软弱围岩管棚施工技术

聂奎

管棚作为隧道顶部和边墙的超前预支护，可以有效防止掌子面的坍塌及地层过量变位，为隧道开挖提供安全保障。处于松散堆积体的洞口管棚施工中，采用跟管钻机，套管随钻头直接跟进，成功解决了常规钻机卡钻、塌孔的难题，提高了施工效率及施工质量，对于软弱围岩条件下管棚施工，具有积极的推广意义。

【作者单位】：中铁十一局兰渝铁路项目部 甘肃宕昌旧城坝748500 【关键词】：隧道 大断面 管棚支护 软弱围岩 跟管钻进 【正文】： 0 引言

管棚工法是隧道开挖施工中用以防止掌子面坍塌并围岩变形的一种预支护手段。其主要原理是在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外的设定部位水平铺设钢管，并可以通过钢管向围岩注浆，对管棚周围的围岩进行加固，使管棚成为隧道后续开挖的防护伞（棚），达到安全施工的目的。对于一些松散破碎的软弱围岩，采取常规的管棚施工工艺，成孔困难，套管推进不到位，管棚施工质量无法保证，本文介绍的跟管钻机施工技术，对于软弱围岩管棚施工比较实用。

Pipe-roof construction method for the construction of the tunnel excavation to prevent the tunnel face collapse and limit the deformation of surrounding rock as a means to advance care.Its main principle is that before the tunnel excavation, tunnel excavation along the contour line parts of the level set outside the laying of steel pipes and steel pipes to the surrounding rock by grouting of pipe roof reinforcement around the rock, so that pipe roof intofollow-up to the tunnel excavation protective umbrella (studio), to achieve safe construction purposes.For some soft rock broken loose and take the conventional pipe roof technology, into the holes difficult, casing advance is not in place, management can not guarantee the quality of construction shed, this article describes with the pipe rig construction technology, for relatively weak rock pipe roof constructionPractical. 【Keywords】：Tunnel large-section soft rock forepoling With the drilling pipe 1工程概况

兰渝铁路LYs-4标毛羽山隧道起讫里程DK277+312~DK285+816，全长8504米，是兰渝铁路重点隧道之一，隧道内轮廓设计按旅客列车行车速度目标值200km/h的双线无砟铁路隧道，断面开挖方量为123m3（断面形式见右图）。隧道洞身通过的底层主要为三叠系中统板岩、板岩夹灰岩，三叠系下统板岩。隧道出口端坡顶覆盖有第四系全新统坡积细角砾土、洪积粗角砾土及碎石土，上更新统风积砂质黄土。洞口围岩等级为Ⅴ级软岩，若按常规方法进洞，极易发生塌方，为了保证正常顺利进洞，拱部设计一环大管棚作为超前支护。

2管棚设计参数

2.1套管采用Φ108mm、厚4.5 mm的无缝钢花管作套管，且管内下入φ90 mm的钢筋笼。 2.2管棚设计孔深25m。

2.3孔间距50 cm，外插角1°-2°。 3施工情况

毛羽山隧道出口洞口段处在极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、卡钻等复杂的孔内事故，为保证钻孔质量，顺利成孔，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。

钻孔0～17 m均为灰黄色、结构松散的碎石土，土石比5∶2，17m~25m为深灰色板岩，板岩岩单轴饱和抗压强度值为2.3～3.1 MPa。

4跟管钻机管棚施工与常规钻机管棚施工区别

4.1施工原理区别：常规钻机管棚施工为先用钻机钻进成孔后，再将钢管推进形成管棚；跟管钻机管棚施工为钻头推进时套管直接跟进，管棚一次成型。

4.2钻头区别：常规钻机钻头直接用常规冲击钻头，跟管钻机选用单偏心跟管钻头。

4.3套管区别：常规钻机套管采用普通无缝钢管，每节5-6米长度成孔后推进；跟管钻机套管采用DZ40高频淬火的无缝钢管，每节长度1.5米随孔跟进。见上图。 5跟管钻机介绍

