浅析管棚工艺在大断面隧洞施工中的应用

【摘 要】随着近年来水利建设的蓬勃发展和人们对生态、环境保护意识的日益提高，水利工程中水电站、引水、分洪等工程正逐渐减少明渠开挖的方式以减少对耕地的占用，越来越多地采用隧洞过流设计。但隧洞开挖属地下作业，有其工艺的特殊性，特别是大断面隧洞开挖遇到破碎围岩地段、浅埋地段或地质条件复杂的地段，须制定切实可行的支护措施。长管棚因其具有刚度大、超前支护长的特点，对洞口破碎围岩地段和浅埋地段能起到有效的超前支护作用，保证了隧洞施工质量、安全及进度。本文结合浙江省永嘉县三塘隧洞分洪应急工程（Ⅲ标段）隧洞施工方案，就大断面隧洞超前长管棚的施工方法及施工经验进行了积累总结。

【关键词】隧洞施工；管棚工艺；超前支护

1 工程概况

永嘉县三塘隧洞分洪应急工程位于永嘉县城上塘周边，总投资7.07亿元，总工期36个月，属省重点工程。工程为Ⅳ等，主要建筑物为4级建筑物，由鹅浦河、中塘溪～下塘溪二个排洪工程组成，设计排涝标准为20年一遇，校核防洪（潮）标准为50年一遇。

下塘隧洞（Ⅲ标段）全长2364.691m，进口桩号“中2+230.632”，底高程0.05m；出口桩号“中4+595.328”，底高程-3.0m，底坡i=0.129%。2#支洞长142.905m，底坡i=4.2%。其中：下塘隧洞桩号中2+230.632m～中2+270.632m段为土洞段，隧洞土层强度指标低，土体稳定性较差，遇水易软化、渗透性强。

2 管棚施工特点

（1）投入成本低，操作简易，选用常用设备。

（2）支护能力强，缩短工期，降低施工成本。

（3）加固了自稳能力极低的围岩承支，较好地控制了软弱围岩的下沉、松弛和坍塌。

3 管棚施工技术要求

本工程管棚长度39 m，管棚施工作业是构成本工程进洞的骨架结构，对本工程能否安全、顺利进行起着关键作用。

φ108管棚采用φ108×6mmQ235热轧无缝钢管，外插角1°～3°，管棚由有孔钢管和无孔钢管间隔一根交替布置。有孔钢管分别按节长6m、4m、6m、4m、6m、4m、6m、3m顺序逐节顶入，无孔钢管分别按节长3m、4m、6m、4m、6m、4m、6m、6m顺序逐节顶入顺序逐节顶入，管节之间采用丝扣连接，丝扣长度15cm。有空管注浆孔径12 mm，梅花形布置，尾部50 cm范围内不设钻孔作为止浆段，无孔管作为注浆质量检查管。待有孔管全部注浆完毕后，再进行无孔管的钻孔、安设。钻孔时观察孔内涌水颜色及涌水量。作好记录并用M20水泥砂浆充填密实。

4 主要工艺流程和施工方法

管棚施工工艺流程下：1.夯机就位2.测量布控3.钻孔及安管4.管棚跟进5.撤管棚机6.注浆准备7.注浆8.效果检查（合格）9.退机。

4.1 工作平台搭设

搭设长16m，宽10m满堂红脚手架， 脚手架采用Φ50钢管，管间间距：长500*宽500*高500 mm，工作面层管间间距加密为长300*宽300。架上铺设10cm厚*20木板，板间用骑马钉加固，用粗铁丝绑扎在脚手架上，以保证工作平台稳定性。

4.2 导向轨架立

大管棚施作前，先安装导向轨，仰角定位2?，既导轨坡度为3.5%。由于本工程施工的环境和条件限制，管棚施工时采用两点加一线方式定位。将导向轨安置在工作平台上，根据已布设的纵向轴线准确定位导向轨的纵向方向及位置，使用水准仪确定导轨坡度；用骑马钉将导轨加固于工作平台；由于夯机只有向前的冲击力，以上措施能控制管棚的施工角度、标高和准确性。

