（钢花管），待单号孔注浆完成后再注双号孔。
3.7.2管棚注浆
仰坡坡面采用厚30cm的C20喷射砼作为止浆墙，钢管与孔壁之间用锚固剂或C20细石砼进行封堵，连接压浆管路。有孔钢管采用KBY-50/70的注浆泵压注水泥浆。水泥浆水灰比1：1。注浆压力：初压0.5~10MPa，终压3.5~4.0MPa。无孔钢管采用KBY-50/70的注浆泵压注M20号砂浆。
3.7.3注浆结束标准
①注浆压力逐步增大到终压，并经2-3次短时间闷压；②注浆量达到计算的浆液量的80%以上；③注浆达到终压，并经闷压后，孔口附近有浆液回流溢出，可结束该孔注浆；④全部注浆完成后，并符合单孔注浆要求，可结束该段注浆。
结语
长大管棚施工作为隧道施工中的一种重要方法，使管棚施工长度一次性达到60m以上，在现阶段我国铁路、公路隧道施工中面临的软弱、破碎围岩地段及塌方地段的处理，能达到一个安全快速的施工方法。开辟了一种在复杂地质条件下，隧道施工的新途径，对于隧道工程施工建设具有重要的作用和影响，其研究价值和作用非常突出。
参考文献：
[1]蒋坤,夏才初,占伟明,陈佑新,丁文其.长管棚下箱涵顶进施工中管棚力学作用及其实例分析[J].土木工程学报,2010,02:105-109.
[2]夏邦瑶,代金旭,罗家详.隧道长管棚超前支护施工工艺及其对钻机性能要求探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2007,12:52-54.
论文作者:高全功,赵晓康,曹晶亮,曾庆林
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年3月下
论文发表时间:2017/7/11
标签：围岩论文; 钻孔论文; 钻机论文; 钢管论文; 注浆论文; 导向论文; 软弱论文; 《建筑学研究前沿》2017年3月下论文;