5.1钻机型号及配套设备：双帆YG-80型锚固工程钻机，钻头采用Φ110 mm单偏心跟管钻头和 Φ115 mm潜孔锤单偏心扩底钻头，潜孔锤用J100B型。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。

5.2钻机用途

YG-80型工程钻机为全液压驱动动力头式钻机。适用于水电站、铁路、公路边坡大吨位预应力锚固孔、排水孔、隧道超前管棚的施工，以及预防滑坡、岩石坍塌等地质灾害治理工程。也适用于小型水井的施工、高压旋喷引孔的施工。 5.3钻机特点

5.3.1钻机钻进能力强，适用范围广；钻孔速度快，处理事故能力强，钻进效率高。 5.3.2钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻具。动力头及孔口板调转方向，可直接钻凿仰孔，大大增加钻孔倾角范围。

5.3.3钻机机架前部设有上下调节立柱及哈夫,可调节桅杆高低，施工时对孔位快捷方便。 5.3.4钻机孔口板采用开合补芯式，可快速搬迁及通过大口径潜孔冲击器或跟管钻具。 5.3.5钻机结构为分体式，可拆性好，搬迁、安装讯速方便；并可远距离操纵，一次搬迁完成多孔施工；操作员工工作环境好，劳动强度低。

5.3.6钻机全液压驱动，可实现无级调速，操纵简单，维修保养方便，易损件少。 5.4主要技术参数

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 6施工工艺

名 称 钻孔深度 钻孔直径 钻杆直径 钻孔倾角 动力头输出转速（正反） 动力头输出最大扭矩 动力头行程 桅杆滑移行程 动力头最大起拔力 动力头最大给进力 液压系统额定压力 电机型号 电机功率 主机外形尺寸 钻机重量 单位 m mm mm rpm NM mm mm KN 30 18 -- KW mm Kg 参 数 80-100 Φ220-Φ130 Φ114×1500，Φ×1500 0-120° 5-180 3500 1800 500 45 KN Mpa Y200L-4 30 3400×1000×1500 1700 管棚施工的顺序为：导向墙施工→钻机定位→钻孔并同步跟进无缝钢花管→洗孔→安放钢筋笼→注入水泥浆。

6.1 钻孔 6.1.1 钻进方法

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。以高压空气作为潜孔锤动力，同时用以冷却钻头，排除岩碴。当钻孔钻进到设计深度后，取出中心钻杆和钻头，套管留在孔内，钻孔即成孔。

6.1.2钻进中遇到的问题及解决措施

1)排碴困难：由于所钻钻孔基本上为水平孔，且松散的土层比较潮湿，排出的岩碴多为泥团，当钻孔较深时，泥团容易堵塞管孔，排碴十分困难，当钻进至设计孔深，开始退出钻头时，发现管内岩碴严重卡钻。因此在钻进过程中，须严格控制进尺，勤吹孔，必要时从钻杆内向钻杆与套管的环状间隙内送水洗孔，然后退钻。

2)钻头脱落：在钻进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钻头横销材质较差，易断。当事故发生后，先拔出套管，然后用筒状岩心管取心钻进取出钻头。重新钻进时再重新选用轴承钢加工横销。

3)管靴脱落：在跟管过程中，主要是通过跟管钻头在钻进的同时，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，摩擦力增大或后部套管被岩碴卡死后，套管管靴便很容易被打掉。当管靴被打掉时，在拔出套管后，立即采用公锥取出管靴，更换管靴后再继续跟管钻进。防止管靴脱落有如下两种方法：①在管靴与套管之间实行铆焊、点焊联接牢固；②在动力头与套管之间另外增加一个同步给进装置。

4)跟管钻进蹩钻：在跟管钻进过程中，当钻头遇地下隐埋物，如硬质石英砂岩或土石软硬不均时，钻进过程会发生严重蹩钻，导致钻具无法正反转，遇到此种情况需及时拔出套管，取心钻进后再跟管钻进。