4.3 下管

下管前要预先按设计对每个钻孔的钢管进行配管和编号，保证相邻两管接头位置错开。其中偶数管按6m、4m、6m、4m布置，奇数管按3m-4m-6m-4m布置。

4.4 大管棚钻孔

大管棚长度较长，施工过程中将钢管棚分节钻进，分节长度4m、6m两种。2台H190夯锤机钻机，隔二钻一成孔。

（1） 若钻进过程阻力较大，可退回1m左右，多次反复，阻力减小后继续钻进。初钻用低压顶进，以保持方向，防止孔位偏斜。

（2）套管与钻具同时跟进，产生护孔功能，避免内钻杆在提出孔后产生塌孔或涌水事故，提供临时护孔，方便往孔内插管注浆。

（3）钻孔完结后，先把套管内孔注水清洗洁净后，才把钻杆取出。套管仍保留在孔内供护孔作用。

（4）钻杆取出采用钻架配置的液动夹头，进行夹紧及卸拧钻具丝扣，避免使用手动扳手操作。

（5）钢管完毕后，取出套管，钻进其它孔眼。套管取出时，冒落的岩土会于孔内压紧钢管。钢管口与孔口周壁用水泥密封。

（6）先用钻机钻深孔，达到设计要求，钻杆用连接套接长，直至钻至比设计孔深长0.5m。

（7）钻孔达深度要求，依次拆卸钻杆。

（8）顶管作业：采用钻机连接套管自动跟进装置连接钢管，将第一节管子推入孔内。

（9）接管，钢管孔外剩余30-40cm时，用管钳卡住管棚，反转钻机，使顶进连接套与钢管脱离，安装下一节钢管，对准上一节钢管端部，人工持管钳用钢管连接套将两节钢管连在一起，再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。

上述9步环节注重内部配合默契，施工保障体系健全到位，设备、物资及电力供应不得中断。

4.5 钢管端头连接

端头连接处采用一根以0.8m的Φ95钢管，伸入Φ108钢管中40cm，在端部用电焊将管之间缝隙焊满，剩余40cm用作送入前一根钢管的尾部，并用电焊焊满，起连接和导向作用。为防止浆液倒流，每根管棚尾部均焊，有止浆板，止浆板采用2cm厚钢板制作，中间钻有Φ20带螺纹的眼，以备注浆时用。管棚连接采用长1m的φ100钢管插入焊接连接。

4.6 管棚内注浆

按照设计要求，为确保拱部地层的稳定，形成一层加固壳，对大管棚进行注浆处理。根据现况场地质情况，采用水泥砂浆进行注浆，水灰比为0.8：1～1：1。管棚采用花管，使浆液充分渗透分即在钢管上末端2/3长度钻孔径为Φ6-8mm的注浆孔，孔眼排列呈梅花形布置，间距为200mm。每根管的注浆结束与否，不是以时间来判断，而是以注浆压力来控制，当注浆压力持续升高，接近或达到注浆预定压力时，该管注浆才可结束。注浆压力0.5～2.0Mpa，注浆结束后用C10水泥砂浆充填管棚钢管，增强钢管的强度和刚度。

5 质量控制

（1）钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。

（2）钻孔外插角以1°～3°为宜，根据实际情况作调整。钻孔仰角的确定应视钻孔深度及钻杆强度而定，一般控制在1°～1.5°。施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。

（3）经常量测孔的斜度，发现误差超限及时纠正，至终孔仍超限者应封孔，原位重钻。

（4）掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

（5）管棚所用钢管进场必须按批抽取试件做力学性能（屈服强度、抗拉强度和伸长率）和工艺性能（冷弯）试验，其质量必须符合国家有关规定及设计要求。

（6）下管前要预先按设计对每个钻孔的钢管进行配管和编号，使管棚接头错开，保证同一断面上的管棚接头数不超过50%。

（7）管棚间焊接时应利用靠尺保证管身直顺，焊缝饱满，无裂纹、气泡、夹渣等现象。

（8）注浆量应满足设计要求，一般为钻孔圆柱体的1.5倍；若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。注浆速度不得大于50mL/min。注浆前先喷混凝土封闭掌子面以防渗漏，对强行打入的钢管冲清管内积物，然后再注浆，注浆顺序由下而上，浆液用搅拌桶搅拌。

6 结束语

采用长管棚进行破碎围岩地段、浅埋地段或地质条件复杂地段隧洞的施工，因其具有刚度大、超前支护长的特点，对破碎、浅埋洞口能起到有效的超前支护作用。同时，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，大大加快了隧洞开挖进度，保证了施工质量和安全，节约了施工成本，具有显著地经济效益和社会效益。