6.1.3注意事项

1)开孔：开孔前以孔口导向管为准调正钻机，套管从导向管中穿过，依导向管的方位角为准，尽量调正接近施工设计所需的方位角。套管穿过导向管后一头靠在需钻进的岩层，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，然后开启高压风，不回转钻具将套管打入土层1 m后再回转钻具开始跟管，在开孔时若发现套管偏斜等情况时，应及时调整，保证后续跟管方向的精度。

2)钻进：钻进时应以排碴顺畅为准。浅部时应控制进尺，以免岩碴太多，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，要轻提钻头吹孔，若遇排碴时泥团过多时，可往孔内注入高压水，冲洗排出泥团。

3)反转提钻：在必要反转提钻时可边冲击边反转180度左右两次，然后在不停风的状态下提钻。

4)钻头检查：每钻完一个钻孔后，要检查偏心钻头的收敛和张开状况，注意当偏角过大时，应及时更换横销或补焊偏心槽。

5)套管及钻杆接头的检查：套管在连接时要上紧，防止接头松脱，必要时可以采取点焊加固。钻杆一定要上紧，防止在反转钻具时从钻杆接头处反脱。

6.2 洗孔

当钻孔结束时后，应对钻孔进行洗孔，洗孔采用Φ15 mm的铁管注入高压水清洗，边清洗边来回抽动，回转铁管，清洗至流出的水变清、砂干净为止。

6.3 下入钢筋笼

钻孔清洗完毕后，即可下入钢筋笼，钢筋笼的固定环采用φ50 mm的无缝钢管，钢筋为 Φ22 mm的二级螺纹钢，制作好后用人工分段送入钢管内，钢筋焊接搭接长度15 cm。

6.4 注浆

钢筋笼放入套管内后，即进行注浆。注浆主要在于增大套管的抗弯强度，同时增加松散岩层的粘结力，提高围岩开挖后自稳能力。

注浆采用电动隔膜高压注浆机进行，浆液施工配合比为1∶1。为便于注浆施工，在套管口设置一个接头控制装置。在压力作用下，浆液沿着花管的小孔渗入到围岩内，充填围岩裂隙。水泥浆凝固后，各个钢管、钢筋笼、围岩均固结在一起，形成一个整体的

承载圈，围岩得到加固。注浆时的注浆终压控制在2.0MPa以内。 7实施效果

毛羽山隧道出口管棚从2009年5月中旬开始施工，至6月10日洞口设计40根管棚全部施工完成，施工工期20天，平均每天成孔2根，施工效率得到很大的提高。开挖进洞施工时，围岩经管棚注浆加固处理后，注浆效果明显，岩层经浆液处理后整体性得到加强，开挖轮廓线超欠挖现象得到较好的控制，施工质量提高，经过后期洞口监控量测数据显示，洞顶地表沉降较小。在施工经济、工效、质量和安全等方面都取得了较好的成绩。 8结束语

管棚工程在隧道开挖前的预支护中能有效提高围岩土体强度，提高开挖线拱部土体承载力，加固隧道围岩，确保隧道施工安全。在隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段时，管棚的这种作用更为明显。在松散地层中应用跟管钻进技术建成管棚钻进效率高，工期短，经济效益好，由于套管采用高频淬火的无缝钢管，强度高，施工质量得到很好的保证，而且孔内事故少，钻孔的精度高，方位角和仰角很容易控制，因此跟管钻进管棚施工将成为隧道管棚施工中经济适用的施工方法，在更多工程中得到应用。

参考文献：

《西部探矿工程》2009年 第11期

《探矿工程-岩土钻掘工程》2000年 第1期

《隧道建设》浅谈长管棚在土介质中的失效及其预防措施 2001年 第2期 《铁路隧道工程施工技术指南》TZ204-2008

《新建时速200公里客货共线铁路工程施工质量验收暂行标准》铁建设[2004]8号 《铁路隧道设计规范》TB10003-2005